控制网络技术课件

第10章控制网络技术主要内容工业控制网络概述控制网络技术基础工业以太网现场总线技术集散控制系统第10章控制网络技术10.1工业控制网络概述10.1.1 企业信息化与自动化 工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础,从结构上看可分为3 个层次,即管理层、控制层和现场设备层,如图10.1 所示。企业网工业局域网工业控制网络管理层控制层设备层 图10.1 企业综合自动化系统结构层次示意图第10章控制网络技术 最上层的是企业信息管理网络，它主要用于企业的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。中间的过程监控网络主要用于将采集到的现场信息置入实时数据库，进行先进控制与优化计算、集中显示、过程数据的动态趋势与历史数据查询、报表打印。最底层的现场设备层网络则主要用于控制系统中大量现场设备之间测量与控制信息以及其他信息(如变送器的零点漂移、执行机构的阀门开度状态、故障诊断信息等)的传输。第10章控制网络技术10.1.2 控制网络的特点 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，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、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。第10章控制网络技术 与此同时，开放性、分散化和低成本也是工业控制网络另外重要的三大特征。即工业控制网络应该:具有较好的响应实时性 高可靠性 力求简洁 开放性要好 第10章控制网络技术10.1.3 控制网络的类型 从工业自动化与信息化层次模型来说，控制网络可分为面向设备的现场总线控制网络与面向自动化的主干控制网络。在主干控制网络中，现场总线作为主干网络的一个接入节点。从网络的组网技术来分，控制网络通常有两类：共享式控制网络与交换式控制网络。控制网络的类型及其相互关系如图10.2所示。第10章控制网络技术图10.2 控制网络的类型及其相互关系共享式控制网络分布式控制网络交换式控制网络现场总线控制网络CANHARTFFLonWorksProfibus第10章控制网络技术10.2 控制网络技术基础控制网络是一类特殊的局域网，它既有局域网共同的基本特征，也有控制网络固有的技术特征。控制网络的基本技术要素包括：网络拓扑结构、介质访问控制技术、差错控制技术。第10章控制网络技术10.2.1 网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑。通常有星形、环形、总线形和树形拓扑结构，如图10.3所示。图10.3 网络拓扑结构第10章控制网络技术星形结构。星形的中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。环形结构。其各结点通过环接连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单项传送到另一个结点。总线形。在总线形结构中，各节点接口，通过一条或几条通信线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被总线中的任何一结点所接收。第10章控制网络技术树形结构。是分层结构，适用于分级管理和控制系统。上述四种网络结构中，总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构，改种结构最适于信息管理系统、办公室自动化系统、教学系统等领域的应用。实际组建网时，其网络结构不一定仅限于其中的某一种，通常是几种结构的综合。第10章控制网络技术10.2.2介质访问控制技术在局部网络中，由于各结点通过公共传输通路传输信息，因此任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个节点服务，即被某结点占用来传输信息，这就产生了如何合理使用信道、合理分配信道的问题，各结点能充分利用信道的空间时间传送信息，而不至于发生各信息间的互相冲突。传输访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。目前常用的传输访问控制方式有三种：冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）；令牌环（Token Ring）；令牌总线（Token Bus）。第10章控制网络技术冲突监测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）CSMA/CD是由Xerox公司提出，又称随机访问技术或争用技术。主要用于总线形和树形网络结构。该控制方法的工作原理是：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其他结点正发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中以有某结点发送信息（信道被占用），该结点就须等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始发送。