自动化系统网络结构技术V0200精编版

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1、自动化系统网络结构,一、综述 二、现场总线 三、基础自动化网络技术 四、过程自动化网络技术 五、生产制造执行系统简介,一、综述,1、企业自动化系统结构 2、自动化系统常用的网络拓扑结构 3、网络设备,1 、企业自动化系统结构,企业信息化和自动化系统是分层实现的，一般分为五层结构： 现场设备与总线级（L0） 基础自动化级（L1） 过程控制级（L2） 制造执行级（L3） 企业资源规划级（L4）,自动化系统的典型网络拓扑,企业自动化系统的结构原理图,2 、自动化系统常用的网络拓扑结构,自动化系统常用的网络拓扑结构主要有星型、环型、总线型三种 （1）星形拓扑 星形拓扑是由中央节点和通过点到到通信链路接

2、到中央节点的各个站点组成。星形拓扑结构分为单星形拓扑和双星形拓扑两种,星形拓扑结构优点主要有： 1. 控制简单 2. 故障诊断和隔离容易 3. 方便服务 星形拓扑结构缺点主要有： 1. 电缆长度和安装工作量可观 2. 中央节点的负担较重，形成瓶颈 3. 各站点的分布处理能力较低,（2）环形拓扑 环形拓扑网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一个封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或双向传输，其中，双向传输时须考虑路径控制问题。,环形拓扑优点主要有： 1. 电缆长度短。 2. 增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作 3. 可使用光纤 4. 结构简单 5. 控制逻辑简单 6. 挂

3、接或摘除结点也比较容易 7. 系统的初始开发成本以及修改费用较低,环形拓扑缺点主要有： 1. 节点的故障会引起全网故障 2. 故障检测困难 3. 环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达式传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。,（3）总线拓扑 总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。有些总线设有通讯控制器，采取集中控制方式；而有些把通讯控制功能分设在各通讯接口中，称为发散控制方式,总线拓扑结构优点主要有： 1. 总线结构所需要的电缆数量少 2. 总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性 3.

4、易于扩充，增加或减少用户比较方便 总线拓扑结构优点主要有： 1. 总线的传输距离有限，通信范围受到限制 2. 故障诊断和隔离较困难 3. 分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能,网络拓扑结构特点的对比与总结,3 、网络设备,（1）传输介质,（2）交换机 交换机是按照通信两端需要，用自动方法把要传输的信息送到符合要求网络上的设备。 选择交换机时，应把握几个原则： 确定适当的端口数和类型 考虑工作层次 考虑性能档次,交换机品牌非常多，国外著名品牌有Cisco、安奈特、NETGEAR等，国内的如华为、D-LINK、TP-LINK、实达等 以TP-Link TL-SG3424型24口全千兆二

5、层交换机为例，介绍生产自动化系统常用交换机的基本特性:,TP-Link TL-SG3424型交换机特性主要包括： 1. 提供丰富的接口，灵活接入：24个10/100/1000M自适应RJ45端口，4个千兆SFP（mini GBIC）光纤模块扩展插槽，1个配置管理接口 2. 支持存储转发，交换容量48Gbps，支持8K bits地址表 3. 全面的安全防护体系，保障网络长期稳定运行丰富的QoS策略和ACL访问控制功能，多业务高效融合运作 4. 支持端口汇聚和多种生成树协议，提高链路冗余备份的能力 5. 提供Web网管，CLI命令行，SNMP等安全灵活的方式;提供环回检测、线缆检测、系统日志等功能

6、，维护简单。,（3） 路由器 路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络 选择路由器时，应把握几个原则： 确定连接方式 明确应用定位 选择合适端口 明确传输速率 关注控制管理功能 考虑可靠性和安全性,以华为Quidway AR28-31型路由器为例，简单介绍一下生产自动化系统常用路由器的基本特性:,配置包括： 1. 提供丰富的接口：2个10/100M自适应RJ45端口，1个AUX口（备份），1个同步/异步接口，23个扩展模块接口，1个配置管理接口 2. 基本配置为：CPU为MPC8245(300MHz),32MB Flash，

7、256MB SDRAM，90100Kpps(包每秒)转发性能,特性包括: 成熟的VPN解决方案 网络安全 互连协议 网络协议 应用层协议及业务特性,特性包括: QOS 网络可靠性 系统可靠性 语音特性 简单便捷的网络检测工具 配置管理,（4）防火墙 防火墙指的是一个由软件和硬件设备组合而成，在内部网和外部网之间、专用网与公共网之间的界面上构造的保护屏障.是一种获取安全性方法的形象说法 防火墙是一种计算机硬件和软件的结合，使网络之间建立起一个安全网关（Security Gateway），从而保护内部网免受非法用户的侵入 选择防火墙时，应按照以下几个步骤来开展: 做好需求分析 把握基本原则 明确常

8、用指标,防火墙产品中，国外主流厂商为思科（Cisco）、CheckPoint、NetScreen等，国内主流厂商为东软、天融信、山石网科、网御神州、联想、方正等，它们都提供不同级别的防火墙产品 以CISCO ASA5505型防火墙为例，简单介绍常用企业级防火墙的基本特性：,配置包括： 1. 提供丰富的接口：8个以太网口(RJ45型)，1个SSC扩展插槽，3个USB 2.0接口，1个配置管理接口（RJ45） 2. 基本配置为：64MB Flash，256MB SDRAM等,特性主要包括： 1. 防火墙吞吐率高达150Mbps 2. VPN 吞吐率高达100Mbps 3. 支持并发连接25000个

