工业数据通信与控制网络

1、清华大学自动化系工业数据通信与控制网络，62783125-252杨宪辉，第一讲工业数据通信与控制网络概述，控制网络与现场总线控制网络及计算机网络数据通信系统(网络)网络控制系统的区别全分布式控制系统传感器总线、设备总线和现场总线早期现场总线技术，控制系统对网络的要求，控制网络在企业网络系统中的地位和作用，控制网络面临的问题， 控制网络与上层网络的连接方式，控制网络的技术发展和标准化课程的几个教学环节，第一堂课是工业数据通信和控制网络概述，它是近年来自动控制领域发展起来的一门网络技术。 它是计算机网络、通信技术和自动控制技术相结合的产物，适应了企业信息集成系统和管控一体化系统的发展趋势和需求。工

2、业数据通信系统；生产现场网络系统；网络集成控制系统。信息技术是信息技术在自动控制领域的延伸；自动控制领域的信息技术本课程讲述各种总线的技术特征和规格，通信控制芯片、接口电路、控制网络、控制网络和现场总线的设计和应用，以及什么是现场总线技术？现场总线在IEC规范中的描述：现场总线是一种应用于生产领域的技术，它实现了现场控制设备之间以及现场设备与监控设备之间的双向、串行和多节点数字通信。控制网络：由分散在生产现场的多个具有数字通信能力的测控仪器组成的网络，作为网络节点，以现场总线为通信链路完成测控任务的网络系统和控制系统。控制网络与计算机网络的区别，网络节点计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示

3、终端控制网络：除上述设备外，还有可编程控制器、数字调节器、开关、电机、变送器和阀门。工作环境计算机网络用于嵌入中央处理器、微控制器或其他特殊芯片的设备或功能简单的非智能设备：办公控制网络：工业生产现场、炎热的夏季、寒冷、灰尘、电磁干扰、振动、易燃易爆环境(本质安全)、总线供电要求、任务计算机网络：文件、图像、语音等传输。在许多情况下，人们都参与其中。控制网络：传输工业数据(图像)并承担自动测量和控制任务。在许多情况下，需要自动完成。需要实时可靠性。高数据帧包含较少的字节。控制网络是一种特殊的网络，广泛应用于离散和连续的制造、运输、建筑、家用电器，甚至农业、林业、畜牧业、渔业等行业。工业数据通信

4、系统。工业数据通信是在测量和控制设备的功能单元之间、设备之间以及这些设备和计算机之间传输数据信息的过程。工业数据通信中：多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程不同于电话和电报通信，也不同于计算机通信中工业数据通信的内容，如生产设备运行参数的测量值、控制量、阀门工作位置的切换状态、报警状态设备的资源信息和维护信息、零点校准信息系统的配置、参数修改信息等。工业数据通信的网络结构传统的测控系统在设备之间有一对一的并行连接，即点对点布线来传输模拟信号。现场总线系统：一对电线可以连接多个传感器、执行器、开关、按钮、控制装置等。总线是现场设备之间数字信号的传输媒介，成为数字信息的公共传输通道。控制网络(

5、现场总线系统)按照网络连接方式构建数据通道，实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。工业数据通信网络规模。一个由两个数据节点组成的简单系统，一个由成千上万个设备组成的复杂网络，一条汽车装配生产线可能有多达25万个输入输出点，而一个炼油过程中的普通设备也将有成千上万个测量和控制设备，生产现场的网络系统，网络连接，传统控制系统的一对一连接，基于网络的控制系统，传感器总线，设备总线和现场总线。传感器总线属于位总线，其通信帧的长度只有几个数据位，或者有十几个设备属于字节总线，例如ASI(致动器传感器接口)总线。其通信帧的长度通常是几个到几十个字节。例如，CAN总线现场总线属于块总线，其通信帧长度可达

6、数百字节。当要传输的数据块较长时，它可以支持分组传输。例如，基金会现场总线、控制网、现场总线传感器总线和设备总线可以统称为现场总线。早期现场总线技术和早期现场总线(工业电话线)将传感器、按钮和致动器等测量和控制组件连接到某些类型的控制器，如可编程逻辑控制器或工业计算机。控制器的输入包括按钮、传感器和接触器的位置状态和值，控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关和调节阀。第一台设备级现场总线：20世纪70年代，当可编程逻辑控制器出现时，卡特-哈默引进了第一台设备级现场总线系统。通用电气的天才输入/输出，出现于20世纪80年代初，至今仍在使用；凤凰涅槃；Senseplex过程数据的天才输入输出PN

7、ET在可编程逻辑控制器之间、可编程逻辑控制器与人机接口之间传输数据信息令牌总线，采用有限支路的总线拓扑；有32个网段节点；每个节点的输入输出为1024位，当传输速率为153.6K时，传输距离约为1000米；以2250米/38.4千的传输速率；屏蔽双绞线、光缆；采用FSK频移键控调制信号，物理连接方式下互总线属于直线总线，数据传输属于数据环方式。该总线最多有64个节点，每个节点的输入输出数据为16位，最远覆盖距离为12.5公里。典型的传输速率是500Kbps。物理信号连接遵循EIA485标准，采用单个全帧结构，数据帧中有效位的比率很高。Senseplex最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂

