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网络控制技术及应用,车勇武汉理工大学机电学院2011年11月,课程重要性以及地位,它是现代技术发展的必然的趋势，数字化、网络化、片上集成技术、控制理论、通信技术等高新技术发展的必然结果。工业领域对网络控制技术的迫切需求，如汽车电子、过程工业、机械制造等，因此网络控制技术成为工业领域热门技术。世界和国家的重视。国家科委从90年代初相继给出大量的支持，国际开始对网络控制技术标准的制定。,教材及参考书夏继强等.现场总线工业控制网络技术.北京航空航天大学出版社，2005.5阳宪惠.现场总线技术.清华大学出版社，1999阳宪惠.工业数据通信与控制网络.清华大学出版社，2002雷霖.现场总线控制网络技术.电子工业出版社，2004.5,参考书籍以及相关文献,谢昊飞等编著的网络控制技术,参考书籍以及相关文献,阳宪惠等编著的工业数据通信与网络控制和现场总线技术及应用,参考书籍以及相关文献,Wang Fei-Yue等编著的网络控制系统，这本书更强调理论性。,主 要 内 容,第八章 工业网络系统集成,第一章 网络控制技术概述,第二章 网络通信基础,第三章 网络体系结构,第四章 CAN现场总线及其应用,第五章 DeviceNet现场总线,第六章 PROFIBUS现场总线,第七章 工业以太网及其应用,第一章 概述,1.1 网络控制技术的定义和特点 本节阐述工业控制网络的出现，以及它与信息网络的区别，分析它自身的特点。1.2 网络控制的发展历程 讨论，网络控制在各个阶段发展过程，以及面临的困难。1.3 现场总线的发展过程 它是网络控制的一个重要分支，本节讨论主要它的定义、种类和发展。1.4工业以太网的发展状况 这是21世纪中期以来新技术，它给网络控制注入了新的活力。这里主要讨论它产生的背景、产生的过程以及目前现状。,1.1网络控制技术的定义和特点,工业控制网络的定义 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换。因此，它通常应满足强实时性与确定性、高可靠性与安全性、工业现场恶劣环境的适应性、总线供电与本质安全等特殊要求。网络控制的定义 借助于通信介质而完成某种或一系列的控制任务的过程。因此可见，其目的在于控制，但是控制命令信息却需要有数据的承载信道。,1.1网络控制技术的定义和特点,工业控制网络与信息网络的区别：控制网络中测量控制信息的传送有一定的顺序性，如测量信息首先需要传送到控制器，由控制器进行控制运算，发出的控制信息传送给执行机构，控制相关阀门的动作；控制网络应具有良好的环境适应性，即在高温、潮湿、振动、腐蚀，是电磁干扰等工业环境中长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰；在可燃与易爆场合下，工业控制网络还应具有自动防止故障发生或者安全停止运行的能力，即本安防爆性能；在可燃与易爆场合下，工业控制网络还应具有自动防止故障发生或者安全停止运行的能力，即本安防爆性能；控制网络的必须解决多家公司产品与系统在同一网络中的相互兼容问题，即协议一致性与互可操作性问题；,1.1网络控制技术的定义和特点,工业控制网络与信息网络的区别：信息多为短帧信息，长度较小，且信息交换频繁 周期与非周期信息同时存在，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发事件报警、程序上下载等）较少；时间响应要求比较严格，过程控制网络的响应时间要求为0.010.5秒（s），制造自动化网络的响应时间要求为0.51.0s；工业控制网络的信息流向具有明显的方向性，如测量信息由变送器向控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传送,1.1网络控制技术的定义和特点,工业控制网络的技术特征：系统的开放性与分散性,图1-1 传统工业控制网络向现代工业控制网络的演变,1.1网络控制技术的定义和特点,工业控制网络的技术特征：系统响应的实时性与确定性 工业控制网络传输速度快，而且还要求响应快，即响应实时性要好。网络通信任务的行为在时间上可以预测确定。对于控制网络，它主要的通信量是过程信息及操作管理信息，信息量不大 保证在异常情况下及时处置，保证完成任务，或完成最重要的任务，要求能及时发现纠正随机性错误，至少保证不使错误影响扩大，应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力。,1.1网络控制技术的定义和特点,工业控制网络的技术特征：网络产品要具有互操作性与互用性 对于同一类型协议的不同制造商产品可以混合组态，构建成一个开放系统，使它具有互操作性。系统响应的实时性与确定性 工业控制网络的高可靠性通常包含三个方面内容：其一，可使用性好，网络自身不易发生故障。其二，容错能力强。其三，可维护性高。需要良好的恶劣环境适应能力必须具备严格的网络安全性,1.2 网络控制技术的发展历程,基地式气动仪表控制系统 50年代,基于315psi的气动信号标准电动单元组合式模拟仪表控制系统 基于模拟电流信号标准010mA(420 mA)集中式数字控制系统 20世纪70年代，工业中使用了数字计算机集散控制系统（DCS）20世纪80年代，微处理机的出现,产生了DCS 现场总线控制系统（FCS）20世纪90年代,全数字,双向通信,串行的底层控制系统工业以太网技术 21世纪初,使用以太网来作为通信介质的新一代工业通信网络,计算机集中控制系统,集散控制系统（DCS）,现场总线控制系统（FCS）,生产制造管理信息系统MMS,1.2 网络控制技术的发展历程,对于基地式气动仪表控制系统和电动单元组合式模拟仪表控制系统只是驱动方式的改变，两类控制系统只能对单一回路进行控制，而各个回路之间不能够交换信息，每一个回路是一个独立的信息孤岛，并不属于网络的范畴。