工业控制网络概论

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。
什么是控制网络？
– 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
参考资料
阳宪惠.工业数据通信与控制网络.清华 大学出版社.
陈在平. 工业控制网络与现场总线技术. 机械工业出版社.
第一章 工业数据通信与控制 网络概述
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 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
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
– 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。
课程要求
按时上课，认真听讲 积极参与课堂讨论，认真完成作业 认真准备实验，完成实验
课程的主要内容和重点难点
主要内容：工业控制网络和现场总线的 技术基础，控制网络系统的集成技术以 及如何构建和实现控制网络系统。
课程重点和难点：各种现场总线的特点 和协议规范、如何构建实现控制网络系 统和其集成技术。
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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。
课程的性质及目标
工业控制网络——一种工业现场的计算 机网络，是计算机技术、网络技术、自 动控制理论与技术的结合，是现代控制 技术的发展方向。
通过本课程的学习，可以了解工业控制 网络的技术基础和各种典型的现场总线， 以及控制网络系统的集成技术和其构建 实现方法。具备初步设计一个工业控制 网络的能力。
–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。
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
网络化连接
传统控制系统的一对一连接
网络化连接
AI
PID
Multi-Controllers AO
AO
PID
AI
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
PLC
现场设备1 现场设备2
现场设备n
Network-based control system
给定值
控制器
执行器
被控过程 被控参数
测量变送
生产过程
执行器m
测量变送n
… 执行器1 …
现场总线网络
测量变送1
控制器1
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
– General Electric的Genius I/O; – Phoenix的Interbus; – TURCK的Senseplex; – Process Data 的P—NET