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1、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之第1章 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述,清華大學(xué)自動(dòng)化系 陽(yáng)憲惠,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介,現(xiàn)場(chǎng)總線與控制網(wǎng)絡(luò) 控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò)化控制 全分布式控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的要求 控制網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位與作用 控制網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式,主要內(nèi)容,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是近年來(lái)在自控領(lǐng)域發(fā)展形成的新技術(shù) 是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物 它適應(yīng)了企業(yè)信息集成、管理控制一體化的發(fā)展需求 是IT技術(shù)在自控領(lǐng)域延伸的產(chǎn)物（自控領(lǐng)域的IT技術(shù)） 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是 工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)； 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)； 網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)。 本課程講述

2、 數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí) 多種總線的技術(shù)特點(diǎn)、通信與網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、通信控制器、通信接口 控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用等,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)綜稱,現(xiàn)場(chǎng)總線原本指生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各控制設(shè)備之間的通信傳輸線 在技術(shù)發(fā)展初期現(xiàn)場(chǎng)總線其被定義為 應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與監(jiān)控裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù) 隨著網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代名詞,,工業(yè)數(shù)據(jù)通信 在各功能單元之間、在測(cè)量、控制設(shè)備之間、控制設(shè)備與與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)信息 多個(gè)工業(yè)控制設(shè)備之間二進(jìn)制數(shù)據(jù)的交換過(guò)程 區(qū)別于電話、電報(bào)通信，也有別于計(jì)算

3、機(jī)通信 工業(yè)數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容 生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量、閥門的工作位置 開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài) 設(shè)備的資源信息與維護(hù)信息、零點(diǎn)量程調(diào)校信息 系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改信息等,控制網(wǎng)絡(luò),由多個(gè)分散在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具有數(shù)字通信能力的測(cè)量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而形成的網(wǎng)絡(luò) 以現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信連接紐帶的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng) 完成測(cè)量控制任務(wù) 控制網(wǎng)絡(luò)是一類特殊網(wǎng)絡(luò) 廣泛應(yīng)用于離散、連續(xù)制造業(yè)，交通、樓宇、家電、以至農(nóng)、林、牧、漁等各行各業(yè)。,,示例,,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 一對(duì)導(dǎo)線上掛接多個(gè)傳感器、執(zhí)行器、開關(guān)、按鈕，控制設(shè)備，總線是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間數(shù)字信號(hào)的傳輸介質(zhì)，是數(shù)字信息的公共傳輸通道 按網(wǎng)絡(luò)連接方式構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，形成數(shù)據(jù)

4、通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的串行傳輸， 傳統(tǒng)測(cè)量控制系統(tǒng)在設(shè)備間一對(duì)一連線，點(diǎn)到點(diǎn)布線傳送模擬信號(hào) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。 三、兩個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單系統(tǒng) 成千上萬(wàn)臺(tái)設(shè)備的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 一個(gè)汽車組裝生產(chǎn)線可能有多達(dá)25萬(wàn)個(gè)I/O點(diǎn) 石油煉制過(guò)程的一個(gè)普通裝置也會(huì)有上千臺(tái)測(cè)量控制設(shè)備,控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)、工作站、打印機(jī)、顯示終端 控制網(wǎng)絡(luò)：除了以上設(shè)備之外，還有PLC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、開關(guān)、馬達(dá)、變送器、閥門、按鈕等。為內(nèi)嵌有CPU、單片機(jī)或其它專用芯片的設(shè)備，或功能簡(jiǎn)單的非智能設(shè)備 工作環(huán)境 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：辦公室 控制網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，酷暑嚴(yán)寒、粉塵、電磁干擾、震動(dòng)、易燃易爆環(huán)境（本

5、質(zhì)安全），總線供電的需求,,任務(wù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：傳輸文件、圖象、話音等 通常情況下有人參與 控制網(wǎng)絡(luò)：傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)（圖象），承擔(dān)自動(dòng)測(cè)控任務(wù) 通常情況下要求自動(dòng)完成 特點(diǎn) 實(shí)時(shí)性 可靠性的要求高 數(shù)據(jù)幀包含的字節(jié)數(shù)少,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),,,網(wǎng)絡(luò)化連接 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的一對(duì)一連接 網(wǎng)絡(luò)化連接,,,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)Network-based control system,全分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),,,,網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)上形成設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)式連接 節(jié)省大量線纜、槽架、連接件； 連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少 增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備無(wú)需增設(shè)新的電纜 實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)式遠(yuǎn)程傳輸與集中管理，擴(kuò)

