工业以太网和工控系统的多网信息集成

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1、计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录第八课工业以太网和工控系统的多网信息集成1计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录10. 工业以太网工业以太网 Industrial Ethernet为什么以前不用为什么以前不用Ethernet？2计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录Ethernet简介简介Ethernet产生于上个世纪七十年代产

2、生于上个世纪七十年代为微型计算机网络终端通信而设计为微型计算机网络终端通信而设计采用星型或总线型结构采用星型或总线型结构传输速率当时仅为几传输速率当时仅为几M（目前已达目前已达1000M甚至更高）甚至更高）传输介质：传输介质：屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆（粗缆、细缆）（粗缆、细缆）CSMA/CD,物理层和数据链路层协议物理层和数据链路层协议3计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录以太网存在所谓的以太网存在所谓的“不确定性不确定性”EtherNet的介质访问控制协议

3、：的介质访问控制协议：CSMA/CD“先听后说先听后说”、“边听边说边听边说”负荷大时，网络会发生碰撞负荷大时，网络会发生碰撞响应时间无法预知，实时性得不到保证响应时间无法预知，实时性得不到保证自1984年现场总线产生2000年现场总线国际标准发布，国际上均没有采用以太网作现场总线因此以太网通信存在不确定性，在因此以太网通信存在不确定性，在90年代中期之前，几年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环（其实问题并没有那么严重）令牌环（其实问题并没有那么严重）4计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与

4、装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录Ethernet的特点的特点5计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录负荷越小，通信响应时间越短负荷越小，通信响应时间越短以太网通信特性负荷越小，碰撞越少负荷在10%左右时，基本无碰撞负荷在25%以下时，以太网的通信响应时间明显短于令牌网6计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录工业控制网络通信特点工业控制网络通信特点 传输的信息量少，信息长度都比较小传输的信

5、息量少，信息长度都比较小传输的信息量少，信息长度都比较小传输的信息量少，信息长度都比较小 周期性信息较多周期性信息较多周期性信息较多周期性信息较多 测量、控制信息测量、控制信息测量、控制信息测量、控制信息 非周期性信息较少非周期性信息较少非周期性信息较少非周期性信息较少 用户操作指令、组态信息、诊断信息等等用户操作指令、组态信息、诊断信息等等用户操作指令、组态信息、诊断信息等等用户操作指令、组态信息、诊断信息等等 报警等突发性事件信息报警等突发性事件信息报警等突发性事件信息报警等突发性事件信息 网络负荷较为平稳网络负荷较为平稳网络负荷较为平稳网络负荷较为平稳 信息流向具有明显的方向性信息流向具

6、有明显的方向性信息流向具有明显的方向性信息流向具有明显的方向性 节点数少节点数少节点数少节点数少7计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录“不确定性不确定性”不再是主要障碍不再是主要障碍 EthernetEthernet的通信速率的提高，使网络符合相同的情况下，的通信速率的提高，使网络符合相同的情况下，以太网络上的碰撞机率大大下降以太网络上的碰撞机率大大下降以太网交换技术的应用，大大减少端口之间的碰撞以太网交换技术的应用，大大减少端口之间的碰撞 全双工通信允许同时接收和发送报文帧，也不会发生冲全双工通信允许同

7、时接收和发送报文帧，也不会发生冲突突报文优先级的处理报文优先级的处理8计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录以太网完全能满足工业控制网络通信实时性要求以太网具有其它网络所无法比拟的优势：具有低成本具有低成本具有低成本具有低成本高速度高速度高速度高速度易于组网、易于和易于组网、易于和易于组网、易于和易于组网、易于和InternetInternet连接连接连接连接软硬件资源包括人的资源极其丰富软硬件资源包括人的资源极其丰富软硬件资源包括人的资源极其丰富软硬件资源包括人的资源极其丰富 培训、维护简单培训、维护简单

8、培训、维护简单培训、维护简单 9计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录EthernetEthernet应用于工业自动化应用于工业自动化应用于工业自动化应用于工业自动化国内外自上世纪九十代中后期开始已将以太网应用于工业自动化基于以太网的DCSFUJI的OPENAX、浙大中控的JX-300X、Fisher-Rosemount的Delta-V等基于以太网的PLC与远程I/OMODICON、A-B、GEFanuc等基于以太网的现场仪表和仪器HP、浙大中控、NI等10计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测

9、控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录FoundationFieldbusHSEEthernet/IPPROFINetMODBUSTCPP-NETonEthernetInterbusonEthernet11计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录Ethernet应用于工业现场尚需解决的问题应用于工业现场尚需解决的问题12计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录主要问题通信实时性服务质量（

