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1、1,第八课,工业以太网和工控系统的多网信息集成,2,10.工业以太网 Industrial Ethernet,为什么以前不用Ethernet？,3,Ethernet简介,Ethernet产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采用星型或总线型结构传输速率当时仅为几M（目前已达1000M甚至更高）传输介质：屏蔽（非屏蔽）双绞线、光纤、同轴电缆（粗缆、细缆）CSMA/CD,物理层和数据链路层协议,4,以太网存在所谓的“不确定性”,EtherNet的介质访问控制协议：CSMA/CD“先听后说”、“边听边说”负荷大时，网络会发生碰撞响应时间无法预知，实时性得不到保证自1984年现场总线产生
2、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90年代中期之前，几乎所有的控制系统均不选用以太网，而选用令牌总线或令牌环（其实问题并没有那么严重）,5,Ethernet的特点,6,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,7,工业控制网络通信特点,传输的信息量少，信息长度都比较小周期性信息较多测量、控制信息非周期性信息较少用户操作指令、组态信息、诊断信息等等报警等突发性事件信息网络负荷较为平稳信息流向具有明显的方向性节点数少,8,“不确定性”
3、不再是主要障碍,Ethernet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，也不会发生冲突报文优先级的处理,9,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：具有低成本高速度易于组网、易于和Internet连接软硬件资源包括人的资源极其丰富培训、维护简单,10,Ethernet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OPEN AX、浙大中控的JX-300X、Fisher-Rosemount的De
4、lta-V等基于以太网的PLC与远程I/OMODICON、A-B、GE Fanuc 等基于以太网的现场仪表和仪器HP、浙大中控、NI等,11,Foundation Fieldbus HSE,Ethernet/IP,PROFINet,MODBUS TCP,P-NET on Ethernet,Interbus on Ethernet,12,Ethernet应用于工业现场尚需解决的问题,13,主要问题,通信实时性服务质量（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,14,e网到底的意义,15,什么是“e网到底”？,控制层网络,管理层网络,远程节点,Web服务
5、器,操作站,工程师站,现场设备层网络,Ethernet不仅仅用作高层网络，而且希望将它直接和现场设备连接，实现自下而上的Ethernet集成，即所谓“一网到底”,16,“e网到底”能带来什么好处,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、自主的系统集成权等。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大量专用软件，可利用IE等通用浏览器远程监视控制现场对用户的技术要求降低,17,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
6、术发展。,18,多网络信息集成,19,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：普遍均存在着能耗高、成本高、劳动生产率低、资源利用率低的特点【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、跨平台访问、信息综合利用,20,什么是工业信息化,在工业的生产、管理、经营过程中，通过信息
7、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,数据采集,数据加工,信息传输,信息处理,信息综合应用,21,2、信息化与自动化的关系,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”或称“流程工业CIMS”,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,22,目前存在的三大问题：,（1）自动化程度不够高（该问题日渐好转）（2）信息集成能力普遍不高（该问题日益得到重视和发展）（3）信息的综合利用率
8、很低（这是一个很有发展潜力的方向）,23,典型的工厂综合自动化总体结构,可以分成三层结构：1PCS（Process Control System，过程控制系统）2MES（Manufacturing Execution System，生产过程制造执行系统）3ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源管理）,24,1PCS（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、实时优化技术(RTO：Real-time Optimization)、实时数据库技
9、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,25,2MES（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,先进建模与流程模拟技术AMT(AdvancedModelingTechnologies)先进计划与调度技术APS(AdvancedPlanningandScheduling)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,26,3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ER
10、P(Enterprise Resource Planning)供应链管理SCM(Service Chain Management)客户关系管理CRM(Customer Relationship Management)产品质量数据管理PQDM数据仓库技术设备资源管理企业电子商务平台,27,工业控制网络互联与系统集成,28,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：吸收机械、信息、电子、材料、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、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，并取得理想技术经济效果的前沿制造技术的总称。,
11、先进制造技术的本质是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代管理技术等的有机融合。,29,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）：,(1)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、计算机集成制造CIM、敏捷制造、智能制造、绿色制造等；(2)管理技术群：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MRPII、企业资源计划ERP、供应链管理、动态联盟企业管理、全面质量管理、准时生产JIT、精良生产、企业过程重组BPR等；(3)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
12、各种技术，如并行工程、CAD/CAPP/CAM/CAE、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；(4)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，热加工与成型工艺及装备、表面工程、微机械系统等等；(5)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、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。,30,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)
13、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18.09%(2000年)，而美国已经达到52%左右(1995年)。我国大中型企业生产的2 000多种主导产品的平均生命周期为10.5年，是美国同类产品生命周期的3.5倍。我国有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千亿美元国内短缺的产品。(2)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%，90%以上的高档数控机床，100%的光纤制造装备、85%的集成电路(IC)制造装备、80%的石化装备、70%的轿车工业装备都依赖进口。
14、(3)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32%左右，比国外的先进水平低10多个百分点；我国每万元GDP的能耗比发达国家高4倍多，工业排放的污染物超过发达国家10倍以上。,31,(4)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15%30，而发达国家的专业化水平已经达到75%95，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10左右。(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
