过程自动化基础工业网络培训讲义

过程自动化基础工业网络培训讲义自控处王谦2008年11月工业网络培训讲义---目录12过程自动化网络拓扑与设备（21-51）3网络体系与架构过程自动化网络基础知识（2-21）4过程自动化网络设计实例工业网络培训讲义---序言1.现代化的控制系统在世界钢铁工业领域得到了普遍应用，过程自动化控制系统在钢铁冶金行业也愈来愈发挥重要的作用。计算机网络技术的发展，也为过程自动化控制系统得以全面、完善的应用创造了条件。2.在过程自动化的培训中分为过程自动化系统与过程自动化网络两部分。本篇为过程自动化网络的培训讲义。3.过程自动化网络又可称作工业计算机网络，其实质是基于工业现场应用的局域网、以太网（IEEE802.3标准）；4.本次培训的目标是网络基础知识普及、介绍工业网络发展历史与架构组成，并通过实例的讲解使得参加培训员工了解过程自动化网络的知识，具备搭建工业级别过程自动化网络的能力。1.计算机网络的概念•计算机网络是由两台或两台以上的计算机通过网络设备连接起来组成的一个系统，在这个系统中计算机与计算机之间可以进行数据通讯、数据共享及协同完成某些数据处理工作。•随着网络技术的发展以及网络应用范围的扩展，计算机网络的概念也在发展。这并不是最权威的定义，只是计算机网络定义中的一种。不同的书上，计算机网络的定义也各不相同。关键不是记住计算机网络的定义，而是通过对概念的正确理解把握它的内涵。一网络基础知识对于计算机网络的理解需要把握以下两点：1.组成网络的计算机要求是独立的。每台计算机核心的基本部件，如处理器、系统总线等要求存在并且是独立的。有的计算机系统不满足这一要求，在80年代末期，有的学校的图书馆采用的图书查询系统，就是采用一台小型机带几十台查询终端的体系结构，如图1.1所示。这种系统不是计算机网络，因为整个系统中除了有一台主机具有处理器外，其他的终端都只有输入/输出设备，不是完整、独立的计算机，所以该系统属于具有一台主机的计算机系统，而不是计算机网络。一网络基础知识图1.1一网络基础知识主机显示器键盘我们这里所讲述的过程自动化网络，就是由服务器、客户端、网络设备与线路组成的计算机网络（如下图1.2所示）一网络基础知识对于计算机网络的理解需要把握以下两点：2.计算机网络通信的目的是实现信息共享。因此，一个多处理机系统，如双CPU的计算机系统不是计算机网络。在科学计算、天气预报等领域广泛应用的多处理机系统可以看作是处理能力很强的计算机，而不是计算机网络。判断计算机系统是不是计算机网络的一个必要标准，就是系统是否以实现信息共享作为数据通信的目的。一网络基础知识2.计算机网络的产生•早期的计算机系统都是相互独立的，要想实现软件或硬件的共享十分困难，需要在人力、物力和时间等方面有很多的投入。例如，用户甲要将自己计算机上的一个文档的打印稿交给乙，而甲的计算机没有连接打印机，乙的计算机连接了打印机，那么甲有以下3种方案可以解决该问题。一网络基础知识1.方案1：甲可以买一台打印机，连接到自己的计算机上，打印自己的文档并交给乙。这是最直接的方案。2.方案2：甲可以把要打印的文档复制到软盘、U盘或光盘等存储介质上，把这个存储介质交给乙，乙再把甲的文档复制到自己的计算机上，打印甲的文档。这种方案适合于甲的文档比较少的情况。3.方案3：甲可以把乙的打印机拿过来，连接到自己的计算机上，打印自己的文档，再把打印机和打印好的文档一起交给乙。这种方案适合于甲的文档比较多的情况。一网络基础知识2.计算机网络的产生计算机网络产生以前的情况如果甲和乙之间距离很远，以上解决办法都会有更多的困难。在没有计算机网络时，人们把一台计算机中存储的数据传送给另外一台计算机，一般要经过很繁琐的步骤和比较长的时间，并且需要人作为数据传输的“交通工具”。这种处理方式曾经被戏称为“运动鞋网络（Sneaknet）”，如上图1.3所示。一网络基础知识甲方案1甲买打印机方案2利用U盘或光盘等存储介质方案3甲借用乙的打印机乙打印机2.计算机网络的产生计算机网络产生以前的情况1.