工业控制网络技术基础绪论

4、共性：
全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制 功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成本化 ，系统平台开放化、应用系统专业化。
5、主要特征：
信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总 线技术的进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能 化、低成本；系统平台开放型与应用的专业化。
管理网络 监控网络 现场网络 控制网络
集散控制系统举例
A、基于现场总线集散控制系统体系结构
B、 功能分层体系及基本结构
集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、 分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。
集散控制系统体系结构的各层功能
C. 集散控制系统特点 1、分散性和集中性 系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。 集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。 2、自治性和协调性 各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网 络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能 和优化处理。 3、友好性 采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。 4、适应性、灵活性和可扩充性 采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配臵，可 以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的 大小配臵。
e、现场总线按照应用行业分类
• 1、过程控制（连续生产过程）用现场总 线：FF的HI、Profibus-PA等 • 2、离散控制用现场总线：Profibus-DP 、Device-NET等 • 3、楼宇自动化用现场总线：Lonworks等 • 4、车辆制造业用现场总线：CAN等 • 5、飞机制造业用现场总线：SwiftNet等 • 6、农业及养殖业用现场总线：P-Net等
• 4、分散功能块 •
• 5、通信线供电
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通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获 取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用 这种供电方式。 既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连， 还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络实现 互连，用户通过网络对现场设备和功能块统一组态，把 不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。
f、现场总线的本质 • 1、现场通信网络 • 络。 • 2、现场设备互连 • • 传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。 现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品 是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现 “即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需 要的控制回路。 FCS废弃了传统控制系统的输入/输出单元和控制站，把传统控 制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成就地控制站。 • 3、互操作性 用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网
• 现场总线：是一种应用于生产现场，在现场设备之间、 现场设备与控制装臵之间实现双向、串行、多节点数字 通信的技术。它由IEC的国际标准化小组SC65C/WG6定义 。
a、现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System ）被誉为新一代控制系统。它 采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现了真正的全分布式结构，将控制 功能下放到现场，使控制系统更加趋向于分布化、扁平化、网络化、集成化和智能化 。下图是两种控制模式的比较。
2、分布式控制
• 将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制 器去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信 子网将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的 总体目标最优，还设臵上级协调器，实现全系统的协调控制 。 3、以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算机 控制系统。
•
1.2 网络集成式控制系统
•1.2.1 控制系统的新型结构
• 现场总线控制系统是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组 合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统之后 的新型结构。
基 地 式 仪 表
巡检
气 动 、 电 动 式 仪 表
模拟信号
集 中 控 制 系 统
数字信号
直 接 数 字 控 制
G、 存在问题
• 1、针对通信中存在的时间延迟、数据包丢失、甚至数 据链暂时丢失等情况，所对应的延迟补偿技术和信息预 测技术； • 2、在已有的分析与设计方法中，都假设被控对象都是 模型精确可知，没有考虑建模的不确定性。因此，在建 模存在不确定性的情况下如何设计闭环网络控制系统， 仍需要进一步深入研究。 • 3、 对随机控制方案的研究，缺乏关于控制器设计的解 析方法，控制器的鲁棒性问题尚未得到有效解决。 • 4、当被控对象为非线性对象时，如何进行闭环网络控 制系统的分析和网络控制器设计。 • 5、如何对整个控制网络进行优化设计。
• 1.1.2 工业数据通信
• 数据通信：是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息 交换的过程。 • 工业数据通信：是指在工业生产过程中除计算机及其外围 设备之外的各类工艺参数变送器和生产过程控制设备，此 类设备的各功能单元间、设备与设备间及设备与计算机间 遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据信息的过程。
h、现场总线的现状
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1、多种总线协调共存； 2、每种总线各有其应用领域； 3、每种总线各有其国际组织； 4、每种总线均有其支持背景；
• 5、设备制造商参加多个总线组织；
• 6、多种总线均作为国家和地区标准； • 7、工业以太网引入工业领域；
i、现场总线技术的发展和研究热点
1、工业以太网（Ethernet）在工业控制领域的应用 2、各种现场总线技术的拓展和完善 3、 现场总线安全技术的研究和开发 4、 对FCS中本质安全技术的研究。 5、 现场总线从站设备的开发 6、通用的设备管理工具和软件的研究 7、总线转换接口的开发 8、更多的组态和分析诊断软件的开发和使用
• 6、开放式互连网络
