工业控制网络1-打印版

工业控制网络毕敏娜华南农业大学工程学院课程介绍•教材《计算机控制网络》刘建昌，清华大学出版社•上课时间：周三、周五•主要内容：第1章～第8章•考试形式：闭卷考核•总评成绩：平时40％＋考查60％各章节介绍•第1章控制网络概述•第2章数据通信理论基础•第3章OSI参考模型与现场总线体系结构•第4章RS-232和RS-485通信•第5章典型现场总线剖析•第6章现场总线应用层的研究与设计（略）•第7章网络控制系统和工业以太网•第8章网络控制系统实例剖析第1章控制网络概述本章主要内容•信息网络与控制网络•控制网络的应用背景•典型现场总线简介•工业生产过程对现场总线的要求•以现场总线为基础的企业信息系统（递阶分布式控制系统）一、信息网络与控制网络1信息网络？控制网络？信息网络特点：数据包大，发送频率相对比较低。控制网络特点：实时性要求高，发送频率高。两者区分：是否具有支持实时应用的能力一、信息网络与控制网络2控制网络的特点控制系统的发展：基地式气动仪表控制系统↓电动单元组合式模拟控制系统↓集中式数字控制系统、↓集散控制系统DCS↓现场总线控制系统一、信息网络与控制网络2控制网络数据确定性和可重复性。确定性：数据有限制地延迟和有保证地传输。可重复性：指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变和网络负载改变的影响。一、信息网络与控制网络3工业控制网络技术特征：现场设备成为以微处理器为核心，以传输媒介相连。网络数据采用基带传输，实时性好，抗干扰能力强废弃Ｉ／Ｏ控制站采用分散功能模块开放式互联结构互操作性网络集成式全分布控制系统AIPIDAOLASPT101PV101PIC101FFFFFF二、控制系统的应用背景•控制网络主要任务将控制信息在网络上传输，达到系统同步或控制的目的例子：防空火炮网络、无轴传动技术、液压多工位ＣＮＣ数控冲床三、IEC61158现场总线标准简介•Internet飞速发展，得益于统一的TCP/IP协议IEC61158初衷归纳各种总线为统一的标准，但是容纳了8种互不兼容的协议IEC61158协议八种类型IEC61158Type1FFH1是现场总线技术的框架和总则，各组织需按此框架组织各自的行规。IEC61158Type2ControlNet总线。IEC61158Type3受到了PROFIBUS组织的支持，与其它总线类型相比，PROFIBUS总线是一种较成熟的技术，在工业自动化控制领域得到广泛应用。IEC61158Type4丹麦P-DSA公司开发的P-NET总线，主要应用于啤酒、食品、农业和饲养业。IEC61158Type5HSE总线，广泛应用于IT产业。IEC61158Type6SwiftNet总线，是美国一协会开发，得到美国波音公司支持，主要用于航空和航天领域。IEC61158Type7WorldFIP总线，适应工业现场的各种恶劣环境，具有防爆性能。IEC61158Type8Interbus总线德国一公司开发。现场总线简介总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络现场总线简介现场总线是底层控制网络•最显著特征：具有开放统一的通信协议•是构成自动化系统的纽带，网络所传输的是控制信息•它是有别于计算机网络，电视、电话网络的另一类网络•特点：–适应工业应用环境，–要求实时性强，可靠性高，安全性好。–多为短帧传送，–通信的传输速率相对较低。现场总线是底层控制网络局域网NT服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口差压变送器调节阀差压变送器差压变送器温度变送器企业管理层（数据网络）过程监控层（数据网络）现场控制层（控制网络）现场总线网段现场总线的发展背景和趋势现场总线是综合自动化的发展需要•工业生产的要求：加快新产品的开发、按市场需求调整产品的上市时间T，改善质量Q，降低成本C，完善售前售后服务S。•CIMS：把市场、生产、制造过程、企业管理、售后服务看作同一考虑的生产过程，采用计算机、自动化、通信等技术来实现整个过程的综合自动化。•综合自动化：信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作。现场总线的发展背景和趋势•现场总线技术产生于二十世纪八十年代•是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求–开放性–通用性–可靠性二、现场总线的发展背景和趋势2智能仪表为现场总线的出现奠定了基础3现场总线朝着开放系统、统一标准的方向发展–由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状–据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种–号称为开放标准的也有二、三十种–现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，据说可能还要增加到十二种类型现场总线的发展中充满了竞争•现场总线的发展过程中充满了竞争–经济因素：每种总线都有一个或多个公司且多是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关–原先投入较大的现场总线技术不甘轻言放弃–政治因素：总线之间的竞争还涉及国家、地区间的竞争•1998年前，现场总线以制定单一国际标准为目的–FF成为最有可能成为国际标准的总线–FF成为国际标准的努力受到多方阻力•最后通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面现场总线的特点和优点1结构特点（传统控制系统结构图）1结构特点（现场总线控制系统结构图）现场总线的特点和优点2技术特点–系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识与尊重–互可操作性与互用性–通信的实时性与确定性–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现场总线的特点和优点3现场总线的优点–节省硬件数目与投资–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