工业数据通信与控制网络

工业数据通信与控制网络清华大学自动化系[e-mail]62783125-252阳宪惠第1讲工业数据通信与控制网络概述主要内容•控制网络与现场总线•控制网络与计算机网络的区别•数据通信系统(网络)•网络化控制系统•全分布式控制系统•传感器总线、设备总线和现场总线•早期的现场总线技术•控制系统对网络的要求•控制网络在企业网络系统中的地位与作用•控制网络面临的问题•控制网络与上层网络的连接方式•控制网络的技术发展与标准化•课程的几个教学环节第1讲工业数据通信与控制网络概述•工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物•适应了企业信息集成系统、管理控制一体化系统的发展趋势与需要。•工业数据通信系统；生产现场网络系统；网络集成式控制系统。•是IT技术在自控领域的延伸;自控领域的IT技术•本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路、控制网络的设计与应用等控制网络与现场总线•什么是现场总线技术？–IEC规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。•控制网络：–由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络–以现场总线作为通信连接的纽带–完成测量控制任务的网络系统、控制系统vALLEN-BRADLEY789456123.0------------------'--F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10PanelView550^控制网络与计算机网络的区别•网络节点–计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端–控制网络：除了以上设备之外，还有PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPU、单片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备•工作环境–计算机网络：办公室–控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求•任务–计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。–控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成•特点–实时性–可靠性的要求高–数据帧包含的字节数少•控制网络是一类特殊的网络–广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。工业数据通信系统•工业数据通信–在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。–工业数据通信:•多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程•它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信•工业数据通信的内容–生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置–开关状态、报警状态–设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息–系统组态、参数修改信息等•工业数据通信的网络结构–传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送模拟信号–现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信息的公共传输通道–控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。•工业数据通信网络的规模。–三、两个数据节点的简单系统–成千上万台设备的复杂网络•一个汽车组装生产线可能有多达25万个I/O点•石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备生产现场的网络系统网络化连接传统控制系统的一对一连接网络化连接Multi-ControllersAOPIDAIPIDAOAINetwork-basedcontrolsystem控制器被控过程执行器测量变送给定值被控参数控制器1执行器1测量变送1测量变送n执行器m生产过程……现场总线网络传感器总线、设备总线和现场总线•传感器总线属于位(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位–如ASI（ActuatorSensorInterface）总线•设备总线属于字节(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节–如CAN（ControlAreaNetwork）总线•现场总线则属于块(Block)级的总线,其通信帧的长度可达到几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。–如FoundationFieldbus、Controlnet、Profibus•传感器总线、设备总线可统称为现场总线早期的现场总线技术•早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如PLC或者是工业计算机。–对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值，–控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。•第一个设备层现场总线：–上世纪70年代，在PLC出现的同时，Culter-Hammer推出了第一个设备层现场总线系统。•早期(80年代)出现至今还在应用的几种现场总线–GeneralElectric的GeniusI/O;–Phoenix的Interbus;–TURCK的Senseplex;–ProcessData的P—NET•GeniusI/O•在PLC之间、PLC与人机界面之间传递数据信息•令牌总线,采用分支受限制的总线拓扑；•网段节点数32个；每个节点的输入、输出均为1024位，•传输距离约1000米/传输速率153.6K时;2250米/传输速率38.4K时；•屏蔽双绞线，光缆；•采用FSK频移键控调制信号–Interbus•在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的方式•总线最多带有64个节点,每个节点的输入、输出数据为16位•覆盖距离最远可达12.5公里•典型传输速率为500Kbps•物理信号连接遵循EIA－485标准•采用单总帧结构,数据帧中有效位的比率高–Senseplex•最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。