工业控制网络讲解ppt课件.ppt

工业控制网络概述,哈尔滨工业大学 罗克韦尔自动化实验室,2003年10月第二版,工业过程控制系统的发展,50年代基地式气动仪表控制系统50年代末420mA电动模拟信号控制系统60年代计算机控制系统70年代中期DCS（集散控制系统）80年代FCS（现场总线控制系统）,人们一般把 50年代前的气动信号控制系统称作第一代控制系统 ,把 4 2 0等电动模拟信号控制系统称为第二代控制系统 ,把数字计算机集中式控制系统称为第三代 控制系统,而把 70年代中期以来的集散式分布控制系统称作第四代控制系统。,工业过程控制系统的发展（2）,工业过程控制系统的发展（3）,第三代数字计算机集中式控制系统一般是以微处理器、PC或工控机为核心，总线系列一般采用S-100、STD、PC中的ISA、PCI、MULTIBUS总线等。这些总线由于采用集中式控制方式，降低了系统的可靠性。同时，现场太多、太长的接线，使得系统的抗干扰能力降低。如直接数字控制（DDC）系统和监督控制（SCC）系统。,进入 7 0年代 ,大规模集成电路问世 ,微处理器的诞生 ,控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术等的进一步发展 ,人们为了继承常规模拟仪表和计算机控制技术的优点 ,进一步提高控制系统的安全性和可靠性并降低成本 ,开发研制了以微处理器为基础的新型过程控制系统集散控制系统(Distributed Control System),简称 DCS。,工业过程控制系统的发展（4）,回顾DCS应用三十年来的情况 ,虽然很多公司相继开发出一代又一代的产品 ,功能不断改进 ,在通信方式上 ,管理级和监控级是数字总线通信 ,而处于现场的控制级和检测级仍是 4 2 0 m A模拟量通信。,工业过程控制系统的发展（5）,工业过程控制系统的发展（6）,DCS系统结构,现场总线控制系统作为新一代控制系统 ,一方面 ,突破了系统采用通信专用网络的局限 ,采用了基于公开化、标准化的解决方案 ,克服了封闭系统所造成的缺陷 ;另一方面把的集中与分散相结合的集散系统结构 ,变成了新型全分布式结构 ,把控制功能彻底下放到现场。可以说 ,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。,工业过程控制系统的发展（7）,H2,网桥,32,H1,H1,H2,H1,操作站,LAN,总线卡,服务器,124台设备,现场总线,现场总线,H1,32台设备,现场总线,工业过程控制系统的发展（8）,新一代FCS系统结构,现场总线的定义,根据IEC的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行传输、多路通信的数据总线称为现场总线。,FCS控制系统结构,FCS控制系统结构,FCS控制系统组成,组态工具软件为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台的工具软件，如：RSNetworx For DeviceNet， RSNetworx For ControlNet；组态通信软件为通过计算机将设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件（将配置与组态信息根据现场总线协议规范（ProtocolSpecification）的通信要求进行处理，再从计算机通过总线电缆传送至总线设备），如：RSLinx；,FCS控制系统组成（2）,控制器编程软件为用户程序提供编程环境的软件平台，RSLogix 55005000系列编程软件；用户程序软件根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序；设备接口通信软件根据现场总线协议规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件；,FCS控制系统组成（3）,设备功能软件使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件，如电动机保护器本身的软件部分；监控组态软件运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能，RSview32等。,FCS控制系统组成（4）,现场总线的特点,（1）现场总线是现场通信网络a.现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；b.现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而设计的。（2）现场总线是数字通信网络在现场总线（系统）中，同层的或和不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信。