-
-
手机阅读
第1讲 工业数据通信与控制网络概述
主要内容
控制网络与现场总线
控制网络与计算机网络的区别
通信系统与数据通信网络
生产现场的网络系统
网络集成式控制系统
传感器总线、设备总线和现场总线
早期的现场总线技术
新型系统结构--网络集成式控制系统
全分布、网络集成式控制系统的特点
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与作用
现场控制层面临的问题
控制网络与上层网络的连接方式
控制网络的技术发展与标准化
第1讲 工业数据通信与控制网络概述
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
适应了企业信息集成系统 、管理控制一体化 系统的发展趋势与需要。
工业数据通信系统；生产现场网络系统；网络集成式控制系统。
是IT技术在自控领域的延伸
本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路、控制网络的设计与应用等
控制网络与现场总线
工业数据通信是形成控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分；
控制网络起源于现场总线技术。IEC对现场总线的定义：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。
控制网络由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而构成。它采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
工业数据通信与控制网络比现场总线更能体现其技术内容
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、显示终端
控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备
工作环境
计算机网络：办公室
控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求
任务
计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。
控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成
特点
实时性
可靠性的要求高
数据帧包含的字节数少
控制网络是一类特殊网络，广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。
通信系统
通信系统用于设备与设备，设备与人、人与人之间传递信息。
数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息交换的过程 （计算机通信）
在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间遵照通信协议、利用数据传输技术传递数据信息的过程，称之为工业数据通信。
工业数据通信的内容：生产装置运行参数的测量值、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、零点量程调校信息等
数据通信网络
传统的测量控制系统采用设备间一对一的并行连线，即点到点布线的信号传送方式。
数字信号的串行通信，不必在每对通信节点间建立直达线路，而采用网络连接形式构建数据通道，于是产生了数据通信网络
现场总线：现场设备之间的通信传输介质。两根导线上挂接成几十上百个传感器、执行器、开关、按钮等。
工业数据通信系统的规模。
三、两个数据节点的简单系统，成千上万台设备的复杂网络。一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点，石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备。
生产现场的网络系统
控制系统
传统控制系统结构示意图 网络集成式控制系统示意图
传感器总线、设备总线和现场总线
早期的现场总线技术
早期的现场总线（又称为工业电话线），把传感器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如PLC或者是工业计算机。通过相互通信共同执行控制任务。
输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值，
输出用于驱动信号灯、接触器、开关、阀门等。
第一个设备层现场总线：
二十世纪七十年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出了Directrol，这是第一个设备层现场总线系统。它在技术上领先于它所处时代，那时候的PLC和PC机都还没有足够的能力与Directrol匹配，到80年代初它就悄然消亡了。
公认的：现场总线出现在二十世纪八十年代
早期出现至今还在应用的几种现场总线
General Electric的Genius I/O
Phoenix的Interbus-S，
TURCK的Sensoplex
Process Data 的P-NET
Genius I/O ：从一个PLC到另外的PLC、从PLC到人机界面操作盘之间传递数据信息，对I/O口进行管理。令牌总线，网段节点数32个；采用分支受限制的总线拓扑；传输距离约1000米（传输速率153.6Kbaud时）到2250米（传输速率38.4Kbaud时）；屏蔽双绞线，光缆；传输信号为FSK频移键控调制信号；每个节点的输入、输出均为1024位，具有错误检测和错误纠正功能。
Interbus-S：是独具特色的一种快速、确定、高效现场总线。为单主机系统设计。Interbus-S在物理上是直线总线，而采用数据环的方式传送。远程总线最多带有64个节点。覆盖距离最远可达12.5公里。每个节点的输入、输出数据位为16位。对于编程者而言，Interbus-S象是一种16位的移位寄存器，在数据环路中，每个节点都接收来自网络的报文，从中得到它需要的信息，添加上自己的信息，然后将报文回送给网络。信号遵循EIA－485标准，典型传输速率为500Kbps。由于它额外开销小、数据帧中有效位的比率高，使这种报文移位环成为当今最有效的设备总线之一。
Sensoplex作为早期的一种专用总线，最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。
由于接近电磁场，周围的低频电磁场不仅影响数据，还影响节点的输入输出电源，对数据集成要求很高
抗噪声、抗电磁干扰方面的能力很强，安装在上述恶劣环境中的机器上，工作状态良好
Sensoplex采用主从结构；用75欧姆同轴电缆连接；使用FSK频移键控调制信号；支持总线供电和本质安全。节点总数在第一代时为32个，第二代时增加到64-120个。采用总线拓扑，主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继器可使该距离增加至400米。传输速度为187K baud，地址设置采用DIP开关，每个节点的数据输入、输出位均为8位。支持本质安全特性，可应用于某些在易燃易爆场合。
P-Net是丹麦Process Data 公司于1983年推出控制网络技术。用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等应用场合，将I/O节点连接成网络系统。
P-Net通信参考模型除采用ISO/OSI参考模型的物理层、数据链路层、应用层外，还采用了网络层与传输层，因而可以形成网络系统结构较为复杂的控制网络。
