第01章工业网络技术概述及简介

工业网络技术授课：郑凯自我介绍Self-introduction2013.08~大连海事大学信息科学技术学院副教授(硕导)2009.07~2013.07大连海事大学信息科学技术学院讲师2004.09~2009.04哈尔滨工业大学控制科学与工程工学博士导师:姚郁教授、申铁龙教授(日本上智大学)2005.11~2008.02日本上智大学机械工学科共同研究员导师:申铁龙教授(日本上智大学)2002.09~2004.07哈尔滨工业大学控制科学与工程工学硕士导师:姚郁教授1998.09~2002.07哈尔滨工业大学控制科学与工程工学学士1.科研经历2.研究方向A.非光滑控制系统理论及应用C.先进仿真技术B.运载器动力系统建模及控制4.联系方式Address:信息楼A406Mail:[e-mail]3.主讲课程A.自动控制原理B.电机拖动与控制C.DSP控制器原理及应用D.单片机应用E.工业网络技术A.非光滑控制系统理论及应用方向非光滑模控制:自我介绍Self-introductionA.非光滑控制系统理论及应用方向含有不确定滑模面的控制问题DC/DCbuckconverter可测不确定不确定自我介绍Self-introductionB.运载器动力系统建模及控制无人艇控制自我介绍Self-introductionC.先进仿真技术方向动力系统仿真——船舶动力系统自我介绍Self-introductionC.先进仿真技术方向动力系统仿真——锂电池有限元0100020003000400050006000700080002.833.23.43.63.844.2tElectricpotential(V)L=10mL=50mL=90mL=130mL=190m0100020003000400050006000700080002.62.833.23.43.63.844.2tElectricpotential(V)L=90mL=100mL=120mL=140mL=160m0100020003000400050006000700080002.62.833.23.43.63.844.2tElectricpotential(V)L=100mL=140mL=180mL=220mL=260m0100020003000400050006000700080002.833.23.43.63.844.2tElectricpotential(V)r=10mr=11mr=12mr=13m自我介绍Self-introductionC.先进仿真技术方向动力系统仿真——半实物仿真自我介绍Self-introduction工业网络技术课程及安排参考教材工业通信网络技术和应用，许勇主编，西安电子科技大学出版社工业控制网络技术，赵新秋主编，中国电力出版社现场总线技术及其应用，阳宪惠主编，清华大学出版社现场总线及其应用技术，李正军编著，机械工业出版社其他参考书，感兴趣的同学可以上网上购买。成绩分配考试70分(开卷)平时20分实验10分(1次大实验课，实验6分，报告4分)考试成绩计算:卷面成绩:客观题30’+解答题70’=100’最终考试成绩=卷面成绩×70%出勤成绩计算:20’-随机点名10次未到次数*2=出勤成绩课程安排第一章工业网络技术概述工业网络技术的概念及特点介绍几种典型的工业网络及总线企业信息集成系统工业现场总线技术分发展趋势Zigbee技术课程安排第二章数据通信基础通信系统的组成数据编码技术通信系统的性能指标介绍信道网络拓扑结构网络传输介质介质访问控制差错控制方法课程安排第三章控制网络基础控制网络与计算机网络网络互联通信的参考模型几种典型控制网络的参考模型网络互联设备课程安排第四章串行通信技术串行通信基础RS-232C串行通信接口RS-422/485串行通信接口基于51单片机的串行通信接口设计课程安排第五章ModBus协议ModBus协议概述ModBus协议规范ModBus协议的实现课程安排第六章工业以太网技术TCP/IP体系结构介绍以太网的物理连接以太网的帧结构网际协议IP运输层工业以太网课程安排第七章CAN总线技术CAN总线技术简介CAN总线接口设计CANOPEN协议简介课程安排第八章Zigbee技术Zigbee技术特征ZigBee的适用条件和应用前景ZigBee无线通信协议简介第一章工业网络技术概述1.1工业网络概念及特性感性认识工业网络工业网络技术是在现场总线框架下的集智能传感、控制、计算机以及数据通信为主要内容的综合网络技术。它已成为工业自动化技术发展的热点，并将导致工业自动化系统结构和设备的深刻变革。可以说，现代工业网络技术就是工业现场总线技术的一种体现。汽车测控系统实例1.1.1控制系统发展把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代；把4～20mA等电气模拟信号控制系统称为第二代；把数字计算机集中式控制系统称为第三代；而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代；把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。1.1.2现场总线定义现场总线(Fieldbus)：是一种应用于生产现场，在现场仪表设备间或仪表设备与控制装置间实行双向、串行、多节点的数字通信技术。1.1.3FCS与传统DCS的比较分布式控制系统(DCSDistributedControlSystem)：由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。