传统的DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪表与控制站中的输入输出单元之间采用的是一对一的模拟信号传输。,（3）现场总线是开放互连网络a. 现场总线标准、协议规范是公开的，所有制造商都必须遵守；b. 现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；（4） 现场总线是现场设备互连网络通过一根通信线将所需的各个现场设备（如变送器传感器、执行器、控制器）互相连接起来，即用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。,现场总线的特点（2）,现场总线的特点（3）,（5）现场总线是结构与功能高度分散的系统 a. 现场总线的系统结构具有高度分散性，这是由上述（4）、（3）两点决定的； b. 现场总线的系统功能实现了高度分散。 现场总线废弃了DCS的控制站及其输入输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底的分散控制。 （6）现场设备的互操作性与互换性 a.互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态； b. 互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换 现场总线中现场设备的互操作性与互换性是DCS无法具备的。,1. 导线和连接附件大量减少 2. 仪表和输入输出转换器（卡件）大量减少 3. 设计、安装和调试周期短，费用大大降低 4. 维护开销大幅度下降 5. 系统可靠性提高 6. 系统测量与控制的精度提高,现场总线的优点,7. 系统具有优异的远程监控功能8. 系统具有强大的（远程）故障诊断功能9. 设备配置、网络组态和系统集成方便自由10. 现场设备更换和系统扩展更为方便11.为企业信息系统的构建创造了重要条件,现场总线的优点（2）,2.现场总线产生的因素 (1)模拟仪表的缺点 *一对一结构：一对传输线，一台仪表，单向传输一个信号； 安装接线庞杂，工程费用高，维护困难； *可靠性差：模拟信号传输易受干扰，精度低； (2)现场总线仪表的优点 *一对N结构：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号； 安装接线简单，工程费用低，维护容易； *可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高； *可控状态：操作人员在控制室既可了解其工作状况，也能对其进行 参数调整，还可预测故障； *综合功能：现场总线仪表既有检测、变换和补偿功能， 又有控制和运算功能； *分散控制：功能块分散在现场仪表中，实现了彻底的分散控制。,现场总线产生的因素(1/2),现场总线产生的因素(2/2),(3)微处理器技术的发展(4)集成电路技术的发展(5)计算机技术的发展(6)通信网络技术的发展(7)用户需求和市场竞争,现场总线将网络化、信息化的概念引入控制领域中，构建完整的控制网络和信息网络，实现控制灵活、分散控制、信息共享、优化企业生产过程，实现企业的量化管理，减少安装、维护成本，提高设备可靠性，提高生产效率。当今不少国家的自动化公司都投入巨大的人力、物力、财力全方位地进行现场总线技术研究与应用开发，形成了剧烈的市场竞争，这使现场总线技术出现了复杂的局面，形成了多种现场总线技术标准，据统计目前国际上至少有超过40种的现场总线标准。IEC（国际电工委员会）1984年开始着手试图制订单一的国际总线标准，但一直未能实现。,现场总线的标准(1/4),目前国际上是多种现场总线并存，IEC于2000年1月4日公布 IEC现场总线标准(IEC61158) 的 投票结果。 IEC61158采用以下8种现场总线： 类型1：IEC61158技术报告 (即FF H1) 类型2：ControlNet (美国Rockwell Automation) 类型3：PROFIBUS (德国Siemens) 类型4：P-NET (丹麦Process Data) 类型5：FF HSE (美国Fisher-Rosemount) 类型6：Swiftnet (美国Boeing) 类型7：World FIP (法国Alstom) 类型8：Interbus (德国Phoenix Contact) 注：IEC现场总线标准的8种类型都是平等的，并要求类型28对类型1提供接口，但不要求类型28之间提供接口。,现场总线的标准(2/4),其余现场总线： HART (美国Fisher-Rosemount) CAN (德国Bosch，ISO11898 ，Philips) LON (Lon Works) (美国Echelon) Dupline (瑞士Carlo Gavazzi) * * 设备层现场总线: IEC62026 - (IEC17B Committee) DeviceNet(Rockwell, Omron, Cutler-Hammer,.)AS-i (P+F, Siemens) SDS *,现场总线的标准(3/4),* 每种总线的产生都有一定的应用背景，如Profibus在制造业，WorldFIP、FF、ControlNet在过程控制行业，P-Net在农业自动化领域。