10、QoS）总线供电技术互可操作技术网络生存性技术本质安全技术远距离传输技术网络安全技术13计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录e网到底的意义网到底的意义14计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录什么是什么是什么是什么是“ “e e网到底网到底网到底网到底” ”？ 控制层网络控制层网络管理层网络管理层网络远程节点远程节点Web服务器服务器 操作站操作站 工程师站工程师站 现场设备层现场设备层网络网络以太网以太网冗余冗余以太

11、网以太网EPAEthernetEthernetEthernetEthernet不仅仅用作高层网络，而且希望不仅仅用作高层网络，而且希望不仅仅用作高层网络，而且希望不仅仅用作高层网络，而且希望将它直接和现场设备连接，实现自下而上将它直接和现场设备连接，实现自下而上将它直接和现场设备连接，实现自下而上将它直接和现场设备连接，实现自下而上的的的的EthernetEthernetEthernetEthernet集成，即所谓集成，即所谓集成，即所谓集成，即所谓“一网到底一网到底一网到底一网到底” ” ” ” 15计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪

12、表与装置上页上页下页下页目目 录录“e网到底网到底”能带来什么好处能带来什么好处 享受现场总线技术的一切好处享受现场总线技术的一切好处享受现场总线技术的一切好处享受现场总线技术的一切好处包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集包括全分散控制、互可操作、现场设备管理、自主的系统集成权等。成权等。成权等。成权等。 具有很强的可持续发展力具有很强的可持续发展力具有很强的可持续发展力具有很强的可持续发展力 无需专门培训，可利用以太网的大量现有技术无需专门培训，可利用以太网的大量现有技术无

13、需专门培训，可利用以太网的大量现有技术无需专门培训，可利用以太网的大量现有技术 无需大量专用软件，可利用无需大量专用软件，可利用无需大量专用软件，可利用无需大量专用软件，可利用IEIEIEIE等通用浏览器远程监视等通用浏览器远程监视等通用浏览器远程监视等通用浏览器远程监视控制现场控制现场控制现场控制现场 对用户的技术要求降低对用户的技术要求降低对用户的技术要求降低对用户的技术要求降低16计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录意义“e网到底”统一从现场设备层到控制层、管理层的网络；实现从上到下各层次的信息无缝

14、集成；推动企业综合自动化、信息化进程。研究基于以太网的现场总线关键技术，推动现场总线技术发展。17计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录多网络信息集成多网络信息集成18计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录工业综合自动化系统和信息化前言工业综合自动化系统和信息化前言 随着工业自动化水平的迅速提高，人们对工业自动化的要求越来越高，提出了以信息化带动工业化的口号现状：现状：普遍均存在着能耗高、成本高、劳动生产率低、资源利用率

15、低的特点【能耗普遍比国外先进水平高出30，劳动生产率只及国外的2030左右，生产成本普遍高出国外的12倍。美国60的石化企业应用了先进控制技术（我国不到10），在线优化技术增加收益的典型值为装置产值的35（我国不到1）】如何来解决这些问题？信息化的关键就是实现企业的信息集成和数据交换、跨平信息化的关键就是实现企业的信息集成和数据交换、跨平台访问、信息综合利用台访问、信息综合利用19计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录什么是工业信息化什么是工业信息化 在工业的生产、管理、经营过程中，通过信息在工业的生产、管

16、理、经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现：基础设施，在集成平台上，实现：工业信息化：将信息技术用于企业产品设计、制造、管理和工业信息化：将信息技术用于企业产品设计、制造、管理和销售的全过程，以提高企业的市场应变能力和竞争能力，这销售的全过程，以提高企业的市场应变能力和竞争能力，这是企业信息化的主要内容和目标是企业信息化的主要内容和目标数数据据采采集集数数据据加加工工信信息息传传输输信信息息处处理理信信息息综综合合应应用用20计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录2 2、信息化与自动化的关系、信息

17、化与自动化的关系 广义自动化广义自动化是指实现经营管理、计划调度、成本核算、生产监控、故是指实现经营管理、计划调度、成本核算、生产监控、故障诊断、自动控制等更大范围内的自动化，又称之为障诊断、自动控制等更大范围内的自动化，又称之为“综合自动化综合自动化”或称或称“流程工业流程工业CIMS”CIMS”自动化自动化往往是指包括检测、控制和继电保护等常规自动化的概念往往是指包括检测、控制和继电保护等常规自动化的概念 工业化工业化信息化信息化自动化自动化（广义）（广义）促促进进带带动动基基础础保保证证依赖依赖提升提升21计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置