EIA-485标准，屏蔽双铰线。传输速率为76.8Kbps。最大传输距离为1200m，每段最多可以连接125个设备。各分段间采用多口主节点隔开。为了保证实时数据的采集，规定每帧数据为56位。当数据大于56位时，将自动地分割成几个连续的帧来传输。采用CRC循环冗余检测和海明码校正的出错校验机制。
P-Net采用分段结构的多主网络系统。网络中可以连接多至32个主节点。
P-Net多主网络系统
早期总线技术小结
从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。
早期总线技术的缺点：大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短
典型的开放总线产品范例CAN。有公开统一的技术规范。多个芯片制造商：Motorola、 Intel、Philips、Hitachi。开放性可促进技术的发展与推广应用
新型控制系统结构-
网络集成式控制系统
控制系统的结构变迁
基地式气动仪表
气动、电动系列的单元组合式仪表
集中式数字控制系统
集散控制系统 DCS、PLC
网络集成式现场总线控制系统 FCS
网络集成式控制系统的特点
结构上形成设备的网络式连接
节省大量线缆、槽架、连接件；
连线设计与接头校对的工作量也大大减少
增加现场控制设备无需增设新的电缆
支持总线供电
除传输测量控制的状态与数值信息外。还可提供参数调整、故障诊断、阀门开关的动作次数等信息
扩大了操作人员的视野
输入、输出、控制功能模块置入现场设备，实现全分布式控制系统。
网络集成式控制系统
全分布、网络集成式控制系统
控制网络的出现，打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局，为自动化系统与其它信息系统的沟通创造了条件
实现了工业数据的网络式传输与集中管理、实现了数据、状态的远程传送，为实现企业的管理控制一体化、为远程监视与操作提供了基础条件 （无人值守机站 ）
控制系统对网络的要求
开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性
开放性。开放是指通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备互连为系统
互可操作性是指互连设备间的信息传送与沟通；互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换
通信的实时性指有些测控任务具有严格的时序和定时要求。达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。（与时间发布、时间管理、媒体访问控制机制、通信模式、网络管理等因素有关）
环境适应性。指控制网络明显区别于办公室环境的各种网络。在高温、严寒、粉尘环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等
控制网络在企业网络系统中的地位与作用
企业网络系统的层次结构
Internet-Intranet-Infranet的网络结构
功能层次。
企业资源规划层ERP（Enterprise Resource Planning）
制造执行层MES（Manufacturing Execution System）
现场控制层FCS（Field Control System）
信息类型：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、零点量程调校信息等。
企业网络系统的层次结构
功能层次
现场控制层面临的问题
现场控制层所采用的控制网络种类繁多，本层网络内部的通信一致性差，个异性强，有形形色色的现场总线，再加上DCS、PLC、SCADA等。
控制网络从通信协议到网络节点类型，都与数据网络存在较大差异。使得控制网络之间、控制网络与外部互连网之间实现信息交换的难度较大，实现互连和互操作存在较多障碍。
需要从通信一致性、数据交换技术等方面入手，改善控制网络的数据集成与交换能力。
控制网络与上层网络的连接方式
采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上
将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的PCI插槽内，在PC机内完成数据交换。实现控制网段与上层网络的连接
将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互
通过网关连接控制网段与上层网络
采PCI卡连接控制网段与上层网络
控制网络的技术发展与标准化
现场总线的百花齐放与兴盛发展
一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种
欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发
如丹麦Process Data公司83年推出的P-Net；
德国Siemens公司84年推出的Profibus(Process Field bus的简称)
法国Alstom公司87年推出的 FIP(Factory Instrumentation Protocol)等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术。
形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准
现场总线组织
现场总线基金会（Fieldbus Foundation）
LonMark协会,
Profibus协会，
工业以太网协会IEA（ Industrial Ethernet Association），
工业自动化开放网络联盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance）
Society of Automotive Engineers Inc.（SAE）
制定现场总线标准的国际标准化组织
IEC
ISO
IEC/TC65负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的SC65C/WG6，是最先开始现场总线标准化工作的组织。它于1984年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，也因此而历经坎坷，历经了16年的艰难历程和，波及全球的现场总线标准大战
IEC61158-2诞生于1993年，一直处于混乱状态
2000年初宣布：由IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S八种现场总线共同构成IEC现场总线国际标准子集
最早成为国际标准的是CAN，它属于ISO标准：ISO11898
IEC/17B负责制定的低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准,即IEC 62026已通过。
包括第2部分ASI
第3部分 DeviceNet；
第4部分智能分布式系统SDS（Smart Distributed System）;
第5部分Seriplex
其它有实力、有发展前景的控制网络技术
LonWorks;工业以太网；蓝牙无线；HART；Modbus消费电子总线CEBus；光总线等
多种总线并存为用户和制造商都带来了诸多不便，但却保留了控制网络技术的满园春色，多姿多彩
本门课程有助于拓宽通信与网络方面的知识面
这里介绍的每种总线技术都具有自己的特点与优势
课程特点：讲课与实验并重
讲课介绍技术特点、协议、芯片、应用系统
开设FF、工业以太网、Profibus、 CAN等实验
教材：现场总线技术及其应用；
阳宪惠主编，清华大学出版社。
1楼
0
0
回复