9、 4. 安全过滤带宽为100Mbps 5. IPSec VPN对为10或25 6. SSL VPN对许可证级别为10或25 7. 内置一个灵活的8端口10/100快速以太网交换机，其端口能进行动态组合，为家庭、企业和互联网流量创建3个独立的无中继支持的虚拟接口 (VLAN)，以改进网络分区和安全 8. 提供两个以太网供电(PoE)端口，简化了配备自动安全IP语音(VoIP)功能的思科IP电话的部署，以及外部无线接入点的部署，扩展了网络移动性 9. 通过其模块化设计，提供了1个外部扩展插槽和3个USB端口，能在未来添加更多服务，从而实现了出色的扩展能力和投资保护,二、现场总线,1、 引言 2 、

10、现场总线定义 3 、现场总线的特点 4 、现场总线用途 5 、现场总线的现状和发展趋势 6 、主流现场总线简介 7、 现场总线应用,1、引言,以现场总线为核心连接现场设备的基础自动化系统,2、 现场总线定义,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,3 、现场总线的特点,增强了现场级信息集成能力 开放式、互操作性、互换性、可集成性 系统结构的

11、高度分散性 现场设备的智能化 系统可靠性高、可维护性好 降低了系统及工程成本 对现场环境的适应性,4、现场总线用途,制造业自动化：如汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织等行业 过程控制自动化：如石化、制药、水泥、食品、饮料等； 电力及楼宇自动化：如发电、输配电等 楼宇自动化：如空调、风机、照明等 铁路交通：如信号系统等,5、 现场总线的现状和发展趋势,（1）现场总线的现状 多种现场总线并存 各种总线都有其应用的领域 每种现场总线都有其国际组织和支持背景 多种总线成为国家和地区标准 设备制造商参与多个总线组织 各个总线彼此协调共存,（2）现场总线发展趋势 寻求统一的现场总线国际标准，

12、统一的标准是大势所趋，目前众多的总线会变成一两种总线标准 Industrial Ethernet走向工业控制网络,6 、主流现场总线简介,几种主流的现场总线： 基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF） CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域网） LonWorks DeviceNet PROFIBUS HART CC-Link WorldFIP INTERBUS,7 、现场总线应用,（1） 现场总线选型 需考虑特定的比较参数和设计，主要包括： 通信速率和数据延迟 物理互连媒介 抗扰度 比特误差率和总线故障 允许的互连长度 允许的网络节点数量 容易增

13、加额外的节点 功耗、成本、可靠性和隔离要求,现场总线选型需要折衷考虑的因素,常用现场总线应用范围,常用现场总线允许的节点数量,常用现场总线的传输速率和延迟,常用现场总线的网络长度的限制,（2）现场总线应用典型举例 以某钢铁企业项目的控制系统为例,三、基础自动化网络技术,1、基础自动化系统网络结构 2、基础自动化系统结构构建 3、基础自动化网络应用举例,1 、基础自动化系统网络结构,（1）基础自动化的结构原理性图 基础自动化的最小系统由三部分构成：设备、控制器、HMI服务,（2） 现场设备扩展后的基础自动化系统结构 对现场设备扩展，主要体现在现场总线的应用上,（3） 控制器扩展后的基础自动化系统

14、结构 对控制器扩展，主要体现更多种类的控制器，如PLC、基于PC架构的控制器（如CPCI架构控制器、VME架构控制器等）、工控机等,（4） 上位服务扩展后的基础自动化系统结构 上位服务扩展，主要指为控制器提供的服务进行扩展，如过程自动化系统通讯量大，HMI服务可以采用冗余；增加WEB操作站,2 、基础自动化系统结构构建,（1） 基础自动化系统网络构建 基础自动化系统网络的构建，根据系统规模和详细需求，参照第1部分的第2章和第3章，选取合适的传输介质、交换机和网络拓扑即可,（2） 控制器选型 首先确定控制器选用PLC、DCS还是基于PC架构的控制器 然后根据选择的控制器完成具体选择 a、PLC选

15、型 确定控制方案 输入输出（I/O）点数的估算 存储器容量的估算 CPU的选型 输入输出模块的选择 电池或存储卡的选择,b、DCS系统选型： 系统规模 系统专长 工艺的特殊要求 系统结构 系统性能 系统功能 技术服务,C、基于PC架构控制器选型,3 、基础自动化网络应用举例,连铸机改造项目的基础自动化系统网络结构,四、过程自动化网络技术,1、 过程自动化系统的网络结构 2、过程自动化系统结构的构建 3、过程自动化系统的软件结构 4、过程自动化网络应用举例,1、 过程自动化系统的网络结构,（1）过程自动化的结构原理图 过程自动化的最小系统主要由两部分构成：模型服务、L2应用服务,（2） 扩展后的

16、过程自动化系统 扩展的服务器和操作端包括：数据Server、WEB Server、远程操作终端,2 、过程自动化系统结构的构建,过程自动化系统结构的构建，包括两部分：系统网络构建、系统的架构搭建 1、过程自动化系统网络的构建 过程自动化系统网络的构建，根据系统规模和详细需求，选取合适的传输介质、交换机、路由器和网络拓扑即可 为提高通讯可靠性，可以进一步考虑采用冗余网络结构,2、过程自动化系统的架构搭建 （1）、按照功能介绍过程自动化系统的服务器 . 数据服务器 数据库服务器是由运行在局域网中的一台或多台计算机和数据库管理系统软件共同构成的，为客户应用提供服务，包括查询、更新、事务管理、索引、高速缓存、查询优化、安全及多用户存取控制等,. 模型服务器 模型服务的工作过程大致如下： a. 通过与基础自动化通讯，采集需要的过程变量，完成对现场事件的检测； b. 根据运算需要，访问数据库（通常是实时数据库），进行模型计算和控制率运算； c. 根据模型预报和操作员输入数据指令，向基础自动化系统特定的控制点，发送合适的控制数据； d. 基础自动化系统输出对应的控制量