18、检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录目前存在的三大问题：（1 1）自动化程度不够高）自动化程度不够高 （该问题日渐好转）（该问题日渐好转）（2 2）信息集成能力普遍不高）信息集成能力普遍不高 （该问题日益得到重视和发展）（该问题日益得到重视和发展）（3 3）信息的综合利用率很低）信息的综合利用率很低 （这是一个很有发展潜力的方向）（这是一个很有发展潜力的方向）重要性、急迫性重要性、急迫性重要性、急迫性重要性、急迫性随随随随时时时时间间间间推推推推移移移移22计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录典型

19、的工厂综合自动化总体结构典型的工厂综合自动化总体结构可以分成三层结构：1PCS（ProcessControlSystem，过程控制系统）2MES（ManufacturingExecutionSystem，生产过程制造执行系统）3ERP（EnterpriseResourcePlanning，企业资源管理）23计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录1PCS（过程控制系统）为代表的基础自动化层；在PCS层，以作为主要的支撑基础技术内容主要包括：DDC/DCS/PLC/FCS先进控制技术、软测量技术、传感器技术、实

20、时优化技术(RTO：Real-timeOptimization)、实时数据库技术、可靠性技术、数据融合与数据处理技术、多总线网络化控制系统、基于高速以太网和无线技术的现场控制设备24计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录2MES（生产过程制造执行系统）为代表的生产过程运行优化层；主要以为主要的数据支撑方式。主要技术内容：大型实时数据库系统大型实时数据库系统先进建模与流程模拟技术AMT(AdvancedModelingTechnologies)先进计划与调度技术APS(AdvancedPlanningandS

21、cheduling)故障诊断与健康维护技术、数据挖掘与数据校正技术、动态质量控制与管理技术、动态成本控制与管理技术25计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录3以ERP（企业资源管理）为代表的企业生产经营优化层主要技术内容：企业资源管理企业资源管理ERP(Enterprise Resource Planning)供应链管理供应链管理SCM(Service Chain Management) 客户关系管理客户关系管理CRM(Customer Relationship Management)产品质量数据管理产品质

22、量数据管理PQDM数据仓库技术数据仓库技术设备资源管理设备资源管理企业电子商务平台企业电子商务平台26计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录工业控制网络互联与系统集成工业控制网络互联与系统集成27计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录先进制造与信息、自动化技术发展战略先进制造与信息、自动化技术发展战略 先进制造技术的一种理解：先进制造技术的一种理解： 吸收机械、信息、电子、材料、能源及现代管理等方吸收机械、信息、电子、材

23、料、能源及现代管理等方面的最新技术成果，将其综合应用于产品开发、设计、面的最新技术成果，将其综合应用于产品开发、设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术质、高效、低耗、清洁、敏捷制造，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。经济效果的前沿制造技术的总称。先进制造技术的先进制造技术的本质本质是传统制造技术、信息技术、自动化是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机融合。技术和现代管理技术等的有机融合。28计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控

24、制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录先进制造是由传统制造技术与以信息技术为核心的现代科学技术相结先进制造是由传统制造技术与以信息技术为核心的现代科学技术相结合的一个完整的高新技术群（五大技术群）：合的一个完整的高新技术群（五大技术群）： (1)(1)系统总体技术群系统总体技术群系统总体技术群系统总体技术群：包括与制造系统集成相关的总体技术，如柔性制造、计算机包括与制造系统集成相关的总体技术，如柔性制造、计算机集成制造集成制造CIMCIM、敏捷制造、智能制造、绿色制造等；敏捷制造、智能制造、绿色制造等；(2)(2)管理技术群管理技术群管理技术群管理技术群：包括与生产经营和组织

25、管理相关的各种技术，如计算机辅助生产包括与生产经营和组织管理相关的各种技术，如计算机辅助生产管理、制造资源计划管理、制造资源计划MRPIIMRPII、企业资源计划企业资源计划ERPERP、供应链管理、动态联盟企业管供应链管理、动态联盟企业管理、全面质量管理、准时生产理、全面质量管理、准时生产JITJIT、精良生产、企业过程重组精良生产、企业过程重组BPRBPR等；等； (3)(3)设计制造一体化技术群设计制造一体化技术群设计制造一体化技术群设计制造一体化技术群：包括与产品设计、制造、检测等制造过程相关的各包括与产品设计、制造、检测等制造过程相关的各种技术，如并行工程、种技术，如并行工程、CAD