载波侦听多路访问是指多个结点共同使用同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。第10章控制网络技术令牌环令牌环全称是令牌通行环（Token Passing Ring），仅适用于环形网络结构。在这种方式中，令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一结点。令牌环的优点是能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。缺点是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率；控制电路复杂。第10章控制网络技术令牌总线令牌总线方式主要用于总线形式或树形网络结构中。受令牌环的影响，它把总线或树形传输介质上的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各结点规定一个顺序（例如，可按各结点号的大小排列）。逻辑环中的控制方式类同于令牌环。不同的是令牌总线中，信息可以双向传送、任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。第10章控制网络技术令牌总线具有如下优点：吞吐能力达，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；控制功能不随电缆线长度的增加而减弱；不需冲突检测，故信号电压可以有较大的动态范围；具有一定的实时性。可见，采用总线方式的网络的连网距离较CSMA/CD及TOKEN RING方式的网络远。令牌总线的重要缺点是结点获得令牌的时间开销较大，一般一个结点都需要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。第10章控制网络技术表10.1 三种访问控制方式的比较CSMA/CDToken BusToken Ring低负载好差中高负载差好好短包差中中长包中差好第10章控制网络技术10.2.3差错控制技术由于通信线路上的各种干扰，传输信息时会使接收端收到错误信息。提高传输质量的方法有两种：第一种方法是改善信道的电性能，使误码率降低；第二种方法是接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重新发送，直至接收到正确地信息为止。差错控制技术包括检验错误和纠正错误，两种检错方法：奇偶校验，循环冗余校验；三种纠错方法：重发纠错，自动纠错，混合纠错。第10章控制网络技术奇偶校验（Parity Check）是一个字符校验一次，在每个字符的最高位置后附加一个奇偶校验位。奇偶校验通常用于每帧只传送一个字节数据的异步通信方式。第10章控制网络技术同步通信是一种比特同步通信技术，要求发收双方具同步通信是一种比特同步通信技术，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。接收。异步通信是一种很常用的通信方式。相对于同步通信，异步通信是一种很常用的通信方式。相对于同步通信，异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时隙可异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时隙可以是任意的，当然，接收端必须时刻做好接收的准备以是任意的，当然，接收端必须时刻做好接收的准备（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。收下来。第10章控制网络技术循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）原理：发送端发出的信息由基本的信息位和CRC校验位两部分组成。发送端首先发送基本的信息位，紧接其后面发送CRC校验位。接收端在接收基本信息位后对基本信息位进行相同的CRC校验,然后与接收到的CRC校验位进行比较,如果相同则传输正确,否则传输错误第10章控制网络技术三种纠错方法 重发纠错方式 自动纠错方式 混合纠错方式 第10章控制网络技术10.2.4网络协议及其层次结构在计算机网络中，网络的层次式结构、网络协议、网络体系结构是重要的基本概念。u网络的层次式结构u网络协议u网络体系结构第10章控制网络技术 OSI模型OSI模型(Open Systems Interconnection Reference Model)是国际标准化组织创建的一种标准。OSI参考模型如图10.4所示。图10.4 ISO模型第10章控制网络技术层次结构模型中数据的实际传送过程见图10.5。图10.5 数据的传输传递过程第10章控制网络技术OSI/RM参考模型中的下三层：13层主要负责通信功能，一般称为通信子网层。上三层即57层属于资源子网的功能范畴，称为资源子网层。传输层起着衔接上下三层的作用。物理层;数据链路层;网络层;传输层;会话层;表示层;应用层第10章控制网络技术IEEE802标准美国电气与电子工程师协会（IEEE）于1980年2月成立的IEEE802课题组（IEEE Atandards Project 802）于1981年底提出了IEEE802局域网标准（见图10.6）。第10章控制网络技术图10.6 IEEE802标准 第10章控制网络技术IEEE802委员会在1983年3月通过了三种建议标准，定义了三种主要的局域网络技术，分别称为802.3、802.4和802.5建议规范。