*每种总线都有一个或多个大公司的支持，公司的利益与总线的发展息息相关。如WorldFIP主要由Alstom公司支持，Profibus以Siemens为主要支持，ControlNet则以Rockwell公司为主要背景。*每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以取得更多方面的支持。*每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位，如P-Net已成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，WorldFIP成为法国标准2。,现场总线的标准(4/4),FCS和DCS的集成技术,FCS系统和DCS 系统 的集成(1/2),FCS系统和DCS 系统 的集成(1/2),网络基本概念,1.通信系统组成,信息源：信息的产生者接收者：信息的接收者发送设备：发送设备的基本功能是将信息源产生的信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输介质接收设备：接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，从带有干扰的信号中正确恢复出原始的信息来。,传输介质：发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介,网络基本概念（2）,传输介质,双绞线 同轴电缆光纤无线与卫星通信,网络基本概念（3）,2. 通信方式,单工通信：信息传输始终是一个方向,半双工通信：信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输,全双工通信：能同时作双向通信的网络。与半双工相比全双工通信效率高，控制简单，但结构复杂，成本较高,网络基本概念（4）,3. 网络拓扑结构,星型,树型,总线型,环型,采用集中式通讯控制策略，所有节点通讯均由中央节点控制,适合于主次、分等级的层次型管理系统,网络基本概念（4）,介质访问控制方式,在总线和环形拓扑结构中，网上的设备必须共享传输线路。为解决同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，以便协调设备访问介质的顺序，设备之间交换数据。,CSMACD（载波监听多路访问冲突检测）,这种工作方式对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站、向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上互相混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。,网络基本概念（5）,令牌访问控制,令牌环（tokenring)形式环形结构网络采用的一种访问控制方式。节点A要传递一个信息给节点C， 则等到持有令牌时，将包含有目的地址和数据的数据帧发送给B节点，B节点比较目的地址与本站地址不相符，便将原帧发送给C节点，C节点接收后，修改状态位，表示此帧已被正确接收，并将修改后数据帧传送给D节点，E节点，最后回到A，A从返回帧的状态位上得知发送成功，则取消此帧，并将令牌传递给B节点。,网络基本概念（5）,令牌传递总线（token-Ring bus)方式,采用总线拓扑结构，网上各工作站按一定顺序形成一逻辑环，按照令牌环网的形式进行通信。,令牌环网网络每个站点都知道信息的来去动向，保证了较高的信息传递的确定性。由于能估算出信息传输的延迟时间，所以比较适合在实时系统中应用。而CSMA/CD方式的信息传递时间是不确定的。令牌环方式对轻、重负荷不太敏感，但网络节点出现故障时会使整个网络瘫痪，可靠性较差。,令牌传递总线具有网络初始化（分配访问顺序）、故障恢复、出去不活动节点及添加新网络节点的功能，但也大大增加了令牌传递总线访问控制的复杂性。,通信网络模型,国际标准化组织(ISO)公布的开放系统互连(OSI)参考模型共有七层,ISO：InternationalStandardizationOrganization,OSI：OpenSystemInterconnection,通信网络模型(1/4),通信网络模型(2/4),国际标准化组织(ISO)公布的开放系统互连(OSI)参考模型共有七层：,S2,物理层： 提供通信设备的机械、电气、功能和规程特性， 对数据位流进行编码和解码，故障检测指示；链路层： 构造传送数据的帧， 介质访问控制，差错控制；网络层： 传送报文分组，选择路径， 拥挤控制，网络互连；传送层： 提供建立、维护和拆除传送连接的功能， 提供可靠的传送服务；会话层： 建立和管理两个进程之间的连接， 为两个进程提供对话服务；表示层： 提供数据变换服务， 协议转换服务， 数据库管理服务；应用层： 面向用户，为OSI用户提供各种服务， 如通信服务、终端服务、文件传送和网络管理等。