26、/CAPP/CAM/CAECAD/CAPP/CAM/CAE、可靠性设计、智能优化设计、绿色可靠性设计、智能优化设计、绿色设计、快速原型技术、数控技术、物料储运控制、检测监控、质量控制等等；设计、快速原型技术、数控技术、物料储运控制、检测监控、质量控制等等； (4)(4)制造工艺与装备技术群制造工艺与装备技术群制造工艺与装备技术群制造工艺与装备技术群：包括与制造工艺及装备相关的各种技术，如精密超包括与制造工艺及装备相关的各种技术，如精密超精密加工工艺及装备、高速超高速加工工艺及装备、特种加工工艺及装备、特精密加工工艺及装备、高速超高速加工工艺及装备、特种加工工艺及装备、特殊材料加工工艺，热加工与

27、成型工艺及装备、表面工程、微机械系统等等；殊材料加工工艺，热加工与成型工艺及装备、表面工程、微机械系统等等；(5)(5)支撑技术群支撑技术群支撑技术群支撑技术群：包括上述制造技术的各种支撑技术，如计算机技术、数据库技术、包括上述制造技术的各种支撑技术，如计算机技术、数据库技术、网络通信技术、软件工程、人工智能、虚拟现实、标准化技术、材料科学、人网络通信技术、软件工程、人工智能、虚拟现实、标准化技术、材料科学、人机工程学、环境科学等等。机工程学、环境科学等等。 29计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录先进制

28、造技术比较：国内起步晚，存在阶段性差距，主要问题有先进制造技术比较：国内起步晚，存在阶段性差距，主要问题有 (1)(1)产品创新能力较差，开发周期较长产品创新能力较差，开发周期较长产品创新能力较差，开发周期较长产品创新能力较差，开发周期较长。我国机械制造业的新产品贡献率约为。我国机械制造业的新产品贡献率约为18.09%(200018.09%(2000年年) )，而美国已经达到，而美国已经达到52%52%左右左右(1995(1995年年) )。我国大中型企业生产的。我国大中型企业生产的2 2 000000多种主导产品的平均生命周期为多种主导产品的平均生命周期为10.510.5年，是美国同类产品生

29、命周期的年，是美国同类产品生命周期的3.53.5倍。倍。我国有我国有80%80%以上的企业生产能力利用不足或严重不足，但同时每年还要进口数以以上的企业生产能力利用不足或严重不足，但同时每年还要进口数以千亿美元国内短缺的产品。千亿美元国内短缺的产品。(2)(2)制造工艺装备落后，成套能力不强制造工艺装备落后，成套能力不强制造工艺装备落后，成套能力不强制造工艺装备落后，成套能力不强。我国大多数企业目前还采用较落后的制造工。我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足10%10%， 90%90%以上的高档以

30、上的高档数控机床，数控机床，100%100%的光纤制造装备、的光纤制造装备、85%85%的集成电路的集成电路(IC)(IC)制造装备、制造装备、80%80%的石化装的石化装备、备、70%70%的轿车工业装备都依赖进口。的轿车工业装备都依赖进口。(3)(3)生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低。我国的能源综合利用率仅为。我国的能源综合利用率仅为32%32%左右，比国外的先进水平低左右，比国外的先进水平低1010多个百分点；我国每万元多个百分点；我国每万元GDPGDP

31、的能耗比发达国的能耗比发达国家高家高4 4倍多，工业排放的污染物超过发达国家倍多，工业排放的污染物超过发达国家1010倍以上。倍以上。30计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录(4)(4)企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱。我国多数企业缺少现代化。我国多数企业缺少现代化管理的概念、方法和手段，企业机构臃肿，我国机械工业的专业化水平仅为管理的概念、方法和手段，企

32、业机构臃肿，我国机械工业的专业化水平仅为15%15%3030，而发达国家的专业化水平已经达到，而发达国家的专业化水平已经达到75%75%9595，高附加值和高技术含量，高附加值和高技术含量的出口商品仅占我国出口商品总量的的出口商品仅占我国出口商品总量的1010左右。左右。(5)(5)战略必争装备和竞争前核心技术的开发相对薄弱战略必争装备和竞争前核心技术的开发相对薄弱战略必争装备和竞争前核心技术的开发相对薄弱战略必争装备和竞争前核心技术的开发相对薄弱。战略必争装备涉及国家安全和。战略必争装备涉及国家安全和经济命脉，对国民经济有重大影响。竞争前核心技术在未来的国际竞争中有可经济命脉，对国民经济有重

33、大影响。竞争前核心技术在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的重大关键技术。例如：用于海洋资源开发等的能开拓新的广阔市场或成为新的重大关键技术。例如：用于海洋资源开发等的大型装备，用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向大型装备，用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向ITIT等产业的集成电路等产业的集成电路制造关键装备，对未来许多行业将产生重大影响的微机电系统（制造关键装备，对未来许多行业将产生重大影响的微机电系统（MEMSMEMS）以及集以及集高技术于一身的仿人形机器人等。由于国外的技术封锁，这些装备和技术是花高技术于一身的仿人形机器人等。由于国外的技术封锁，这些装备和技术是花钱