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g、产生多标准的原因
• 1、各种现场总线都是受国际上一些处于垄断地位的 跨国大公司所支持。 • 2、跨国大公司为了他们的长远利益和保持他们的垄 断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。 • 3、有的公司早期投人大量资金使得产品间世较早。 • 4、一些小国家在技术上和经济上很大程度地依赖于 一些跨国的大公司。 • 5、IEC是多极化的组织，其代表都来自各个国家的 一些大公司，不可避免地出现斗争的复杂性和反复 性。
• 习题
工业控制网络实例1
控制系统总体设计实例2
基于现场总线陶瓷窑控制系统实例3
(a) 上彩烤花辊道窑辊道窑外型 抽风风机 热电偶1
(b) 墙砖辊道窑炉外型图 氧含量探头 热电偶5 压力 传感器
(c) 网带烧花辊道窑的辊道传送图 给氧风机 热电偶8
出品口
入坯口 角执行器 供油管道
出油流量计
(d) Baidu Nhomakorabea道窑布局示意图 图9-21 几种 陶瓷辊道窑
d、现场总线控制系统的优越性
• 1．现场总线使的智能变送器中的微处理器能够直接与数字控制系 统通信，而不需要I/O转换，节约了费用； • 2．现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，大大减少 了连线费用； • 3．现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报 警处理等赋予现场仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性； • 4．现场总线可提供控制装臵与传感器、执行器之间的双向通信， 方便了操作员与被控设备之间的交互； • 5．现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可 能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购臵、安装与 保修费用； • 6．现场总线的开放性将使用户有可能对各仪表厂商的产品任意进 行选择，并组成系统，而不必考虑接口是否匹配的问题。
供油流量计
CAN总线节点控制器实例4
LonWorks技术应用系统（智能楼宇、连锁店）5
现场总线应用实例6
现场总线应用实例7
基于现场总线网络控制系统结构模型
1.1 工业数据通信与控制网络概述
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1.1.1 控制网络与现场总线
控制网络：将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，采用公开、规范的通 信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，将现场控制 设备连接成可相互传递信息，共同完成自控任务的网络 系统与控制系统。
b、现场总线的体系结构
c、现场总线控制系统的技术特点 • 1 、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备 之间可互联为系统并实现信息交换。 • 2、互可操作性与互用性。 互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通；互用 则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行更换而实现相互替 换。
数字调 节器
集 散 控 制 系 统
开放化 标准化
PLC
现 场 总 线 控 制 系 统
DCS
1.2.2 基于现场总线集散控制系统 • 20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产业的开放潮流和现 场总线技术的成熟与应用，集散型计算机控制系统又称为分散型综合 控制系统（Total Distributed Control Systems，简称集散系统 DCS）厂家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由原来完 全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。 1、集中控制 • 采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。
21世纪高等学校规划教材
工业控制网络技术
熊建斌博士
国家软件与集成电路公共服务平台-云计算与物联网广东平台 广东重点实验室 广东石油化工学院计算机与电子信息学院 QQ: 276158903 短号:6512
教材
• 赵新秋. 工业控制网络. 中国电力出版社， 2009. • 汪晋宽, 吴雨川. 工业网络技 . 北京电子大学 出版社. • 杨卫华. 工业控制网络技术. 机械出版社. • 刘美. 集散控制系统及工业控制网络. 中国 石化出版社
• 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，并可随时诊断设 备的运行状态。
• 4、系统结构的高度分散性。
现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改 变了传统控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性和对现场环 境的适应性。
D、集散控制系统的组态性
• 集散控制系统的组态类型：
1、系统组态 • 完成组成系统的各设备间的连接； 2、画面组态 • 完成操作站的各种画面、画面间的连接； 3、控制组态 • 完成各控制器、过程控制装臵的控制结构连接、 参数设臵等。
E、集散控制系统的组态界面
F、网络互联技术
• 1、网络互联，是指将分布在不同地理位臵的网络、设 备相连接，构成更大的互联网络系统。解决数据库访问 技术。利用调制解调器的数据通信技术和 基于TCP/IP 解决系统通信技术。 • 2、控制网络与信息网络互联要解决的两个问题： –物理互联 –逻辑互联（即互联软件） • 3、网络连接方式： –对于同构的控制网络与信息网络，可以通过网桥进 行连接； –对于异构的控制网络与信息网络，则进行网络互联 的两种主要部件为路由器和网关。
要求
• 1. 上课不能玩手机，若抓到没收； • 2. 有事请假，不允许迟到、早退；
• 3. 旷课3次，不允许考试；
• 4. 平时成绩40%，考试成绩60% (是否开卷 未定）
第1章 绪
论
• 1.1 工业数据通信与控制网络概述 • 1.2 网络集成式控制系统
• 1.3 控制网络在企业网络系统中的地位与作用
5、 实时性
• • 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。 使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。 通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采 集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统 结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护 等，提高了系统的可用性。
6、可靠性 广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断 、自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警，使 集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。
现场总线控制系统有两个新特征：
• 1、现场总线控制系统是将传统控制系统中的控制 器、 I/O 卡及模拟信号和传输线四部分用统一标 准的现场总线来替代，减少了层次传递，使控制 系统的结构更趋于扁平化. • 2、现场总线控制系统用智能现场仪表替代传统控 制系统中的模拟现场仪表，其智能体现在：变送 器不仅仅具有信号变换、补偿、累加功能，而且 具有诸如PID等运算控制功能；执行器不仅具有 驱动和调节功能，而且有特性补偿、自校验和自 诊断功能。