工业控制网络的发展综述

2014~2015学年第2学期《工业控制网络》课程报告题目：工业控制网络的发展综述电气工程学院2015年5月25日工业控制网络的发展综述1.引言工业控制网络在提高生产速度、管理生产过程、合理高效加工以及保证安全工业控制网络1生产等工业控制及先进制造领域起到越来越关键的作用。图1总结了工业控制网络的4大主要类型：传统控制网络、现场总线、工业以太网以及无线网络。传统控制网络现在已经很少使用，目前广泛应用的是现场总线与工业以太网，而工业以太网关键技术的研究是目前工业控制网络研究的热点。图1工业控制网络的主要分类2.现场总线现场总线控制系统FCS是在基地式气动控制信号控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、直接数字控制系统DDC、集散控制系统DCS之后发展起来的新一代控制系统，它将DCS中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理信息层交换信息，代表了工业控制网络技术的发展方向。2.1现场总线主要技术特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式，图2为现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比。在传统模拟控制系统中采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接；而在FCS中，所有的设备作为网络节点连接到总线上，不仅节省了电缆，而且还方便了布线。工业控制网络2图2现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比2.3主流现场总线的比较目前现场应用比较广泛的现场总线主要有FF、Profibus-DP、CAN总线等，这些现场总线在技术上各有特色，目前它们还不能相互代替而应用到所有的领域，几种总线的特性和应用对比见表1。表1几种现场总线的比较工业控制网络33.工业以太网以太网最早出现在上世纪70年代，是一种总线式局域网，采用CSMA/CD协议，以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，包括在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以100~1000Mbps甚至更高的速率传输信息包如图3。以太网组成的网络节点分为两大类：图3工业以太网（1）数据终端设备，如工作站、服务器、智能设备等；（2）数据通信设备，接收和转发网络中数据包，如中继器、交换机和路由器等。3.1工业以太网的主要技术特性l)系统响应的实时性。在工业自动化控制中需要及时地传输现场过程信息和操作指令，要能够支持和完成实时信息的通信。这不仅要求工业以太网传输速度要快，而且响应也要快，即响应实时性要好。2)网络传输的确定性。即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。现在随着以太网速率不断提高，加上确定性调度算法的研究突破，使网络负荷进一步减轻、碰撞减少，系统的确定性已得到了很大的提高。3)要求极高的可靠性。工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性。3.2工业以太网的优点工业控制网络41）具有相当高的数据传输速率(目前已达到100Mb/s)，能提供足够的带宽；2）由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT世界；3）能在同一总线上运行不同的传输协议从而能建立企业的公共网络平台；4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。3.3工业以太网技术的发展趋势与前景未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：（1）工业以太网与现场总线相结合的形式近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；2）使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；3）采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议栈；4）应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议；5）兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等；4.无线网络4.1工业无线网络概述工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的,具有低成本、低能耗、高度灵活性、扩展性强等特点,已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点。由于工业现场环境复杂以及工业应用的特殊要求,工业无线网络面临着通信实时性、可靠性、安全性以及抗干扰能力等问题。4.2工业无线网络发展现状目前,工业无线网络的研究热点主要集中于网络技术和通信协议方面。在数据管理、软件开发环境和工具等方面的研究工作还不多,研究成果很少。工业无线工业控制网络5网络技术尚缺乏统一的国际标准,这严重阻碍了无线网络技术的应用和普及。目前，无线通信在工业自动化领域的研究主要有以下几类：无线总线RFieldbus、无线传感器与执行器网络wSAN、基于IEEE802．11的无线局域网WLAN以及基于IEEE802．15的无线个域网WPAN等。以下对工业无线通讯标准的特点及应用进行简单介绍。无线HART协议，要求HART无线通信技术保证支持产品的互操作性，与有线HART仪表的无缝连接，提升HART智能仪表的智能和可连接性。1个无线HART传感器网络由无线HART网络设备、至少1个无线HART网关和1个无线HART网络管理器组成。其组成结构如图4所示。图4无线HART网络的组成结构无线HART标准为过程测量与控制、设备资产管理提供了一个健全的无线协议。无线HART是基于已经被人们熟悉并证实了的有线HART协议，通过与现有设备、工具和系统的兼容，使人们快速简便地感受无线技术的特点。4.3工业无线网络的发展趋势无线通信网络技术在工业现场中的应用并不是简单的化有线为无线，它延伸了原有的工业网络的控制范围，并提供了极高的灵活性，成为有线网络、现场总线的一个有效补充。在未来的若干年内，工业无线网络将会得到快速的发展。但是无线通讯并不会代替有线通讯，无线只会在有线不能实现或成本比较高的地方代替有线。两种通讯技术结合起来，有线的稳定性、可靠性和无线的灵活性、经济性互相补充，将会有效地促进我国工业技术的发展。5.工业控制网络技术未来发展方向工业控制网络的发展历经了从传统控制网络到现场总线，再到目前广泛研究的工业以太网以及无线网络的过程。以太网的广泛使用为工业控制的发展提供了良好的基础结构，但如何保证工业通信的实时性是研究的关键。本文综述了目前广泛工业控制网络6研究的工业控制网络技术的几项关键技术。最后就工业控制网络未来发展的一些技术难题及相关解决方法进行总结，主要包括：(1)提高通信的实时性；(2)提高通信的安全性；(3)提高通信可靠性；(4)多总线集成；(5)实时异构网络6．总结工业控制网络既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它作为智能设备的联系纽带，挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。工业控制网络是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景，被誉为21世纪最有希望的自动化技术。