34、也很难买到的，必须靠自己的力量加以解决。钱也很难买到的，必须靠自己的力量加以解决。以上数据来自院士报告以上数据来自院士报告以上数据来自院士报告以上数据来自院士报告31计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录国外动向国外动向国外动向国外动向为了占领先进制造于自动化技术的制高点，许多国家提出了跨世纪的研究为了占领先进制造于自动化技术的制高点，许多国家提出了跨世纪的研究计划，并把先进制造及信息技术列位重要的研究内容：计划，并把先进制造及信息技术列位重要的研究内容：例如：美国例如：美国美国国家关键技术美国国家关键技术

35、、先进制造技术计划先进制造技术计划、敏捷制敏捷制造与制造技术计划造与制造技术计划和和下一代制造（下一代制造（NGM)NGM)等计划；等计划； 欧共体欧共体尤里卡计划（尤里卡计划（EUREKAEUREKA）、信息技术研究发展战略计信息技术研究发展战略计划（划（ESPRITESPRIT）和和第六届框架研究计划第六届框架研究计划 德国德国制造制造20002000计划）、计划）、微系统微系统20002000计划计划等计划；等计划； 日本日本智能制造系统计划智能制造系统计划、极限作业机器人研究计划极限作业机器人研究计划、微机器研究计划微机器研究计划等等 英国英国国家纳米技术计划（国家纳米技术计划（NIO

36、NNION） 韩国韩国高级先进技术国家计划（高级先进技术国家计划（G7G7计划）计划）等等32计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录国内动向国内动向国内动向国内动向有计划地部署了一系列相关的重点科技项目：有计划地部署了一系列相关的重点科技项目：如：如：科技部组织实施科技部组织实施的的863863计划的计划的CIMSCIMS技术主题、智能机器人技术主题，技术主题、智能机器人技术主题，“九五九五”国家科技攻关计划国家科技攻关计划的的CADCAD应用工程、精密制造技术开发与应用、数控应用工程、精密制造技术开发与应

37、用、数控技术与装备、现场总线控制技术开发与应用、工业机器人应用、激光技术技术与装备、现场总线控制技术开发与应用、工业机器人应用、激光技术应用等重点项目；应用等重点项目；总装备部总装备部在在“九五九五”期间，组织实施了我国武器装备先期间，组织实施了我国武器装备先进制造技术的发展项目；进制造技术的发展项目；航空。航天、兵器和机械等许多航空。航天、兵器和机械等许多行业和部门在行业和部门在“九五九五”期间组织实施了行业先进制造技术项目期间组织实施了行业先进制造技术项目国家国家“十五十五”863863计划先进制造与自动化技术领域在制造业信息化工程关键计划先进制造与自动化技术领域在制造业信息化工程关键技术

38、的研究开发和集成应用、战略必争装备和竞争前核心技术的研究开发、技术的研究开发和集成应用、战略必争装备和竞争前核心技术的研究开发、基础制造装备与成套装备的研究开发、基础制造装备与成套装备的研究开发、先进制造与自动化前沿创新技术先进制造与自动化前沿创新技术的研究等四个方面，的研究等四个方面，按照一个工程按照一个工程（制造业信息化工程）、（制造业信息化工程）、两个主题两个主题（现（现代集成制造系统技术主题、机器人技术主题）、代集成制造系统技术主题、机器人技术主题）、四个专项四个专项（数据库管理系（数据库管理系统及其应用、微机电系统（统及其应用、微机电系统（MEMSMEMS）、）、70007000米深

39、海载人潜器、集成电路制造米深海载人潜器、集成电路制造装备）的布局，组织开展了前沿创新技术研究、产品研发与产业化、集成装备）的布局，组织开展了前沿创新技术研究、产品研发与产业化、集成应用示范工程三个层次的相关工作。应用示范工程三个层次的相关工作。33计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录网络通信、信息集成和利用网络通信、信息集成和利用网络通信、信息集成和利用网络通信、信息集成和利用前言前言前言前言信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求

40、：信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：信息技术的飞速发展对工业控制和工业自动化提出两方面的要求：1 1、利用现场总线技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自、利用现场总线技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自、利用现场总线技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自、利用现场总线技术、信息技术和通信技术的发展优势，优化工业自动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体动化的体系结构，增强系统的功能和效率，提高工厂自动化的整体性和