四、几种主要的现场总线介绍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SiemensInterBus开放性好，与PLC的兼容性好，协议芯片内核由国外厂商垄断过程控制较便宜独立的网络供应商支持P-NET系统简单，便宜，再开发简易，扩展性好；但响应较慢，支持厂商较少农业、养殖业、食品加工业便宜PROCES-DATAA/SSwiftNET安全性好，速度快航空较贵BoeingCAN采用短帧，抗干扰能力强，速度较慢，协议芯片内核由国外厂商垄断汽车检测、控制较便宜Philips,siemens,Honeywell等LonWorks支持OSI七层协议，实际应用较多，开发平台完善，协议芯片内核由国外厂商垄断楼宇自动化、工业、能源较便宜Echelon1、IEC61158技术规范（FFH1）•基金会现场总线FF，FoundationFieldbus，以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层，并在应用层上增加了用户层。FF系统网络拓朴结构HSE链接设备H1设备H1设备HSE现场设备HSEI/O网关HSE链接设备路由器H1网桥H1设备H1设备H1设备HSE现场设备HSE现场设备HSEI/O网关I/O总线HSE总线HSEH1总线H1总线基金会现场总线网络拓扑结构IEC61158FFH1•国际电工委员会推荐的通用现场总线网络结构•现场总线系统可以支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之间的低级通信，可以与工厂自动化的PLC实现互连。•H1现场总线主要用于现场级，其速率为31.25Kbps，负责两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供电设备的本质安全；H2现场总线主要面向过程控制级、监控管理级和高速工厂自动化的应用，其速率为1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。ControlNet现场总线•ControlNet采用一种新的通信模式，即生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据，其主要特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。网络的媒体送取，通过限制时间存取算法来控制，即采用并行时间域多路存取（CTDMA）方法，在每个网络刷新间隔（NUI）内调节节点的传送信息机会。ControlNet结构图Profibus现场总线•1984年推出•Profibus:是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，IEC61158类型3。•主要技术支持厂家：Siemens公司，Samson公司，Softing公司•Profibus用户组织为PNO，拥有600多个成员，近二千种产品Profibus三种基本类型•Profibus-DP/FMS/PAProfiNet制造业自动化PROFIBUS-DP通用性自动化PROFIBUS-FMS过程自动化PROFIBUS-PA通用——大范围应用——多主通信快速——即插即用——高效低成本面向应用——总线供电——本质安全Profibus网络P-NET现场总线•总线采用分段结构，每个总线分段上可以连接多个主站，主站之间通过接口能够实现网上互连，它允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构。•该总线通信协议包括1、2、3、4和7层，并利用信道机构定义用户层。通信采用虚拟令牌（virtualtoken）传递方式，主站发送一个请求，被寻址的从站在390μs内立即返回一个响应，只有存放到从站内存中的数据才可被访问。•每个站节点都含有一个通用的单芯片微处理机，配套的2KBEPROM不仅可用作通信，而且可用于测量、标定、转换和应用功能。•P-NET接口芯片执行数据链路层的所有功能，第3层和第4层的功能由宿主处理器中的软件解决。•该总线物理层基于RS-485标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离1.2km，应用NRZ编码异步传输。P-NET现场总线结构P-NET现场总线是一种多主站、多网络系统H2-HSE现场总线•1998年，美国FieldbusFoundation（FF）基金会决定采用高速以太网（HighSpeedEthernet，HSE）技术开发H2现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信网络的主干网，它与H1现场总线整合构成信息集成开放的体系结构。•HSE网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些功能，但这些增加的功能可以在标准的Ethernet结构框架内无缝地进行操作，因而FFHSE总线可以使用当前流行的商用（COTS）以太网设备。•100Mbps以太网拓扑是采用交换机形成星形连接，这种交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。H2-HSE现场总线•HSE使用标准的IEEE802.3信号传输，标准的Ethernet接线和通信媒体。设备和交换机之间距离，使用双绞线为100米，光缆可达2千米。HSE使用连接装置（LD）连接H1子系统，LD执行网桥功能，它允许就地连在H1网络上的各现场设备，以完成点对点对等通信。HSE支持冗余通信，网络上的任何设备都能作冗余配置。•FFHSE的1~4层由现有的以太网、TCP/IP和IEEE标准所定义，HSE和H1使用同样的用户层，现场总线信息规范（FMS）在H1中定义了服务接口，现场设备访问代理（FDA）为HSE提供接口。用户层规定功能模块、设备描述（DD）、功能文件（CF）以及系统管理（SM）。FF规范21种功能模块供基本的和先进的过程控制使用。FF还规定了新的柔性功能模块（FFB），用以进行复杂的批处理和混合控制应用，FFB支持数据采集的监控，子系统接口、事件顺序、多路数据采集、PLC和其他协