直到目前，在工业现场仍有类似的尴尬应用，例如在炼钢厂，废钢操作工通过电话或者对讲机接收转炉主控室的备料指令后，进行废钢的准备工作（种类、重量），完成工作后电话或者对讲机通知转炉主控室、混铁炉操作室等工序，同时需要作回忆式的手工记录。2.高炉与炼钢厂为了确定铁水的去向、重量，一般的流程是：高炉安排每炉次铁水均有跟包工，在铁水衡说明去向后，跟随铁水进入炼钢厂或者铸铁场地，回皮后再拿磅单找炼钢厂操作工确认刚才的铁水接收情况（回忆式的手工记录）。一网络基础知识2.计算机网络的产生计算机网络产生的冶金现场情况1.随着技术的发展，人们把独立的计算机通过通信线路连接成小范围的计算机网络，经济地实现了计算机之间的软、硬件共享。这时，对于前面的例子，甲就可以很容易地解决，如下图1.4所示。一网络基础知识甲乙打印机文件共享打印机共享方案1方案23.过程自动化网络的解决方案方案1：甲可把要打印的文档共享给乙，乙用自己的打印机直接打印甲的文档，乙得到了甲的文档。方案2：乙可把自己的打印机共享给甲，甲可使用网络打印机打印自己的文档，乙得到了甲的文档。这时，甲不用去买一台打印机，并且免去了数据转移和文档转移时的麻烦，不用借助任何存储介质，很容易地借助计算机网络解决问题。2.所以，在建龙钢铁的某些子公司（如唐山建龙），建立了炼钢过程自动化网络，通过炼钢物流跟踪软件（过程自动化系统），废钢操作工通过客户端界面，及时获取备料信息；完成操作后,自动采集的废钢重量和操作工确认的分类信息就可以立刻准确的发送到转炉主控室、混铁炉操作室，同时交班时自动获得当班操作记录。一网络基础知识3.过程自动化网络的解决方案1.局域网（LAN）一般指互相连接起来的计算机所分布的地理范围较小的网络，例如某一实验室内、一栋建筑物内或一个校园内等。工业计算机网络就是LAN在工业现场的典型应用，如上图1.5所示。2.广域网（WAN）分布的地理范围较大，如大的企业网络可将位于不同城市的计算机连在一起成为一个广域网。例如其它子公司是通过租用E1线路的方式实现了与控股公司的数据通讯，构建了建龙公司的WAN，运行公司的ERP软件等。当然这已经不是我们所包括的内容了。一网络基础知识4.过程自动化网络的发展广域网独立的计算机局域网应用广域网应用一网络基础知识5.计算机网络的功能1.数据传输：这里的数据指的是数字、文字、声音、图像、视频信号等媒体所存储信息的计算机表示。计算机网络使得各种媒体信息通过一条通信线路从甲地传送到乙地。数据传输是计算机网络各种功能的基础，有了数据传输，才会有资源共享，才会有其他的各种功能。2.资源共享：资源包括硬件、软件和数据。硬件为各种处理器、存储设备、输入/输出设备等，可以通过计算机网络实现这些硬件的共享，如打印机、硬盘空间。例如，我们在发布或者更新过程自动化软件时，在服务器端远程运行安装的应用程序可以在客户端计算机上直接使用。通过共享使资源发挥最大的作用，同时节省成本、提高效率。3.协调负载：分布式信息处理、分布式数据库等只有依靠计算机网络才能实现协调负载，提高效率。我们在高炉过程自动化、炼钢过程自动化的软件应用（模型）中，可体会到这种应用。4.提供服务：例如故障通知的Email方式的体现。一网络基础知识5.计算机网络的功能1.以上介绍的是计算机网络的一般功能，只是一个描述性的介绍。所有计算机网络的功能都会是以上4种功能中的一种或几种。具体的计算机网络可能各有不同的功能，如有的网络能够实现打印机共享，有的网络可以实现电子邮件服务等。2.工业计算机网络主要是发挥上述“数据传输”、“资源共享”两项功能。一网络基础知识5.计算机网络的功能1.尽管现在的计算机网络很多，但不同的计算机网络都有一个共同的特点，就是它们都由3个部分组成，即网络硬件、传输介质、网络软件，如下图1.7所示。一网络基础知识6.计算机网络的组成计算机网络网络硬件计算机：服务器、工作站网络互联设备：集线器、交换机、路由器传输介质网络软件有线传输介质：同轴电缆、双绞线、光缆无线传输介质：微波、红外线、卫星通信网络操作系统网络传输协议网络管理软件网络应用软件网络服务软件•服务器：服务器（SERVER）是计算机网络中向其它计算机或网络设备提供某种服务和管理的计算机，是整个网络的中心。