集中控制系统由于其结构简单，直接面向控制对象，尚未形成网络体系。尽管将计算机引入控制系统使得一些高级控制算法得以实现，然而，随着生产过程的复杂化，软件发面需要很大的开销，并且复杂的软件结构是系统的升级能力较弱；计算机工作是需要集中控制几十个，甚至上百个回路，这就使得系统的实时性、可靠性得不到保证,1.2 网络控制技术的发展历程,真正意义的网络化控制体系是20世纪70年代出现的第二代计算机控制系统：集散控制系统(简称DCS)。它是随着网络技术的发展而发展起来的，DCS的特点是”集中管理，分散控制”，这些系统完整地体现了分散化和分层化的思想。目前所使用的DCS有环形、总线形和分级式几种，其中分级式应用最为普遍，如图1-2所示。然而，DCS也有其明显的缺点：首先，结构是多级主从关系，现场设备之间相互通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；其次，它还是用大量的模拟信号，很多现场仪表仍然使用传统的420mA电流模拟信号，传输可靠性差，不易于数字化处理；第三，各系统设计厂家的DCS制定独立的标准，通讯协议不开放，极大的制约了系统的集成与应用，不利于现代跨国公司的进一步发展。,1.2 网络控制技术的发展历程,图1-2 集散控制系统和现场总线控制系统,1.2 网络控制技术的发展历程,现场总线将系统的控制功能进一步下放，现场总线网络实际上是一种全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络。现场总线控制系统专门用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联，是现场通信网络和控制系统的集成，如图1-2所示。但是FCS也有许多瓶颈问题：首先，现有的现场总线标难种类过多，且各有自己的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，控制系统中如果有多种现场总线同时存在，用户希望将工业控制系统与数据信息网络实现无缝集成，真正实现企业级管控一体化，系统功能组态会变得相对复杂；另外在本质安全、系统可靠性、数据传输速度等方面存在一些技术瓶颈或不符合现代企业对信息的要求。,1.2 网络控制技术的发展历程,工业以太网引入的优点：以太网是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，如图1-3所示。软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络,1.2 网络控制技术的发展历程,图1-3 传统工业控制网络和工业以太网控制网络,1.2 网络控制技术的发展历程,工业以太网引入的缺点实时性问题：以太网采用的CSMACD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。对工业环境的适应性与可靠性：以太网是按办公环境设计的，需要使抗干扰能力、外观设计等符合工业现场的要求适用于工业自动化控制的应用层协议，目前信息网络中定义的应用层协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。因此，还需定义统一的应用层规范。本质安全和网络安全：工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本质安全问题。另外，工业以太网由于使用了TCP/IP协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁。服务质量(QOS)问题:随着技术的进步，在工厂控制底层的信号已不局限在单纯的数字和模拟量上，还可能包括视频和音频，网络应能根据不同用户需求及不同的内容适度地保证实时性的要求。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,现场总线定义：于1984年左右提出的。根据国际电工委员会IEC1158定义（后改为IEC61158），现场总线是”安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的网络系统与控制系统，它以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,1983年，霍尼韦尔推出了智能化仪表，它在原模拟仪表的基础上增加了计算功能的微处理器芯片，在输出的直流信号上叠加了数字信号，使现场与控制室之间的连接模拟信号变为数字信号。之后，世界上各大公司推出了各种智能仪表。智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。1984年美国Inter公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机多位总线系统分离，形成了现场总线的最初概念。