1.1.3FCS与传统DCS的比较传统控制系统模型1.1.3FCS与传统DCS的比较1.1.3FCS与传统DCS的比较（a）传统智能仪表模型（b）现场总线智能仪表模型1.1.4现场总线的特点1、系统具有高度的开放性开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。2、互可操作性与互用性实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。1.1.4现场总线的特点3、现场设备的智能化与功能自治性。将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能。随时诊断设备的运行状态。1.1.4现场总线的特点4、系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。1.1.4现场总线的特点4、系统结构的高度分散性1.1.4现场总线的特点5、对现场环境的适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的。支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。具有较强的抗干扰能力。能采用两线制实现送电与通信。满足安全防爆要求等。1.1.5现场总线的优点1、节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量。不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线。1.1.5现场总线的优点2、节省安装费用一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少。连线设计与接头校对的工作量也大大减少。预计可节约安装费用60%以上。1.1.5现场总线的优点3、节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，用户可以通过数字通讯查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。系统结构简化、连线简单，从而减少了维护工作量。4、用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。1.1.5现场总线的优点5、提高了系统的准确性与可靠性现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。1.2典型现场总线简介1、基金会现场总线（FF）前身美国FisherRousemount公司为首的80几家公司与Honeywell公司为首的150几家公司在上世纪90年代联合制定。H1的传输速率为31.125Kbps,通信距离可达1900mH2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。1.2典型现场总线简介2、LonWorks由美国Echelon公司推出并与Motorola、Toshiba共同倡导，在上世纪90年代推出。通讯速率从300bps至15Mbps不等，78kbps时直接通信距离可达到2700m支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质1.2典型现场总线简介3、Profibus由德国siemens公司联合13家企业和5家科研机构，于上世纪80年代末联合推出。由Dp、FMS、PA组成了Profibus系列。DP型适合于加工自动化领域的应用。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。PA型则是用于过程自动化的总线类型。传输速率为96～12kbps时为1000m以上，15Mbps时为400m。最多可挂接127个站点。传输介质为双绞线或光缆。1.2典型现场总线简介4、CAN上世纪80年代初期由德国BOSCH公司提出。数据传输距离最远可达10Km（速率小于5Kb/s）；传输速率高达1Mbps（距离小于40m）。可挂接设备最多可达110个。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。1.2典型现场总线简介5、RS-485尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。最高传输速率达到10Mb/s，100Kb/s时传输距离1200米左右，最多挂接128个节点。1.2典型现场总线简介6、ZigBee网络ZigBee联盟所制定的无线网络协议，此联盟是由50多家公司联合发起的，于2005年开始制定标准。ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。应用领域：工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。ZigBee的技术特点数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低速传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠1.3主要的现场总线比较总线类型技术特点主要应用场合价格支持公司FF功能强大，本安，实时性好，总线供电；但协议复杂，实际应用少流程控制较贵Honeywell，Rosemount，ABB,Foxboro,横河,山武等WorldFIP有较强的抗干扰能力，实时性好，稳定性好工业过程控制一般AlstoneProfibusPA本安，总线供电，实际应用较多；但支持的传输介质较少，传输方式单一过程自动化较贵SiemensProfibusDP/FMS速度较快，组态配置灵活车间级通讯、工业、楼宇自动化一般Sieme