41、稳定性等；性和稳定性等；性和稳定性等；性和稳定性等；2 2、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集、摆脱信息孤岛的问题，利用开放性技术完成企业各个层次的信息集成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。成和信息共享，构架企业开放的信息平台，实施企业信息化。 企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、企业信息化首先需要解决信

42、息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、企业信息化首先需要解决信息集成，它覆盖现场检测、控制、监视、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、过程管理、优化、调度、经营管理与决策等层次，涉及现场总线、网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。网络、数据库、通信互联、开放接口与标准等技术。34计算机控制装置计算机控制

43、装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录工业通信网络是工厂信息化体系的核心工业通信网络是工厂信息化体系的核心工业通信网络是工厂信息化体系的核心工业通信网络是工厂信息化体系的核心工业通信网络作为一种特定应用的网络，具有自身的要求和特点：工业通信网络作为一种特定应用的网络，具有自身的要求和特点：工业通信网络作为一种特定应用的网络，具有自身的要求和特点：工业通信网络作为一种特定应用的网络，具有自身的要求和特点：1 1）强实时性强实时性强实时性强实时性。不仅要求。不仅要求。不仅要求。不仅要求传输速度快传输速度快传输速度快传输速度快，还要求，

44、还要求，还要求，还要求响应快响应快响应快响应快( (通常为通常为通常为通常为0.010.010.1s)0.1s)2 2）高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性。由于直接面向生产过程，因此应满足。由于直接面向生产过程，因此应满足。由于直接面向生产过程，因此应满足。由于直接面向生产过程，因此应满足恶劣环境适应性恶劣环境适应性恶劣环境适应性恶劣环境适应性、总线供电总线供电总线供电总线供电以及以及以及以及容错能力容错能力容错能力容错能力等要求。等要求。等要求。等要求。3 3）力求简洁力求简洁力求简洁力求简洁。以降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。以降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。以降低设备成

45、本，同时也可以提高系统的健壮性。以降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。4 4）开放性好开放性好开放性好开放性好。各厂商之间的产品可以。各厂商之间的产品可以。各厂商之间的产品可以。各厂商之间的产品可以相互兼容相互兼容相互兼容相互兼容或或或或互联互联互联互联。5 5）增加用户层增加用户层增加用户层增加用户层。信息网络通常采用。信息网络通常采用。信息网络通常采用。信息网络通常采用ISO/OSIISO/OSI的七层结构，而工业通信网的七层结构，而工业通信网的七层结构，而工业通信网的七层结构，而工业通信网络要解决工业控制应用的问题，需要在第七层之上增加用户层。络要解决工业控制应用的问题，需要在第七

46、层之上增加用户层。络要解决工业控制应用的问题，需要在第七层之上增加用户层。络要解决工业控制应用的问题，需要在第七层之上增加用户层。 现场总线现场总线现场总线现场总线和和和和工业以太网工业以太网工业以太网工业以太网是工业通信网络发展过程中的两个典型代表，是工业通信网络发展过程中的两个典型代表，是工业通信网络发展过程中的两个典型代表，是工业通信网络发展过程中的两个典型代表，从目前发展趋势看，它们已经贯穿了整个企业自动化系统。从目前发展趋势看，它们已经贯穿了整个企业自动化系统。从目前发展趋势看，它们已经贯穿了整个企业自动化系统。从目前发展趋势看，它们已经贯穿了整个企业自动化系统。35计算机控制装置计

47、算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录多总线控制系统多总线控制系统多总线控制系统多总线控制系统 2020世纪世纪8080年代产生了现场总线技术，应该说是一个质的飞跃，它为年代产生了现场总线技术，应该说是一个质的飞跃，它为工业自动化底层现场设备之间、现场设备与控制系统之间架起了信息化工业自动化底层现场设备之间、现场设备与控制系统之间架起了信息化的网络桥梁。的网络桥梁。 但由于技术、经济和政治等方面的原因，目前市场上的各种现场总但由于技术、经济和政治等方面的原因，目前市场上的各种现场总线没有统一到唯一的现场总线标准上来，如现场

48、总线国际标准线没有统一到唯一的现场总线标准上来，如现场总线国际标准 IEC61158IEC61158就包含了包括就包含了包括 FFFF、ProfiBusProfiBus、HSEHSE、EPAEPA等在内的十余种类型，等在内的十余种类型，而事实上总线标准有几十种，而且还在不断增加，因此出现了多种现场而事实上总线标准有几十种，而且还在不断增加，因此出现了多种现场总线并存的局面。这些现场总线在技术上各有特色，目前它们还不能相总线并存的局面。这些现场总线在技术上各有特色，目前它们还不能相互代替而应用到所有的领域。互代替而应用到所有的领域。36计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与

