工业控制网络教材

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1、工 业 控 制 网 络 （现场总线） 主讲教师：葛广军,1. 什么是工业控制网络（现场总线）？ 2.学习本门课程的主要目的是什么？ 3. 学习本门课程都需要具备哪些基础？ 4. 本门课程将主要讲述哪些内容？,问题：,电子技术（模拟电子技术和数字电子技术） 单片机/微处理器/微控制器/ARM（嵌入式系统）、CPLD/FPGA、DSP技术 数据通信与计算机网络,学习本门课程需具备的基础,了解现场总线，熟悉其特点、优点 组建一个具体的现场总线网络（系统）时，知道如何选用现场总线 设计现场总线通信接口及其节点 促进现场总线技术在我国的应用与发展,学习本门课程的主要目的,绪论 数据通信与计算机网络基础

2、CAN总线 ProfiBus总线 其他现场总线简介及现场总线发展趋势介绍,本门课程的主要内容,现场总线工业控制网络技术 夏继强等，北航出版社，2005.5 现场总线控制网络技术 雷霖，电子工业出版社，2004.4 现场总线技术及其应用 阳宪惠，清华大学出版社，2008 集散控制与现场总线 刘国海，机械工业出版社， 2006 现场总线技术及其应用 甘永梅等，机械工业出版，2004.5 现场总线技术应用选编(上下册) 邬宽明，北航出版社，2003.1,参考书目：,1.1 工业控制网络的特点 1.2 典型控制网络体系结构 1.3 工业控制系统的发展历程 1.4 现场总线的概念 1.5 现场总线系统的

3、组成与体系结构 1.6 现场总线的技术特点及优缺点 1.7 网络布线与安装 1.8 现场总线标准 1.9 现场总线应用领域,第1章 绪 论,现场总线定义 原本是指现场设备之间的公用信号传输线；后来被定义为应用在生产现场，在测量设备之间实现双向串行多节点数字通信技术,1.1 工业控制网络的特点,工业控制网络指以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点、以现场总线作为通信介质，连接成开放式、数字化、多节点通信，从而完成测量控制任务的网络。 工业控制网络是应用于企业信息系统现场控制层和过程监控层的网络通信技术，属于一种特殊类型的计算机网络。 工业控制网络特别强调数据传输的完整性、可靠性和实

4、时性。,1.1 工业控制网络的特点,作为普通计算机网络节点的PC或其他种类的计算机、工作站，都可以成为工业控制网络的节点。但工业控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，其计算或其他能力通常远不及普通PC，也没有键盘、显示器等人机交互接口；有的甚至不带CPU、单片机，而只有简单的通信接口。具有通信能力的以下设备都可以成为控制网络的节点成员：,1.1 工业控制网络的特点,限位开关、感应开关等各类开关 条形码阅读器 光电传感器 温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器 可编程控制器PLC PID等数字控制器 各种数据采集装置 作为监视操作设备

5、的监控计算机、工作站及其外设 各种调节阀 马达控制设备 变频器 机器人 作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等,1.2 典型控制网络体系结构,工业控制网络的基本层次, 信息层 控制系统的最上层 通信的主要特点：通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高 通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围，与数据库技术、互联网技术、数据分析和处理技术紧密关联 可连接的设备包括控制器、PC、操作员站、高速I/O、其它局域网设备，通过网关设备可以连接入因特网,1.2 典型控制网络体系结构, 控制层 处于控制的中间层次 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，通过网关设备与信息层

6、相连，很多应用实时性要求较高，包括I/O的实时刷新、互锁信息和控制器等之间报文的报文传递等 通信特点是要求有较高的网络速率，实时性要求高的情况下要求通信是确定的、可重复的,1.2 典型控制网络体系结构, 设备层 控制网络的最底层 面向大量的现场设备，包括离散型的I/O（光电传感器、接近开关等），温度变送器、流量计等较为复杂的设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层 通信特点是速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件,1.2 典型控制网络体系结构,1.3 工业控制系统的发展历程,工业控制系

