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1、工业控制网络,毕 敏 娜华南农业大学工程学院,课程介绍,教材计算机控制网络 刘建昌，清华大学出版社上课时间：周三、周五主要内容：第1章第8章考试形式：闭卷考核总评成绩：平时40考查60,各章节介绍,第1章 控制网络概述第2章 数据通信理论基础第3章 OSI参考模型与现场总线体系结构第4章 RS-232 和RS-485 通信第5章 典型现场总线剖析第6章 现场总线应用层的研究与设计（略）第7章 网络控制系统和工业以太网第8章 网络控制系统实例剖析,第1章,控制网络概述,本章主要内容,信息网络与控制网络控制网络的应用背景典型现场总线简介工业生产过程对现场总线的要求以现场总线为基础的企业信息系统（递
2、阶分布式控制系统）,一、信息网络与控制网络,1 信息网络？控制网络？信息网络特点：数据包大，发送频率相对比较低。控制网络特点：实时性要求高，发送频率高。两者区分：是否具有支持实时应用的能力,一、信息网络与控制网络,2 控制网络的特点控制系统的发展：基地式气动仪表控制系统电动单元组合式模拟控制系统集中式数字控制系统、集散控制系统DCS现场总线控制系统,一、信息网络与控制网络,2 控制网络数据确定性和可重复性。确定性：数据有限制地延迟和有保证地传输。可重复性：指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变和网络负载改变的影响。,一、信息网络与控制网络,3 工业控制网络技术特征：现场设备成为以微处理器为核
3、心，以传输媒介相连。网络数据采用基带传输，实时性好，抗干扰能力强废弃控制站采用分散功能模块开放式互联结构互操作性,网络集成式全分布控制系统,二、控制系统的应用背景,控制网络主要任务将控制信息在网络上传输，达到系统同步或控制的目的例子：防空火炮网络、无轴传动技术、液压多工位数控冲床,三、IEC 61158 现场总线标准简介,Internet飞速发展，得益于统一的TCP/IP协议IEC61158初衷归纳各种总线为统一的标准，但是容纳了8种互不兼容的协议,IEC 61158协议八种类型,IEC 61158 Type1 FF H1是现场总线技术的框架和总则，各组织需按此框架组织各自的行规。IEC 61
4、158 Type2 ControlNet总线。IEC 61158 Type3 受到了PROFIBUS组织的支持，与其它总线类型相比，PROFIBUS总线是一种较成熟的技术，在工业自动化控制领域得到广泛应用。IEC 61158 Type4 丹麦P-DSA公司开发的P-NET总线，主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业。IEC 61158 Type5 HSE总线，广泛应用于IT产业。IEC 61158 Type6 SwiftNet总线，是美国一协会开发，得到美国波音公司支持，主要用于航空和航天领域。IEC 61158 Type7 WorldFIP总线，适应工业现场的各种恶劣环境，具有防爆性能。IEC
5、61158 Type8 Interbus总线德国一公司开发。,现场总线简介,总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络,现场总线简介,现场总线是底层控制网络最显著特征：具有开放统一的通信协议是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络特点：适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送，通信的传输速率相对较低。,现场总线是底层控制网络,现场总线的发展背景和趋势,现场总线是综合自动化的发展需要工业生产的要求：加快新产品的开发、按市场需求调整产品的上市时间T，改善质量Q，降低
6、成本C，完善售前售后服务S。CIMS：把市场、生产、制造过程、企业管理、售后服务看作同一考虑的生产过程，采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化。综合自动化：信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作。,现场总线的发展背景和趋势,现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性通用性可靠性,二、现场总线的发展背景和趋势,2 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础3 现场总线朝着开放系统、统一标准的方向发展由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形
7、成了百花齐放的现状据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种号称为开放标准的也有二、三十种 现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型,现场总线的发展中充满了竞争,现场总线的发展过程中充满了竞争经济因素：每种总线都有一个或多个公司且多是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关原先投入较大的现场总线技术不甘轻言放弃政治因素：总线之间的竞争还涉及国家、地区间的竞争1998年前，现场总线以制定单一国际标准为目的FF成为最有可能成为国际标准的总线FF成为国际标准的努力受到多方阻力最后通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面,现场总线的
8、特点和优点,1 结构特点（传统控制系统结构图）,1 结构特点（现场总线控制系统结构图）,现场总线的特点和优点,2 技术特点系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识与尊重互可操作性与互用性通信的实时性与确定性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性,现场总线的特点和优点,3 现场总线的优点节省硬件数目与投资节省安装费用节省维护开销用户具有高度的系统集成主动权提高了系统的准确性与可靠性,四、几种主要的现场总线介绍,1、IEC 61158技术规范（FF H1）,基金会现场总线FF，Foundation Fieldbus，以ISO/OSI开放系统互连
9、模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。,FF系统网络拓朴结构,IEC61158 FF H1,国际电工委员会推荐的通用现场总线网络结构现场总线系统可以支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信，可以与工厂自动化的PLC实现互连。H1现场总线主要用于现场级，其速率为31.25Kbps，负责两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供电设备的本质安全；H2现场总线主要面向过程控制级、监控管理级和高速工厂自动化的应用，其速率为1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。,Control Net现场总线,ControlNet
10、采用一种新的通信模式，即生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据，其主要特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。网络的媒体送取，通过限制时间存取算法来控制，即采用并行时间域多路存取（CTDMA）方法，在每个网络刷新间隔（NUI）内调节节点的传送信息机会。,Control Net结构图,Profibus现场总线,1984年推出Profibus:是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，IEC61158类型3。主要技术支持厂家：Siemens公司，Samson公司，Softing公司