15、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大型装备，用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向IT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（MEMS）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,32,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：美国美国国家关键技术、先进制造技术计划、敏捷制造与制造技术计划和下一代制造（NGM)等计划；欧共体尤里卡计划（
16、EUREKA）、信息技术研究发展战略计划（ESPRIT）和第六届框架研究计划 德国制造2000计划）、微系统2000计划等计划；日本智能制造系统计划、极限作业机器人研究计划、微机器研究计划等 英国国家纳米技术计划（NION）韩国高级先进技术国家计划（G7计划）等,33,国内动向,有计划地部署了一系列相关的重点科技项目：,如：科技部组织实施的863计划的CIMS技术主题、智能机器人技术主题，“九五”国家科技攻关计划的CAD应用工程、精密制造技术开发与应用、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、激光技术应用等重点项目；总装备部在“九五”期间，组织实施了我国武器装备先进制造技术
17、的发展项目；航空。航天、兵器和机械等许多行业和部门在“九五”期间组织实施了行业先进制造技术项目国家“十五”863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、先进制造与自动化前沿创新技术的研究等四个方面，按照一个工程（制造业信息化工程）、两个主题（现代集成制造系统技术主题、机器人技术主题）、四个专项（数据库管理系统及其应用、微机电系统（MEMS）、7000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、集成应用示范工程三个层次的相关工作。,34,网络通
18、信、信息集成和利用前言,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：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稳定性等；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、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。,35,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：1
19、）强实时性。不仅要求传输速度快，还要求响应快(通常为0.010.1s)2）高可靠性。由于直接面向生产过程，因此应满足恶劣环境适应性、总线供电以及容错能力等要求。3）力求简洁。以降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。4）开放性好。各厂商之间的产品可以相互兼容或互联。5）增加用户层。信息网络通常采用ISO/OSI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。现场总线和工业以太网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。,36,多总线控制系统,20世纪80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
20、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。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，如现场总线国际标准 IEC61158就包含了包括 FF、ProfiBus、HSE、EPA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。,37,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，新一代分布式网络控制系统需要考虑多种总线、多种设备的集成。
21、如美国爱默生公司（原Rosemount）的Delta_V系统，美国Honeywell的PKS系统、日本横河的CS-3000系统，德国SIEMENS的PCS7、ABB公司的Freelance-2000，浙大中控的Web Fieid ECS-100等，都是具有与多种现场总线（如HART/FF/ProfiBus/HSE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，实现先进的现场总线技术与传统控制系统有机地结合起来,多总线控制系统,38,系统信息集成,目的是解决“信息孤岛”的问题，现状整体性原则得不到应有的发挥
22、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 DCS、PLC、IPC、FCS等）成为一个个“自动化孤岛”，效率只发挥不到40，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，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。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”，实现支柱产业的“信息化改造”。2个层次：总线与控制网络集成、控制网络与信息网络集成,39,FB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，空间分布集中的系统等等。这时采用一个“CPU”将比较方便，
23、小系统“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DCS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。与现场总线网络集成通常有两种不同的方案可供选择：1）采用网关将DCS、PLC等专用网络挂接在高速网络上。2）使用特殊网关或通信控制器，将总线系统挂接在DCS、PLC网络上,1.总线之间及其与其他类型控制系统的网络集成,40,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行。因此要求具有协议简单
24、、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。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；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。,2.控制网络与信息网络的集成,41,控制网络与信息网络的集成可以通过以下几种方式：1）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、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。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
25、可以在不同网段之间存储转发数据包，起到网桥的作用。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（很多时候是不重要的）。信息网络一般是采用TCPIP的以太网，而TCPIP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，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。,42,2）在控制网络和信息网络之间采用开放技术实现互联 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 OPC、DDE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
26、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。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；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。当前，多数系统采用1）、2）两种方式或者二者结合方式实现集成的。,43,3）控制网络和信息网络采用统一的协议标准 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。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，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。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Intranet/Internet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。,44,思考题,为什么说以太网的“通信不确定性”不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问题？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？,