49、装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录 由于用户在现场总线选型和分期投资等方面的原因，在同一个控制系统由于用户在现场总线选型和分期投资等方面的原因，在同一个控制系统环境中，往往存在多种现场总线智能设备。在这种新形势下，新一代分环境中，往往存在多种现场总线智能设备。在这种新形势下，新一代分布式网络控制系统需要考虑多种总线、多种设备的集成。布式网络控制系统需要考虑多种总线、多种设备的集成。如美国爱默生公司（如美国爱默生公司（原原Rosemount）的）的Delta_V系统，美国系统，美国Honeywell的的PKS系统、日本横河系统、日本横河的的CS-3000系统，德国

50、系统，德国SIEMENS的的PCS7、ABB公司公司的的Freelance-2000，浙大中控的浙大中控的Web Fieid ECS-100等，都是具有与多种等，都是具有与多种现场总线（如现场总线（如HART/FF/ProfiBus/HSE等）接口的新型控制系统。等）接口的新型控制系统。使控制系统更具人性化，体现其先进性，通过网络和现场总线使控制系使控制系统更具人性化，体现其先进性，通过网络和现场总线使控制系统和被控设备组成了一个通过控制网络体系构架的智能体，实现统和被控设备组成了一个通过控制网络体系构架的智能体，实现先进先进的的现场总线技术现场总线技术与传统与传统控制系统控制系统有机地结合有

51、机地结合起来起来多总线控制系统多总线控制系统多总线控制系统多总线控制系统37计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录系统信息集成系统信息集成系统信息集成系统信息集成目的是解决目的是解决“信息孤岛信息孤岛”的问题，现状整体性原则得不到应有的发挥的问题，现状整体性原则得不到应有的发挥由于没有统一的基础自动化软件平台，各种自动化软硬件资源（如由于没有统一的基础自动化软件平台，各种自动化软硬件资源（如 DCSDCS、 PLCPLC、 IPCIPC、 FCSFCS等）成为一个个等）成为一个个“自动化孤岛自动化孤岛”，效

52、率只发挥不到，效率只发挥不到4040，资源浪费极大。资源浪费极大。系统信息集成的目的就是解决企业的全局优化问题，提高企业的综合效益，系统信息集成的目的就是解决企业的全局优化问题，提高企业的综合效益，要利用工业通信网络、实时数据库、开放接口与标准、系统集成等技术，要利用工业通信网络、实时数据库、开放接口与标准、系统集成等技术，构造企业整体自动化和信息化的解决方案。构造企业整体自动化和信息化的解决方案。正如领导们所说的：正如领导们所说的：“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”，实，实现支柱产业的现支柱产业的“信息化改造信息化改造”。2 2个层次：总线与控制

53、网络集成、控制网络与信息网络集成个层次：总线与控制网络集成、控制网络与信息网络集成38计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录FBFB并不是在所有场合都能发挥它的优点，如简单的小规模数并不是在所有场合都能发挥它的优点，如简单的小规模数/ /模混合系统，模混合系统，空间分布集中的系统等等。这时采用一个空间分布集中的系统等等。这时采用一个“CPU”CPU”将比较方便，小系统将比较方便，小系统“控制集中控制集中”的风险也不大。而现场总线的控制分散的特点需要几种设备来的风险也不大。而现场总线的控制分散的特点需要几种设

54、备来实现，则显得繁琐。在当前和今后的一段时间内，必然存在现场总线与实现，则显得繁琐。在当前和今后的一段时间内，必然存在现场总线与DCSDCS等网络共存的局面，因此，考虑如何实现控制网络中异构网段情况下等网络共存的局面，因此，考虑如何实现控制网络中异构网段情况下网络集成的问题也是很现实的。网络集成的问题也是很现实的。与现场总线网络集成通常有两种不同的方案可供选择：与现场总线网络集成通常有两种不同的方案可供选择： 1 1）采用网关将）采用网关将DCSDCS、PLCPLC等专用网络挂接在高速网络上。等专用网络挂接在高速网络上。 2 2）使用特殊网关或通信控制器，将总线系统挂接在）使用特殊网关或通信控

55、制器，将总线系统挂接在DCSDCS、PLCPLC网络上网络上1.1.1.1.总线之间及其与其他类型控制系统的网络集成总线之间及其与其他类型控制系统的网络集成总线之间及其与其他类型控制系统的网络集成总线之间及其与其他类型控制系统的网络集成39计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录 不同于以传输信息和资源共享为目的的信息网络，控制网络的最终目不同于以传输信息和资源共享为目的的信息网络，控制网络的最终目标是实现对被控对象中能量和物质转移的有效控制，使系统安全稳定地运标是实现对被控对象中能量和物质转移的有效控制，使