,通信网络模型(3/4),通信网络模型(4/4),现场总线模型,选择什么样的网络,控制系统的通信中往往要考虑以下几个问题：系统中不同产品间要有可靠的互操作性及不同供货商的同类产品要有可互换性。产品怎样互联在一起？产品将要交换什么样类型的数据？是控制数据(如 I/O 等)还是信息数据。系统需要什么样的吞吐量产品怎样被组态？系统能否在将来可以进一步扩充？,根据具体的应用需求来选择不同的网络，不同的应用需求对数据的要求是不同的:对数据量要求的不同。网络上要求传送的数据量可能以兆字节或字节或位来计算。负载量的变化，对网络的带宽有不同要求。对数据类型要求不同。要求可能是I/O信息，状态突变的信息或显式报文（Explicit Messaging），程序的 上载/下载 ，诊断信息等对网络性能要求不同。可能要求网络主要处理高速离散量或者模拟量，对工业控制网络特别要求确定性和可重复性。,选择什么样的网络,各种现场总线适于应用的场合,吞吐量,吞吐量：来自设备的输入数据传送到需要它的所有节点和节点产生的输出数据传送到需要它的所有节点的速率。,吞吐量有以下三个因素决定： 波特率 是把数字信号放到网上去的原始速率，通常上用每秒比特位或字节表示。 协议效率：数据包中有效数据位与整个包长度的比值。 网络模式：源/目的模式，生产者/消费者模式。,其他影响吞吐量的因素：介质访问控制冲突检测机制,感觉 实际,波特率 数字信号放到网上的原始速率,1,协议效率 数据包中有效数据位与整个包长度的比值,网络模式 ProduceConsumer、源目的,2,3,2,1,3,吞吐量决定因素,网络传输模式,现今的工业自动化网络中有两种主要的网络模型，即源/目的 (Source/Destination)模型和 生产者/消费者 (Producer/Customer)模型。,典型的源/目的模型的一个数据包如下所示：,源目的模式是以节点地址为中心的编码方式，数据包中包含了源ID、目的ID、数据及校验码。,网络传输模式（2）,- 在主/从系统中经常用这种模式，主/从是一个层次体系， 系统中包含一个发起所有通信的主机，从机只能跟主机通信并且以“只答”的方式（speak only when spoken to）， 当用于I/O信息时，这种网络就只能限于这种功能。,- 点对点结构优于主/从结构，提供更多的灵活性，在点对点的系统中，设备既可以发起通信，也可以回应系统中其它设备的请求。由于所要求的灵活性，支持点对点的网络使用显性报文进行通信。,源目的模式：,- 不论是主/从结构，还是点对点通信结构。基于源/目的地的网络在把同样数据发往不同节点时都消耗了过多带宽，另外要实现协同控制，象以同步的方式将一个设定值同时送达不同的驱动器将更加困难，因为数据到达每个驱动器(目的地)的时间是不同的。,网络传输模式（3）,Produce/Consumer传输模式：,生产者：发送数据的节点设备 生产者在网络上发送数据包 每个数据包都有一个标识符来说明信息的含义,消费者：接收数据的节点设备 消费者接收标识符与自己的过滤器相匹配的数据包 特定的数据包均可被任一个节点设备接收到，因此可支持一点对多点或广播通信,网络传输模式（3）,生产者/消费者模式 (以数据为中心),多个节点可同时消费来自一个生产者的数据，因此可方便的实现同步。有效的利用了带宽可提供更高的确定性和重复性,网络传输模式（4）,生产者/消费者模式数据帧如下：,生产者/消费者和源 /目的的对比,报文 #1来自传感器I/O的参考位置信息可多点传送给控制器1，控制器2和人机界面设备。报文 #2速度指令可多点传送给三个驱动器和人机界面设备源目的方式实现多点传送很困难，如实现上述同样的操作需7个报文(7/2),提高效率：生产者一旦发出数据，多个节点均可消费此数据，优化了带宽。精确的同步化：更多的设备能够加到网络上，但不需要整加网络的通信量，并且所有节点的数据可同时到达。系统的结构灵活：可组成主/从、多主、对等结构或混合结构,生产者/消费者模式的优点:,生产者/消费者和源 /目的的对比,源/目的 “旧的模式” - Ethernet - Interbus S - Modbus Plus - AS-I - Remote I/O - Data Highway Plus（DH+） - Profibus (FMS, L2-DP, SINEC L2-DP, DP, DP-V1, DP-E, PA),生产者/消费者和源 /目的的对比,生产者/消费者 - “新的模式”ControlNetDeviceNetFoundation Fieldbus,