在这些建议标准中规定：收发控制方式有两种：CSMA/CD方式和通信证（Token）-令牌传递方式。网络结构有两种：总线型和环形。物理信道有两种：单信道和多信道。技术规范如表10.2所示。第10章控制网络技术表10.2 局部网络的标准化技术范围标准内容802.3802.4802.5媒质访问控制CSMA/CD通信证传递通信证传递网络构形总线总线环形信道单信道多信道单信道多信道单信道多信道媒质50同轴电缆调频/残留边带75同轴电缆75同轴电缆150屏蔽双绞线75同轴电缆速率（Mb/s）1.5，10101.5，101.5，5，10，201，44，20，40第10章控制网络技术10.2.5 TCP/IP参考模型概述TCPIP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是传输控制协议/网际协议。它起源于美国ARPAnet网，由它的两个主要协议即TCP协议和IP协议而得名。TCPIP协议实际上包含了大量的协议和应用，且由多个独立定义的协议组合在一起。因此，更确切地说，应该称其为TCPIP协议集。第10章控制网络技术TCPIP共有4个层次，它们分别是主机至网络层、互联网层、传输层和应用层构成。TCPIP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如图10.7所示。图10.7 TCP/IP 参考模型第10章控制网络技术TCPIP 的四层网络模型互联网层传输层应用层主机至网络层第10章控制网络技术10.3 工业以太网10.3.1 工业以太网与以太网 工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物。前者源于后者又不同于后者。为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（IEA），工业自动化开放网络联盟（IAONA）等组织 第10章控制网络技术工业以太网与 OSI互联参考模型的对照关系如图 10.8所示图10.8工业以太网与 OSI互联参考模型的对照关系第10章控制网络技术工业以太网标准化的工作主要集中在 ISO/OSI模型的应用层，需要在应用层添加与自动控制相关的应用协议。由于历史原因，应用层必须考虑与现有的其他控制网络的连接和映射关系、网络管理、应用参数等问题，要解决自控产品之间的互操作性问题。应用层标准的制定比较棘手，目前还没有取得共识的解决方案。第10章控制网络技术10.3.2以太网的优势以太网(Ethernet)由于其应用的广泛性和技术的先进性,已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信,并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。第10章控制网络技术与目前的现场总线相比,以太网具有以下优点:应用广泛 成本低廉 通信速率高 软硬件资源丰富 可持续发展潜力大 易于与Internet 连接,能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成第10章控制网络技术因此,工业控制网络采用以太网,就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外,从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进,共同发展,并保证技术上的可持续发展,在技术升级方面无需单独的研究投入。第10章控制网络技术10.3.3 工业以太网的关键技术正是由于以太网具有上述优势,使得它受到越来越多的关注.但如何利用COTS(Commercial offvtheshelf)技术来满足工业控制需要,是目前迫切需要解决的问题,这些问题包括：通信实时性 总线供电 互操作性网络生存性 5.网络安全性本质安全与安全防爆技术远距离传输第10章控制网络技术10.3.4 目前应用的工业以太网协议目前主要的应用协议有以下几种：Modbus/TCPEthernet/IPFF HSEPROFInet第10章控制网络技术10.4 现场总线技术现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。第10章控制网络技术10.4.1 现场总线技术概述根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。第10章控制网络技术现场总线及其体系统结构现场总线的本质含义表现在以下六个方面：现场通信网络现场设备互连互操作性分散功能块通信线供电开放式互连网络第10章控制网络技术图10.9新一代FCS控制第10章控制网络技术图10.10 现场总线的分散功能第10章控制网络技术现场总线的技术特点 系统的开放性。可操作性与互用性。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。第10章控制网络技术现场总线的优点由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。节省硬件数量与投资。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。