7、统的发展经历了以下5个阶段：,气动信号控制系统（Pneumatic Control System，PCS ） 人工控制阶段，使用35psi（压力单位，每平方英寸几磅）的标准气动信号，操作人员通过对生产现场的巡视来了解生产过程，并在现场直接把被控对象的参数调整在预定值上。 缺点：仪表信号不能传送给别的仪表或系统 年代： 20世纪50年代以前,电动信号模拟控制系统 使用0.002-0.01MPa的气压信号，4-20mA电流模拟信号或1-5V直流电压信号等模拟信号向集中控制室传输信号，为模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统 缺点：线缆较多，信号变化缓慢，信号传输的抗干扰能 力差 年代： 20世

8、纪50年代,1.3 工业控制系统的发展历程,集中式数字控制系统 经历了直接数字控制、集中型计算机控制和分层计算机控制三个发展阶段，开始用数字信号代替模拟信号，并且企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘。 年代：20世纪60年代 特点：控制集中，危险集中，因此对中央控制计算机要求 高，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回 路瘫痪、生产停产的严重局面。,1.3 工业控制系统的发展历程,DCS（Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统 把当时的微处理器、计算机数字通信等技术应用到工业控制领域，分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，把

9、控制功能分散到若干台控制站，在监控操作站进行集中监控操作。 年代：20世纪70年代中期 特点：充分体现了管理的集中性和控制的分散性，但不同 厂家的设备不能互连在一起，互换和互操作性较 差，难以组成大范围信息共享的网络系统。,1.3 工业控制系统的发展历程,FCS（Fieldbus Control System）现场总线控制系统,代表工业自动化控制发展的最新阶段，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系：向下深入到现场的每一台仪表与执行结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能；向上连接到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面的解决方案。

10、年代：20世纪80年代中后期 特点：使模拟和数字混合控制系统最终转变为全数字控制系统。,1.3 工业控制系统的发展历程,在企业网络中的地位：处于企业网络的底层，是构成企业网络的基础。 在企业网络中的作用：主要是为自动化系统传递数字信息（包括生产运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量值调校信息等），借助现场总线把控制设备连接成控制系统。简言之，现场总线系统在实施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发挥着重要作用。,工业控制系统的发展过程具有以下特点：,计算机技术在工业控制系统中起到越来越重要的作用 信息的集

11、成度越来越高 控制功能越来越“接近”现场 现场仪表的测控能力越来越强,1.3 工业控制系统的发展历程,现场总线一般被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场测量和/或控制目的。 目前，现场总线，也称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）、现场总线系统、现场总线网络、现场总线网络系统或现场总线网络控制系统，已经成为工业控制网络的代名词。,1.4 现场总线的概念,国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对 现场总线（fieldbus）的定义是： 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总

12、线。,1.4 现场总线的概念,第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准第2部分：物理层规范（Physical Layer Specification）与服务定义（Server definition）又进一步指出： 现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（local controllers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。,1.4 现场总线的概念,对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。 之一：现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及

13、像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络；,1.4 现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述之二： 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络；,1.4 现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述之三： 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系；,对现场总线概念的不同的表述之四： 现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；或现场总线是从控制室连结到现场设备

14、的双向全数字通信总线；,1.4 现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述之五： 现场总线是用于过程自动化和制造自动化（最底层）的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成；,对现场总线概念的不同的表述之六： 在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络； 对现场总线概念的不同的表述之七： 现场总线是应用在生产现场、在测量控制设备之间实现工业数据通信、形成开放型测控网络的新技术，是自动化领域的计算机局域网，是网络集成的测控系统。,1.4 现场总线的概念,现场总线的本质含义 现场通信网络 开放式互联网络 现场设备互联 互操

15、作性 分散功能块 通信线供电 现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展。,1.5.1 现场总线系统的组成 1.5.2 现场总线控制系统的体系结构,1.5 现场总线系统的组成与体系结构,现场总线系统,图1 现场总线系统的组成,1.5.1 现场总线系统的组成,硬件： 总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。 连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。又分为总线主设备和总线从设备。,1.5.1 现场总线系统的组成,软件 系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括组态工具软件、组态通信软

16、件、监控组态软件和设备编程软件 。 系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。,1.5.1 现场总线系统的组成,组态工具软件为用计算机进行设备设置、网络组态提供平台并按现场总线协议规范（ProtocolSpecification）与组态通信软件交换信息的工具软件；,组态通信软件为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件；,控制器编程软件为用户程序提供编程环境的软件平台；,用户程序软件根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序；,设备接口通信软件根据现场总线协议规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件；,设备功能软件使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件；,监控组态软件运行于监控计算机（通常也称为上位机）上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报