6、大了操作人員的視野，為遠(yuǎn)程監(jiān)視與操作提供了基礎(chǔ)條件 無(wú)人值守機(jī)站 將控制功能模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了全分布式控制系統(tǒng) 支持總線供電 為自動(dòng)化系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的溝通，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管理控制一體化創(chuàng)造了條件,網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng),,,擴(kuò)大了操作視野,,傳統(tǒng) 4-20 mA 只能看到 I/O 子系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線 視野可以擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)儀表,,,控制器,,,,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),,,,,,,現(xiàn)場(chǎng)總線,,,,,遠(yuǎn)程輸入/輸出,子系統(tǒng),,,,,,,,控制器,,,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化連接引發(fā)的問(wèn)題,網(wǎng)絡(luò)成為控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分 網(wǎng)絡(luò)是控制系統(tǒng)各組成部件之間信息傳遞通道 網(wǎng)絡(luò)通信存在不確定性 數(shù)據(jù)包的傳輸延

7、遲 通信系統(tǒng)的瞬時(shí)錯(cuò)誤造成的數(shù)據(jù)包丟失 發(fā)送與到達(dá)次序的不一致 網(wǎng)絡(luò)通信的不確定性會(huì)使控制系統(tǒng)的性能受到負(fù)面影響 通信傳輸遲延有可能為控制系統(tǒng)增添遲延環(huán)節(jié) 不確定性使得控制系統(tǒng)的分析和綜合變得更加復(fù)雜 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足控制系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性、確定性的相關(guān)要求 成為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)關(guān)注的重要問(wèn)題,控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求,開放性、互可操作性、通信的實(shí)時(shí)性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性 開放性：通信協(xié)議公開，能與任一遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它廠商設(shè)備互連為系統(tǒng) 互可操作性： 互連設(shè)備間的信息傳送與溝通； 互用：不同生產(chǎn)廠家性能類似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換 通信的實(shí)時(shí)性：具有嚴(yán)格的時(shí)序和定時(shí)要求 達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求或因時(shí)間同步

8、等問(wèn)題影響了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)作時(shí)序，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。 環(huán)境適應(yīng)性 在高溫、嚴(yán)寒、粉塵等惡劣環(huán)境下能正常工作，能抗震動(dòng)、抗電磁干擾、在易燃易爆環(huán)境下能保證本質(zhì)安全，有能力支持總線供電等,傳感器總線、設(shè)備總線和現(xiàn)場(chǎng)總線,傳感器總線屬于位(Bit)級(jí)總線，其通信幀的長(zhǎng)度只有幾個(gè)數(shù)據(jù)位或十幾位 如ASI（Actuator Sensor Interface）總線 設(shè)備總線屬于字節(jié)(Byte)級(jí)總線，其通信幀的長(zhǎng)度一般為幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié) 如CAN（Control Area Network）總線 現(xiàn)場(chǎng)總線則屬于塊(Block)級(jí)的總線,其通信幀的長(zhǎng)度可達(dá)到幾百個(gè)字節(jié)，當(dāng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊再長(zhǎng)時(shí)，可支持分包

9、傳送。 如Foundation Fieldbus、Controlnet、Profibus 傳感器總線、設(shè)備總線可統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線,早期的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),Senseplex 最初用于德國(guó)科隆福特汽車公司機(jī)器人的焊接臂上。工作環(huán)境靠近電磁場(chǎng),抗噪聲、抗電磁干擾方面的能力很強(qiáng)，在上述惡劣環(huán)境中的工作狀態(tài)良好 Senseplex系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)； 連接采用75歐姆同軸電纜； 使用FSK頻移鍵控調(diào)制信號(hào)； 采用總線拓?fù)?，支持總線供電和本質(zhì)安全; 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為32/64/120個(gè) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入、輸出位均為8位。 主節(jié)點(diǎn)與最遠(yuǎn)從節(jié)點(diǎn)之間的距離為200米，使用中繼器可使該距離增加至400米。 傳輸速度為187