11、Profibus用户组织为PNO，拥有600多个成员，近二千种产品,Profibus三种基本类型,Profibus-DP/FMS/PA ProfiNet,Profibus网络,P-NET现场总线,总线采用分段结构，每个总线分段上可以连接多个主站，主站之间通过接口能够实现网上互连，它允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构。该总线通信协议包括1、2、3、4和7层，并利用信道机构定义用户层。通信采用虚拟令牌（virtual token）传递方式，主站发送一个请求，被寻址的从站在390s内立即返回一个响应，只有存放到从站内存中的数据才可被访问。每个站节点都含有一个通用的单芯片微处理机，配套的2KB
12、 EPROM不仅可用作通信，而且可用于测量、标定、转换和应用功能。P-NET接口芯片执行数据链路层的所有功能，第3层和第4层的功能由宿主处理器中的软件解决。该总线物理层基于RS-485标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离1.2km，应用NRZ编码异步传输。,P-NET现场总线结构,P-NET现场总线是一种多主站、多网络系统,H2-HSE现场总线,1998年，美国Fieldbus Foundation（FF）基金会决定采用高速以太网（High Speed Ethernet，HSE）技术开发H2现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。
13、HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框架内无缝地进行操作，因而FF HSE总线可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备。100Mbps以太网拓扑是采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。,H2-HSE现场总线,HSE使用标准的IEEE802.3信号传输，标准的Ethernet接线和通信媒体。设备和交换机之间距离，使用双绞线为100米，光缆可达2千米。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统，LD执行网桥功能，它允许就地连在H1网络上的各现场设备，以完成点对点对等通信。
14、HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置。FF HSE的14层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。FF规范21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用。FF还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用，FFB支持数据采集的监控，子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC和其他协议通信的网间连接器。,Swiftnet 现场总线,SwiftNet现场总线
15、由美国SHIP STAR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线。协议仅包括物理层和数据链路层。,Swiftnet 现场总线,Swiftnet现场总线,物理层传送速率为5Mbps，此时每秒传送105个不同的报文。总线使用TDMA（Slotted time division multiple access）槽路时间片多路送取方式，提供专用高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。专用通道适用于自动状态数据的分配或交换；按要求指定的通道则适用于非调度报文。TDMA方式是将总线上的时间分割为相等长度间隔，称作槽路，只有当总线上的站分配到槽路时
16、，它才能监听和发送。每个站还能根据所占的比例，协调总线访问、数据传输和接收数据。,WorldFIP现场总线,1987年成立的WorldFIP协会制定并大力推广Type7 WorldFIP现场总线。WorldFIP协议是EN50170欧洲标准的第三部分，物理层采用IEC61158.2标准，其产品在法国占有60%市场，在欧洲占有大约25%份额，它广泛应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化领域。,WorldFIP现场总线,系统分为三级，即过程级、控制级和监控级,Interbus现场总线,由德国Phoenix Contact 公司开发，INTERBUS Club俱乐部支持。INTE
17、RBUS在全球有1000多家总线设备生产商，提供2500多种产品，到目前为止，INTERBUS在全球自动化领域已有50多万套应用系统得到广泛应用。适用于分散输入输出、串行总线的PLC和PC系统,Interbus现场总线,INTERBUS现场总线是一种开放的串行总线，可以构成各种拓扑形式，并允许有16级嵌套连接方式。该总线最多可挂512个现场设备，设备之间的最大距离400米，无需中继器网络的最大距离为12.8公里。INTERBUS总线包括远程总线和本地总线，远程总线用于远距离传送数据，采用RS-485传输，网络本身不供电，通信速率为500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己独特的环路结构
18、，环路使用标准电缆同时传送数据和电源。环路可以连接模拟、数字设备甚至复杂的传感器/执行器，也允许直接接入智能终端仪表。,CAN总线,CAN总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议是交通运载工具电气系统中应用较广的总线现在向过程工业，机械工业，机器人，数控机床，传感器等方面发展1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司,CAN总线技术特点,传输速率：可达到1Mbps/40m支持的介质：铜线，光纤最
19、大长度/段：10千米/5kbps媒体访问控制方式：CSMA/冲突按优先权解决可寻址的最大节点数：211可挂接的最大节点数：110不支持本质安全、总线供电,五、工业生产过程对现场总线的要求,工业类型,特点,可选总线,热工过程 自动化(Plant Automation),连接控制为主，算法复杂，速度慢，流程长，对可靠性要求高,FF 和 Profibus-PA,混合工业及其他,采集为主，混合逻辑，回路控制，单机控制多，要求成本低,Profibus,Interbus,P-NET，WorldFIP,制造工业 自动化（Factory Automation),逻辑控制为主，算法简单，速度快，通常不必冗余，C
20、PU不要求太分散,Profibus，Interbus,ControlNet,五、工业生产过程对现场总线的要求,现场总线基本功能：经济、安全、可靠地传输信息正确使用所传信息及时处理所传信息,五、工业生产过程对现场总线的要求,现场总线的实时性能：传输速度快响应时间短巡回时间短现场总线的结构：解决网络供电比较容易解决本质安全防爆比较容易通信协议中可以舍去与路径有关的几层改善实时性,现场总线典型应用系统构成,1.汽车总线控制系统,图 目前国产轿车上的网络连接方式,汽车CAN总线节点ECU（发动机控制器）的设计,图 由51单片机开发的CAN节点的原理图,2.陶瓷窑现场总线控制系统,(1)控制系统结构及总体设计,(2)控制系统硬件设计,图9-23 驱动模块硬件结构图,六、以现场总线为基础的企业信息系统,1、企业信息系统的基本组成现场控制层过程监控层生产管理层市场经营管理层,六、以现场总线为基础的企业信息系统,企业信息系统的功能模型决策层管理层计划层调度层监控层控制层,