第10章控制网络技术现场总线的发展过程早在80年代中期，国外就提出现场总线,但研究工作进展缓慢，而且无国际标准可遵守。下面列举部分国际组织研究现场总线经过，以便于了解现场总线标准的产生历程。*ISA/SP50*PROFIBUS*ISP和ISPF*World FIP*HART和HCF*FF（现场总线基金会）第10章控制网络技术10.4.2 典型的现场总线自20世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐产生影响，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势和较强的生命力。目前较为流行的现场总线主要有以下五种：FF 基金会现场总线 LONWORKS 局部操作网 PROFIBUS 过程现场总线 CAN 控制器局域网 HART 可寻址远程传感器数据通路 第10章控制网络技术各种总线的比较 特性 类型FFProfibusCANLonWorksHARTOSI网络层次1，2，3，81，2，31，2，7171，2，7通信介质双绞线、光纤、电缆等双绞线、光纤双绞线、光纤双绞线、光纤、电缆、电力线、无线等电缆介质访问方式令牌（集中）令牌（分散）为仲裁P-P CSMA查询纠错方式CRCCRCCRCCRC通信速率(Bit/s)31.25K31.25K/12M1M780K9600最大节点数/网段321271102EXP（48）15优先级有有有有有保密性身份验证本安性是是是是是开发工具有有有有第10章控制网络技术10.5 集散控制系统集散控制系统（简称DCS），亦称分散型控制系统或分散型综合控制系统（TDCS）.集散控制系统具有技术先进、功能完备、应用灵活、操作方便、运行可靠等多方面显著待点，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。第10章控制网络技术10.5.1 DCS概述自从美国的Honeywell公司于1975年成功地推出了世界上第一套分散型控制系统以来，经历了30多年的时间，DCS已经走向成熟并获得了广泛应用。DCS的发展使工业控制系统进入了信息管理与综合控制的时代。第10章控制网络技术1DCS的体系结构DCS的体系结构通常为三级：分散过程控制级；集中操作监控级；综合信息管理级。典型的DCS体系结构如图10.11所示。图10.11DCS的体系结构 第10章控制网络技术（1）分散过程控制级（2）集中操作监控级（3）综合信息管理级（4）通信网络系统第10章控制网络技术2DCS的特点对一个规模庞大、结构复杂、功能全面的现代化生产工程控制系统，首先按系统结构进行垂直方向分解成分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，各级相互独立又相互联系；然后对每一级按功能进行水平方向分成若干个子块。第10章控制网络技术其特点如下：（1）硬件积木化（2）软件模块化（3）控制系统组态（4）通信网络的应用（5）可靠性高第10章控制网络技术10.5.2 DCS的分散过程控制级DCS的分散过程控制级，直接与生产过程现场的传感器、变送器、电气开关、执行机构连接，完成生产过程控制，并能与集中操作监控级进行数据通信；接收显示操作站下传加载的参数和作业命令，向显示器操作站报告现场工作情况。第10章控制网络技术分散过程控制级常用的测控装置 分散过程控制级常用的测控装置有三种：现场控制站可编程序控制器（PLC）智能调节器第10章控制网络技术1现场控制站（1）现场控制站的构成（2）现场控制站的功能第10章控制网络技术2智能调节器智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，以微处理器技术为基础，具有数据通信功能，在DCS的分散过程控制级中得到了广泛的应用。第10章控制网络技术3可编程序控制器（PLC）PLC与智能调节器的不同点是：主要用于开关量输入、输出通道，执行顺序控制功能。在生产过程中按时间顺序控制或逻辑控制的场合，取代复杂的继电器控制装置。第10章控制网络技术10.5.3 DCS的集中操作监控级DCS的集中操作监控级主要是显示操作站。功能一：显示、操作、记录、报警；功能二：进行控制系统的生成、组态。1.显示操作站的构成2.显示操作站的功能第10章控制网络技术10.5.4 DCS的综合信息管理级综合信息管理级(MIS)实现整个企业（或工厂）的综合信息管理，主要执行生产管理和经营管理功能。MIS是一个以计算机为主体、信息处理为中心的综合性系统，即管理信息系统。用户根据MIS提供的信息来改进决策能力和提高效率，信息是MIS的最主要资源。第10章控制网络技术MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。MIS由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人组成。1MIS的硬件组成2MIS的软件组成3DCS中MIS功能第10章控制网络技术习题 10工业局域网通常有那四种拓扑结构？各有什么特点？工业局域网常用的传输访问控制方式由那三种？各有什么优缺点？国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连参考模型即OSI模型是怎样的？IEEE802标准包括哪些内容？p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日