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1、第1章工业数据通信和控制网络技术基础,1.1 工业数据通信和控制网络技术概述 1.2 工业数据通信和控制网络连接及传输介质 1.3 网络互连参考模型和规范,1.1.1 工业自动化技术及发展趋势 1.1.2控制系统体系结构的演变 1.1.3工业数据通信与控制网络,1.1 工业数据通信和控制网络技术概述,工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。,1.1工业数据通信和控制网络技术概述,企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求。工业数据通信与控制网络技术正是在这种形势下逐渐发展形成的。,随着自
2、动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从原料采购、生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。,工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。在传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被PLC和DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由价格昂贵的过程计算机或小型机组成。 然而，自20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机（简称工业PC）的发展，以工业PC、I
3、/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。 工业PC是基于商用微型计算机或个人电脑，并采用了总线式结构、工业标准机箱和工业级元器件等诸多满足工业控制需求的实用技术。以工业PC为基础的低成本工业控制自动化系统的特点是：开放的结构，用户可以选择来自,1、 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化已成为主流,不同厂商的不同产品，为应用提供更大的系统柔性，便于系统集成；PC工控机的软硬件丰富，用户可以得到更高性价比的产品；提供有力、柔性的联网能力，可以使用标准TCP/IP以太网和网卡；能运行复杂任务（如趋势分析），并且可基于多种平台
4、运行，如windows NT、windows CE和Linux等。目前，我国的许多大企业已拆除了原来DCS或单回路数字式调节器，而改用工业PC来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良好效果。 2、 PLC（可编程序控制器）得到了广泛的应用 PLC是由器逻辑控制系统发展而来的，初期主要代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面，后来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展，PLC在技术上和功能上发生了极大的变化。在逻辑运算的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能；,增加了模拟量和PID调节等功能模块，实现了顺序控制和过程控制的结合；运算速度得到提高，新型PLC的CP
5、U在能力已经赶上了工业控制机；开发了具有智能I/O模块；通信功能实现了PLC之间、PLC与上位机之间以及PLC与其他智能设备间的通信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制系统。PLC这些性能特点使其在工业控制自动化领域中得到了广泛的应用。 现代PLC的发展有两个重要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面： （1）大型网络化。主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连；向上可与工业计算机
6、、以太网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。,（2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。 （3）高可靠性。由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。在操作运行过程中，有些PLC的模板还可热插拔。 3、面向测控管一体化设计的集散控制系统 集散控制系统，也称为分布式控制系统或分散式控制系统（DCS），它采用了标准化、模块化
7、和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成，以通信网络为纽带，对数据进行集中显示，而操作管理和控制相对分散，是一种配置灵活、组态方便、具有高可靠性的控制系统，,其特点可总结为：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。 DCS正朝着综合性、开放性发展。工厂自动化要求加强各种设备（计算机、DCS、单回路调节器、PLC等）之间的通信能力以便构成大系统。开放性的结构将方便地与管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成制造系统。同时在大型DCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现
8、，如智能变送器、可编程调节器、智能PID、自整定控制、智能人机接口，以至于智能DCS。总的发展趋势可体现在以下几个方面： （1）各制造厂商都“开放性”上下功夫，力求使自已的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；,（2）大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产品； （3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术； （4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；（5）在系统规模的结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求； （6）发展以先进网络通信技术为基础的DCS控