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,80年代中期，美国罗斯蒙特（ROSEMOUNT）公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议，采用在420mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由霍尼韦尔和博威科等大公司发起，成立了WorldFIP组织并制定了FIP协议。1987年，以西门子，罗斯蒙特，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以西门子、罗斯蒙特,横河为首的ISP集团；另一个是由霍尼韦尔、博威科等公司牵头的WorldFIP集团。1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会，简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争，并主要形成了FF和PROFIBUS两大阵营。经过14年的纷争，IEC的现场总线标准化组织经投票，最后通过妥协出现了协调共存、共同发展的局面，以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即：FF H1、ControlNet、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、WorldFIP、SwiftNet和FF的高速以太网规范即HSE。其中，P-Net和SwiftNet是专用总线；PROFIBUS、ControlNet、WorldFIP和INTERBUS是PLC发展而来的；而FF和HSE是从传统DCS发展而来的。主要的现场总线的应用领域如图1-4所示。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,图1-4 主要现场总线的应用领域,过程控制：FF、PROFIBUS-PA、HART、WorldFIP。制造业自动化：PROFIBUS-DP、INTERBUS。农业、养殖业、食品加工业：P-NET。楼宇自动化：LonWorks、PROFIBUS-DP。汽车检测、控制：CAN。航空航天检测与控制：SwiftNet。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,现场总线技术的发展趋势应体现在两个方面：一方面是低速现场总线领域的继续发展和完善；另一方面是高速现场总线技术的发展。目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和PROFIBUS，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。随着以太网技术、现场总线技术的发展，已经出现了由PROFIBUS等现场总线与以太网构建的”一网到底”工业控制网络系统，从而使得工厂的高度管理人员能直接获得工业现场的控制信息，实现工厂管理与生产现场的无缝集成。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,近年来工业以太网的兴起，引起了自动控制领域的重视，同时许多人担心工业以太网标准的不统一会影响其渗透到自动控制网络的应用。现场总线标准争了十多年，工业以太网标准或许也会这样。下一步向工业以太网发展，也有可能形成的多种类型的协议标准，分别是由主要的现场总线生产厂商和集团支持开发的，如：(1)FF和WorldFIP向HSE发展；(2)ControlNet和DeviceNet向EtherNet/IP发展；(3)INTERBUS和MODBUS向IDA发展；(4)PROFIBUS向PROFINET发展。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,在2002年在北京举行的国际电工委员会（IEC）年会期间，TC SC65C曾作了一项决定：在2007年开始对现场总线国际标准IEC61158进行修订之前，不再增加新的类型。但考虑成立新的工作组对工业以太网技术开展研究，并起草相关的标准。2003年在SC65C下成立了WG11、WG12、WG13等新的工作组专门负责有关工业以太网标准的制订。2004年法国会议之前收到的六个新的实时以太网协议提案将以PAS（Publicly Available Specification，公用可用规范）的形式发布，这些提案包括：中国的EPA、日本横河的V-net和东芝的TCnet、欧洲开放网络联合会IAONA的EPL（Ethernet PowerLink）、法国施耐德的MODBUS TCP（RTPS）。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,工业以太网广泛应用所需要解决的主要问题要求有高实时性与良好的时间确定性；传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁 容错能力强，可靠性、安全性好；控制网络协议简单实用，工作效率高；控制网络结构具有高度分散性；控制设备的智能化与控制功能的自治性；与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网络的集成；设备的可靠性与环境适应性；总线供电 本安防爆；网络安全性；互操作性。,1.3传统控制网络-现场总线的发展,工业以太网已经解决的关键问题网络传输时间的确定性问题已基本解决；网络传输的实时性问题已逐渐消除 总线供电技术正在逐步成熟；本安防爆主导理论的研究有所突破。,课后作业,1.简述网络控制技术的发展历程？,