如下图1.7所示。目前由于硬件处理速度越来越快，容量越来越高，服务器的选型已经由小型机过渡到了PCSERVER，完全满足1M指令/s的性能指标。•服务器按提供的服务被冠以不同的名称，如数据库服务器、邮件服务器、打印服务器等；工业计算机网络中主要配置数据库服务器、应用服务器、Web服务器等一网络基础知识6.计算机网络的组成---服务器•客户端（Client）也可以称作Workstation，或者“节点”，是指连接到网络上的计算机。这只是接入网络的设备，它并不能影响整个网络系统的运行，只造成该位置的信息不能有效进入系统而被其它客户端共享使用。目前一般选择与基础自动化HMI相同的配置，以工控机为主。一网络基础知识6.计算机网络的组成---客户端6.计算机网络的组成---通信协议1.通过网络连接的计算机之间在通信中必须遵守一定的约定和规程，才能够相互连接和正确交换信息，这些约定和规程是事先制定的，并以标准的形式固定下来，这就是网络通信协议。2.也就是说，通信协议是网络数据传输的规则，通信协议可以保证数据正确地从一个节点传到其它节点，所以可以看作是计算机之间相互会话所使用的语言。当然，两台计算机之间通讯，必须使用相同的通信协议。3.通信协议有很多种，应用于不同时期、不同类型的网络。目前的局域网中主要应用的协议有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NETBUIT协议等。4.详细一些的介绍将在第三章网络体系结构中体现。局域网拓扑结构1.计算机网络中计算机及网络设备在空间上的排列形式称为计算机网络的拓扑结构。2.网络拓扑定义了网络中资源的连接方式，目前常用的网络拓扑结构有：总线型、星型、环型结构。二工业网络拓扑与设备2.1总线型局拓扑结构1.采用一条称为公共总线的传输介质，各计算机直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。2.总线型网络的组建较为容易，下面以使用细同轴电缆的10Base2总线型网络为例，直观地介绍总线型网络的组建技术：（过程自动化级应用案例：Server1＋Client3，通讯网卡3Com503,细缆）二工业网络拓扑与设备二工业网络拓扑与设备2.1总线型局拓扑结构---10BASE2的性能特点①10Base2总线型网络两个端结器间的长度为网络全长，按照信号的衰减率与信号的传输速度来推算；（用细同轴电缆和粗同轴电缆组建的总线型网络分别被称为10BASE2、10BASE5网络）。②其中10表示速率为10Mbs，BASE表示网络信号以基带方式传输，2和5表示网络中计算机间的最大允许距离分别为200米（实为185米，接近200米）和500米）；③全长不能超过185米；④所连接的计算机不能超过30台；⑤两个T型头间网线长度不能短于0.5米。二工业网络拓扑与设备2.1总线型局拓扑结构---10BASE2的组件构成10Base2总线型网络的传输介质－同轴电缆、T型头、BNC头等：计算机网卡的接口■BNC口（用于建立总线型网络）■RJ45口（用于建立星型网络）RJ45口BNC口二工业网络拓扑与设备2.1总线型局拓扑结构---10BASE2的组件构成10Base2总线型网络的传输介质－终端电阻（端接器）；2.2星型局拓扑结构1.星型拓扑由主节点和从节点组成，主节点可直接与从节点通信，而从节点之间必须通过主节点才能通信。二工业网络拓扑与设备主节点从节点2.2星型局拓扑结构2.初期的星型网络中主节点通常由一种称为集线器（Hub）的设备充当，因此网络上的计算机之间是通过集线器来相互通信的；二工业网络拓扑与设备PC-To-Hub网线集线器二工业网络拓扑与设备2.2星型局拓扑结构---100BASET的组建技术以使用双绞线的100BaseT星型网