8、上。工作环境靠近电磁场，抗噪声和电磁干扰能力很强。Senseplex系统在上述恶劣环境下运行良好，采用主从式结构；连接采用75欧姆同轴电缆；用频移键控调制信号；采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全；节点总数为32/64/120，每个节点的数据输入和输出位为8位。主节点和最远的从节点之间的距离是200米，通过使用中继器可以增加到400米。传输速度为187K，可用于动物饲养系统、乳品厂、啤酒厂、农业环境控制等。可形成复杂网络结构系统的EIA-485标准。屏蔽双绞线的传输速度为76.8Kbps，最大传输距离为1200米。每个部分最多可以连接125个设备。每帧数据为56位。当数据大于56位时，P-Ne

9、t采用分段结构的多主网络系统，网络中最多可连接32个主节点。P-Net多主网络系统，概括起来，工业数据通信和控制网络的特点可以从早期的总线技术看出。它与语音通信和计算机通信系统在网络结构、节点类型、通信帧长度、工作环境、各种通信技术参数和需要解决的问题等方面都有所不同。早期总线技术的大多数缺点是专有通信技术，它是独立的，不开放的。不同厂家的产品无法相互沟通，沟通框架一般比较短。开放式总线控制器局域网的典型例子具有开放性和统一的技术规范。摩托罗拉、英特尔、飞利浦和日立等众多芯片制造商的开放推动了这项技术的发展和普及。新的控制系统结构是网络控制系统。控制系统的结构变化包括集中数字控制系统的特点、集

10、散控制系统、可编程控制器网络现场控制系统、气动和电气系列基础型气动仪表网络控制系统。设备的网络连接在结构上形成，节省了大量的电缆、支架和连接器。连接设计和联合校对的工作量也大大减少，现场控制设备增加，无需增加新的电缆，实现了工业数据的网络式远程传输和集中管理，拓展了操作人员的视野，为远程监控和操作提供了基础条件，控制功能模块由无人值守的机台放入现场设备，实现了全分布式控制系统为自动化系统与其他信息系统之间的通信支持总线供电。为了实现企业管控一体化，网络集成控制系统拓展了运营视野。传统上，在4-20 mA中只能看到输入/输出子系统，现场总线视野可以扩展到现场仪器、控制器、控制系统、网络、现场总线

11、、远程输入/输出子系统。网络化、全分布式控制系统、控制系统对网络、开放性、互操作性、实时通信、环境适应性的要求开放性：开放的通信协议，与任何其他制造商设备的互连，符合与系统互操作性相同的标准：互连设备之间的信息传输和通信；互操作性：来自不同厂商的性能相近的设备可以实现相互替换通信的实时性：它有严格的定时和定时要求，不能满足实时性要求，或者因为时间同步等问题，影响网络节点之间的动作定时，甚至造成灾难性的后果。环境适应性能在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下正常工作，能抵抗振动和电磁干扰，能在易燃易爆环境下保证本质安全，能支持母线供电等。控制网络在企业网络系统中的地位和作用，以及企业网络系统的层次结构。

12、企业资源计划系统、制造执行系统制造执行系统、现场控制系统现场控制系统信息类型：运行参数测量值、控制量、阀门工作位置、开关状态、报警状态、设备资源和维护信息、系统配置、参数修改、零范围调整信息等。企业网络系统的层次结构、现场控制层面临的问题、控制网络种类繁多、集散控制系统、可编程控制器、监控与数据采集系统等网络内部通信的一致性差、控制网络与信息网络之间的差异大、网络节点类型差异大等。控制网络和信息网络之间很难实现信息交换。在实时性和环境适应性方面还有许多问题需要解决。控制网络与上层网络的连接方式是利用专用网关完成不同通信协议的转换，将控制网段或集散控制系统连接到以太网，并将现场总线网卡和以太网网

13、卡都放入工业PC机的PCI插槽中，完成PC机中的数据交换。实现控制网段与上层网络的连接。将网络服务器直接放入可编程控制器或现场控制设备中，借助网络服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互，控制网段通过网关与上层网络连接，控制网段通过PCI卡与上层网络连接。控制网络的技术发展和标准化，现场总线的蓬勃发展，开发了100多种总线。其中，有40多种公共汽车。欧洲、北美和亚洲的许多国家在研发方面投入了大量的资金和人力，形成了各种企业、国家、地区和国际现场总线标准。现场总线基金会伦敦马克协会、Profibus协会、IEA(工业以太网协会)、爱奥那岛(工业自动化开放网络联盟)汽车工程师协会(SAE)、现场

14、总线国际标准化组织和标准化过程IEC/TC65负责测量和控制系统中数据通信的国际标准化。自1984年以来，它开始制定总线标准，并致力于在世界范围内推出单一的现场总线标准。1993年，制定了IEC61158-2。经过16年的努力，2000年初宣布8种现场总线共同构成了IEC 61158，它是IEC现场总线国际标准的一个子集。控制网。Profibus个人网络；高速以太网；新来者SwiftNet。WorldFIP在Interbus-S之后，在正式标准形成之前，该标准已经增加到10种，13种实时以太网有14个子集。IEC/17B负责制定IEC62026，该标准已通过低压开关设备和控制设备之间的接口标准，包括第2部分ASI和第3部分DeviceNet；第四部分智能分布式系统；第五部分：Senseplex国际标准是第一个现场总线和其他功能强大、前景广阔的控制网络技术的国际标准；哈特；Modbus链接；蓝牙无线；Zi