56、系统安全稳定地运行。因此要求具有协议简单、安全可靠、纠错性好、成本低等特点。其网行。因此要求具有协议简单、安全可靠、纠错性好、成本低等特点。其网络负载稳定，多为短帧传输，信息交换频繁。络负载稳定，多为短帧传输，信息交换频繁。 实现控制网络与信息网络的紧密集成：实现控制网络与信息网络的紧密集成：为企业的优化控制、调度决策提供依据；为企业的优化控制、调度决策提供依据；可以建立统一的分布式数据库，并保证其完整性和互操作性；可以建立统一的分布式数据库，并保证其完整性和互操作性；便于实现远程监控、诊断和维护功能。便于实现远程监控、诊断和维护功能。2.2.2.2.控制网络与信息网络的集成控制网络与信息网络

57、的集成控制网络与信息网络的集成控制网络与信息网络的集成40计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录控制网络与信息网络的集成可以通过以下几种方式：控制网络与信息网络的集成可以通过以下几种方式：1 1）在控制网络和信息网络之间加入转换接口）在控制网络和信息网络之间加入转换接口这种方式通过硬件来实现，即在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网桥、这种方式通过硬件来实现，即在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。路由器等专门的硬件设备，使控制网络作

58、为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解硬件设备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换；对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到释和转换；对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到网桥的作用。网桥的作用。硬件设备还可以是一块智能接口网板，完成现场总线智能设备与监控计算机之间硬件设备还可以是一块智能接口网板，完成现场总线智能设备与监控计算机之间的数据通信。的数据通信。转换接口的集成方式最容易理解和实现，功能较强，但实时性较差转换接口的集成方式最容易理解和实现，功能较强

59、，但实时性较差（很多时候是（很多时候是不重要的）。信息网络一般是采用不重要的）。信息网络一般是采用TCPTCPIPIP的以太网，而的以太网，而TCPTCPIPIP没有考虑数据传没有考虑数据传输的实时性，当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将输的实时性，当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。成为实时通信的瓶颈。 41计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录2 2）在控制网络和信息网络之间采用开放技术实现互联）在控制网络和信息网络之间采用开放技术实现互联

60、 当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用开当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用开放数据接口标准（如放数据接口标准（如 OPCOPC、 DDEDDE等）实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共等）实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信息享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信息网络中的工作站。网络中的工作站。 其运行程序有两个功能：其运行程序有两个功能：一是接收、校验实时信息的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据；一是接收、校验实时信息

61、的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据；二是数据访问应用程序接口，它接收数据服务器实时数据并写人数据库服二是数据访问应用程序接口，它接收数据服务器实时数据并写人数据库服务器中，供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。务器中，供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。当前，多数系统采用当前，多数系统采用1 1）、）、2 2）两种方式或者二者结合方式实现集成的。）两种方式或者二者结合方式实现集成的。42计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录3）控制网络和信息网络采用统一的协议标准）控制网络和信息网络采用统一的协

62、议标准 这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的最终解决方案。这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的最终解决方案。 由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准，因此前面两由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准，因此前面两种集成方案总需要某种数据格式的转换机制，使系统复杂化，也难以确保数种集成方案总需要某种数据格式的转换机制，使系统复杂化，也难以确保数据的完整性。据的完整性。 如果信息网络的协议标准是提高其实时性，而控制网络的协议标准是提如果信息网络的协议标准是提高其实时性，而控制网络的协议标准是提高其传输速度，二者的兼容性就会提高，这样从底层设备到远程监控系统，高其传

63、输速度，二者的兼容性就会提高，这样从底层设备到远程监控系统，都可以使用统一的协议标准，不仅确保了信息准确、快速、完整的传输，还都可以使用统一的协议标准，不仅确保了信息准确、快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。可以极大地简化系统设计。 工业以太网协议就可以兼容工业以太网协议就可以兼容TCP/IP因此可以方便地实现以太网和因此可以方便地实现以太网和Intranet/Internet的集成，最终实现统一的网络结构。的集成，最终实现统一的网络结构。 当然这种集成方案还有很多问题要解决。当然这种集成方案还有很多问题要解决。43计算机控制装置计算机控制装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置检测控制仪表与装置上页上页下页下页目目 录录思考题为什么说以太网的为什么说以太网的“通信不确定性通信不确定性”不不再是工业应用的主要障碍？再是工业应用的主要障碍？Ethernet应用于工业现场还需解决哪些应用于工业现场还需解决哪些问题？问题？信息技术的飞速发展，对工业控制和工信息技术的飞速发展，对工业控制和工业自动化提出哪些新的发展要求？业自动化提出哪些新的发展要求？44