工作环境靠近电磁场,抗噪声、抗电磁干扰方面的能力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好•Senseplex系统采用主从结构；•连接采用75欧姆同轴电缆；•使用FSK频移键控调制信号；•采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全;•节点总数为32/64/120个•每个节点的数据输入、输出位均为8位。•主节点与最远从节点之间的距离为200米，使用中继器可使该距离增加至400米。•传输速度为187K–P-Net•用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等•可以形成网络结构较为复杂的系统•EIA-485标准，屏蔽双铰线•传输速率为76.8Kbps•最大传输距离为1200m•每段最多可以连接125个设备。•每帧数据为56位当数据大于56位时•P-Net采用分段结构的多主网络系统,网络中可以连接多至32个主节点。P-Net多主网络系统小结•从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。–它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。•早期总线技术的缺点–大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短•开放总线的典型范例CAN–有公开统一的技术规范–多个芯片制造商：Motorola、Intel、Philips、Hitachi–开放性促进了该技术的发展与推广应用新型控制系统结构—网络化控制系统•控制系统的结构变迁–基地式气动仪表–气动、电动系列的单元组合式仪表–集中式数字控制系统–集散控制系统DCS、PLC–网络化现场控制系统FCS网络化控制系统的特点•结构上形成设备的网络式连接–节省大量线缆、槽架、连接件；–连线设计与接头校对的工作量也大大减少–增加现场控制设备无需增设新的电缆•实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件–无人值守机站•将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统•支持总线供电•为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企业的管理控制一体化创造了条件网络集成式控制系统1999UserTraining2©1999FieldbusFoundation减少了接线与安装传统的4-20mA仪表接线方式,对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线4-20mAISISISIS多台设备可以共用一个本安栅，一对接线ISFieldbus扩大了操作视野传统4-20mA只能看到I/O子系统现场总线视野可以扩展到现场仪表控制器控制系统网络现场总线远程输入/输出子系统控制器控制系统网络网络化、全分布式控制系统AIPIDAOLASPT101PV101PIC101FFFFFF控制系统对网络的要求•开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性–开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备互连为系统–互可操作性：•互连设备间的信息传送与沟通；•互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换–通信的实时性：具有严格的时序和定时要求•达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。–环境适应性•在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等控制网络在企业网络系统中的地位与作用•企业网络系统的层次结构–Internet-Intranet-Infranet的网络结构•功能层次。–企业资源规划层ERP（EnterpriseResourcePlanning）–制造执行层MES（ManufacturingExecutionSystem）–现场控制层FCS（FieldControlSystem）•信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。企业网络系统的层次结构互连网Internet企业内部网Intranet底层控制网Infranet企业资源规划层ERP制造执行层MES现场控制层FCSEthernet现场控制层FCS制造执行层MESEthernet资源规划层ERPEthernet调节阀温度变送器温度变送器温度变送器调节阀Internet控制网络ProfibusDevicenet(CAN)广域网PCPC卫星地面站中继器路由器PLCPCH1以太网段网关打印机绘图仪Modem键盘、便携机工作站TCP/Devicenet电话MotorPLCI/OI/OI/O服务器现场控制层FCS制造执行层MES防火墙服务器资源规划层ERP操作站现场控制层面临的问题•控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上DCS、PLC、SCADA等–网络内部的通信一致性差，个异性强•控制网络与信息网络存在较大差异–通信协议，网络节点类型等有较大差异–控制网络与信息网络实现信息交换有难度–实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决控制网络与上层网络的连接方式•采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上•将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC机的PCI插槽内，在PC机内完成数据交换。实现控制网段与上层网络的连接•将WEB服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助WEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互通过网关连接控制网段与上层网络监视操作计算机以太网段Server网关/控制器网桥控制网段控制网段采用PCI卡连接控制网段与上层网络监视操作计算机PCI控制网段控制网段以太网段控制网络的技术发展与标准化•现场总线的百花齐放与兴盛发展–各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种–欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发–形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准•现场总线组织–现场总线基金会（FieldbusFoundation）–LonMark协会,–Profibus协会，–工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation），–工业自动化开放网络