10、K,,P-Net 用于動(dòng)物飼養(yǎng)系統(tǒng)，奶制品廠，啤酒廠，農(nóng)業(yè)環(huán)境控制等 可以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的系統(tǒng) EIA-485標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽雙鉸線 傳輸速率為76.8Kbps 最大傳輸距離為1200m 每段最多可以連接125個(gè)設(shè)備。 每幀數(shù)據(jù)為56位當(dāng)數(shù)據(jù)大于56位時(shí) P-Net采用分段結(jié)構(gòu)的多主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)中可以連接多至32個(gè)主節(jié)點(diǎn)。,P-Net多主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),,,早期的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已相對(duì)完善 主要技術(shù)參數(shù)可與現(xiàn)今的系統(tǒng)媲美 系統(tǒng)封閉是早期現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的最大弊端 通信協(xié)議不公開 自成一體的信息孤島 不同供應(yīng)商的產(chǎn)品之間難于互連與互操作 通信的開放性、一致性是近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)總線的技

11、術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化,現(xiàn)場(chǎng)總線的百花齊放與興盛發(fā)展 各種總線一百多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種 歐洲、北美、亞洲的許多國(guó)家都投入巨額資金與人力進(jìn)行研究開發(fā) 形成了各式各樣的企業(yè)、國(guó)家、地區(qū)、及國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) 現(xiàn)場(chǎng)總線組織 現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation） LonMark協(xié)會(huì), Profibus協(xié)會(huì)， 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)IEA（ Industrial Ethernet Association）， 工業(yè)自動(dòng)化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA（ Industrial Automation Open Network Alliance） Society of Automotive Eng

12、ineers Inc.（SAE）,,現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程 IEC/TC65 負(fù)責(zé)測(cè)量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作 于1984年就開始著手總線標(biāo)準(zhǔn)的制定，致力于推出世界上單一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，于1993年制定了IEC61158-2 歷經(jīng)波及全球的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)大戰(zhàn)，16年的艱難歷程后，于2000年初宣布8種現(xiàn)場(chǎng)總線共同構(gòu)成IEC現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)子集 IEC 61158；ControlNet；Profibus；P-Net；High Speed Ethernet；Newcomer SwiftNet；WorldFIP；Interbus-S 以后該標(biāo)準(zhǔn)又增加為10種，13種 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在沒

13、有形成正式標(biāo)準(zhǔn)之前以有14個(gè)子集,,IEC/17B 負(fù)責(zé)制定低壓開關(guān)裝置與控制裝置用控制設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn) 已通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)IEC62026，包括 第2部分ASI 第3部分 DeviceNet； 第4部分智能分布式系統(tǒng)SDS（Smart Distributed System）; 第5部分Senseplex ISO 最早成為現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的CAN（ISO11898） 其它有實(shí)力、有發(fā)展前景的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù) LonWorks; HART；Modbus；CC-Link;藍(lán)牙無(wú)線；Zigbee；消費(fèi)電子總線;光總線等 每種總線技術(shù)都具有自己的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 多種總線并存為用戶帶來(lái)了諸多不便，但卻促成了控制網(wǎng)絡(luò)

14、技術(shù)的多姿多彩,控制網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位與作用,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) Internet-Intranet-Infranet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 功能層次。 企業(yè)資源規(guī)劃層ERP（Enterprise Resource Planning） 制造執(zhí)行層MES（Manufacturing Execution System） 現(xiàn)場(chǎng)控制層FCS（Field Control System） 信息類型：運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量、閥門的工作位置、開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)量程調(diào)校信息等。,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),,,,,現(xiàn)場(chǎng)控制層面臨的問(wèn)題,控制網(wǎng)絡(luò)種類繁多，形形色色的現(xiàn)

15、場(chǎng)總線再加上DCS、PLC、SCADA等 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信一致性差，個(gè)異性強(qiáng) 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)存在較大差異 通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型等有較大差異 控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換有難度 實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性方面還面臨許多問(wèn)題需要解決,控制網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式,采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把控制網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上 將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC機(jī)的PCI插槽內(nèi)，在PC機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的連接 將WEB服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備內(nèi)，借助WEB服務(wù)器和通用瀏覽工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)交互,通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò),,,采用PCI卡連接控制網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò),,,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)示意圖,,