9、制结构，向低成本综合化自动化系统的方向发展。 4、 大力发展和采用现场总线技术 现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型自动化控制系统。,现场总线技术的采用带来了工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。现场总线技术使得从智能传感器到智能调节阀的信号一直保持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。 利用双绞线作为现场总线，既能传输现场总线上仪表设备与上位机的通信信号，还能为现场总线上的智能传感器/变
10、送器、智能执行器、可编程控制器、可编程调节器等装置供电。现场总线是一种开放式的互联网，它可与同层网络相连，也可与不同层网络相连，只要配有统一的标准数字化总线接口并遵守相关通信协议的智能设备和仪表，都能并列地接入现场总线。 开放式、数字化和网络化结构的现场总线控制系统，由于具有降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便等显著优点，从问世开始就在生产过程自动化领域引起极大的关注。,现场总线控制系统是继DCS之后控制系统的又一次重大的变革，必将成为工业自动化的发展主流，会对工业自动化领域的发展产生极其深远的影响。 5、大力研究和发展智能控制系统 理论上，工业自动化中工业控制系统的设计和分析是建立在精确的
11、系统数学模型基础上的，而实际应用的控制系统由于各种因素的影响，无法获得精确的数学模型，同时，为了提高控制性能，整个控制系统会变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。人工智能的出现和发展，促进了自动控制向更高的层次发展，即智能控制。 智能控制是模拟人类学习和自适应的能力，能学习、存储和运用知识，能在逻辑推理和知识推理的基础上进行信息处理，能对复杂系统进行有效的全局性控制，能自主地驱动智能机器实现其目标的过程。,智能控制系统的研究范围很广泛，普遍认为模糊逻辑控制、专家控制和神经网络控制是三种典型的智能控制。此外，还有分级递阶智能控制系统、学习控制系统等，有关智能控制系统方面的内容，读者
12、可参考相关的书籍加以学习。 1.1.2控制系统体系结构的演变 1、控制系统的发展过程 在工业控制系统的发展过程中，每一代新的控制系统的推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，同时也代表着技术的进步和效能的提高。工业控制系统在其发展过程中大致可划分为以下几个阶段： （1）初级控制系统 20世纪50年代以前，由于工业生产规模较小，各类检测、控制仪表处于发展的初级阶段，生产设备以机械设备为主，所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内,（2）模拟仪表控制系统 随着测量技术、电子技术的发展和工业生产规模的不断扩大，操作人员需要了解和掌握更多的现
13、场参数与信息，制定满足要求的操作控制系统。于是，在60年代至70年代后期，先后出现了以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列。它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，并以气压信号0.02 MPa0.1MPa，直流电流信号0 mA10mA、4 mA20mA，直流电压信号0 V5V，1V5V等作为仪表的标准信号，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。,起作用（主要是显示功能），一般不能传送给别的仪表或系统，各测控点为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过对生产现场的巡检来
14、了解生产过程的运行状况。此阶段的控制系统均简单、初级控制系统。,（3）集中式数字控制系统 80年代初，计算机、微处理器和并行处理技术的发展，使得领先一对一物理连接的模拟信号系统在速度和数量上越来越无法满足大型、复杂系统的需求，模拟信号的抗干扰能力也相对较差，人们开始使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。由于数字计算机价格昂贵，人们总是用一台计算机取代控制室的所有仪表，于是出现了集中式数字控制系统。这样，解决了信号传输及抗干扰问题。,电动单元仪表通常以双绞线为传输介质，信号被送到集中控制室（通常称为仪表室或机房）后，操作人员可以坐在
15、控制室内观察生产流程中各处的生产参数并了解整个生产过程。由于单元组合仪表具有统一的输入输出信号标准，在此阶段自动化系统可以根据生产需要，由各种功能单元进行组合，完成各种相对复杂的控制。,由于当时数字计算机的可靠性还不够高，一旦计算机出现某种故障，就会造成系统崩溃、所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面。由于工业生产很难接受这种危险高度集中的系统结构，使得集中控制系统的应用受到一定的限制。 （4）集散控制系统（DCS） 随着计算机可靠性的提高和价格的下降，自控领域又出现了新型控制方案集散控制系统，它由数字调节器、可编程控制（PLC）以及多台计算机构成，当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算
16、机的工作，使系统继续正常运行。在集散系统中系统的风险被分散到多台计算机承担，避免了集中控制系统的高风险，提高了系统的可靠性。因此，它被工业生产过程广泛接受，这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。,这种系统与模拟式仪表控制系统、集中式数字控制系统相比较，在功能、性能、可靠性上都有了很大的进步，可以实现现场装置级、车间级的优化控制。但是，在DCS系统形成的过程中，由于受早期计算机发展的影响，各厂家的产品自成封闭体系，即使同一种协议下仍然存在不同厂家的设备有不同的信号传输方式且不能互连的现象，因此实现互换与互操作有一定的局限性。 （5）现场总线控制系统（FCS） 现场总线控制系统突破了DCS通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。,现
