工业通信与网络技术1
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第一章 绪论
一、工业控制网络的发展过程 1、机械式（液动、气动）仪表
– 3-15psi信号传递（对应于0.2-1.0kgf/cm2） – psi意为磅/平方英寸，气压单位 – 缺点：体积较大，适合单机控制
2、电动仪表
– 使用4-20mA电流环模拟信号 – 缺点：线缆较多
3、CCS（Computer Control System） 中央控制计算机系统
– 楼宇自动化
• 如：LonWorks
– 道路交通工具中用的
• 如：CAN、VAN
– 飞机上用的
• 如：SwiftNet
– 农业、养殖业中用的
• 如：P-Net
– 低压开关设备中用的
• 如：DeviceNet、AS-i等
3、按功能分层
信息层 EtherNet/IP HSE/H2 PROFInet/PROFIBUS-FMS 控制层 ControlNet H1 设备层 DeviceNet RA FF PROFIBUS-PA PROFIBUS-DP PROFIBUS
– 标准形成时间：2001年11月
4、用于道路交通工具进行数字信息交换的 现场总线国际标准
– ISO 11898：高速CAN，125k-1M（bps）
– ISO 11519：低速CAN和VAN，125kbps以下
5、楼宇自动化领域的现场总线国际标准
– 软件构成
• 系统平台软件：
– 网络配置软件：一个平台，实现设备配置、网络组态， 与组态通信软件进行通信 – 通信工具软件：与总线设备间的数据通信 – 监控组态软件：实现监控功能 – 设备编程软件：用户程序的开发平台
• 系统应用软件：
– 系统用户程序软件：实现工艺流程 – 设备接口通信软件：实现总线设备间的通信 – 设备功能软件：实现总线设备功能
– 年代：约1972年
5、DCS（Distributed Control System） 集散控制系统，又称分散控制系统
– 年代：约1976年
6、FCS（Fieldbus Control System） 现场总线控制系统
– 年代：约1994年
总结：
– 现场总线控制系统（FCS）产生的原因
• 生产力水平的发展所要求 • 由简到繁、再由繁到简的螺旋式上升发展过程
– 包括2种类型：
• SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）监视控制与数据采集系统 • DDC（Direct Digital Control）直接数字控制系统
– 年代：约1962年
4、PLC（Programmable Logic Controllers） 可编程逻辑控制器
– 一句话：数字式、开放性、分散性、互操作性与互 换性、对现场环境的适应性
优点： – (1)导线和连接附件大量减少 – (2)仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少 – (3)设计、安装和调试费用大大降低
– – – – – – – –
(4)维护开销大幅度下降 (5)系统可靠性提高 (6)系统测量与控制精度提高 (7)系统具有优异的远程监控功能 (8)系统具有强大的（远程）故障诊断功能 (9)设备配置、网络组态和系统集成方便自由 (10)现场设备更换和系统扩展更为方便 (11)为企业信息系统的构建创造了重要条件
3、用于低压开关设备和控制设备的现场总线国 际标准（Low-Voltage Switchgear and Controlgear）IEC 62026
– 包括4个类型
• AS-i：Actuator Sensor interface，执行器传感器接 口，西门子支持 • DeviceNet：设备网，RA支持 • SDS：Smart Distributed System，智能分布系统， Honeywell支持 • Seriplex：Serial Multiplexed Control Bus，串行多 路控制总线
二、现场总线的概念 安装在制造或过程区域的现场装置与 控制室内的自动控制装置之间的数字式、 串行、多点通信的数据总线。
– IEC 61158 ED1.0中的定义 – 广义理解：
• 可以把现场总线看成是一种网络、一种链路、一 个系统的集成，甚至是一个测控系统。
三、现场总线的软硬件构成
– 硬件构成
• 总线电缆：也叫通信介质、通信媒体 • 总线设备：包括变送器、执行器、控制器等
三种主流现场总线协议簇 六、现场总线的国际标准 1、制定标准的国际组织有：
– IEC（国际电工委员会） – ISO（国际标准化组织） – ITU（国际电信联盟）
2、IEC国际标准的制定过程
– – – – – – – 预备阶段 提案阶段 准备阶段 委员会阶段 征询意见阶段 批准阶段 出版阶段（标志：PPUB，即：Publication Issued， 出版发行即认为国际标准形成）
控制、网关
条形码识别器 ：输入设备 智能速度控制器 ：执行器
主机系统
以太网交换机
高速以太网 100Mbps
组态、监控 现场信息 控制信息
链接设备：核心 网桥、网关 时间发布 链路调度器
31.25kbps
FF HSE 网络架构（体系结构）
Fra Baidu bibliotek
四、现场总线的特点及优点
特点： – (1)现场总线是现场通信网络 – (2)现场总线是数字通信网络 – (3)现场总线是开放互连网络 – (4)现场总线是现场设备互联网络 – (5)现场总线是结构与功能高度分散的系统 – (6)现场总线是互操作性与互换性网络
五、现场总线的分类 1、按传送的数据宽度划分
– 传感器网络：数据宽度为位（bit）
• 如：AS-i、Seriplex
– 设备总线：数据宽度为字节（byte）
• 如：Interbus、DeviceNet
– 全功能型总线：数据宽度为数据流或数据
2、按应用行业划分
– 过程控制用现场总线
• 如：FF、PROFIBUS-PA
控制器： 主站、从站
人机界面 ： 输入/输出设备 参数、命令、显示
离散量/ 模 拟 量 输入/输 出设备
指示灯： 状态指示
变送器 阀和交流驱动器： 操作员接口 ： 光电传感器： （传感器） 执行器，输出设备 输入操作命令 检测开关 ：输入设备
远程访问路由设备
显示工 作站
上位机：监控
三层网络
信 息 量 减 少
一、工业控制网络的发展过程 1、机械式（液动、气动）仪表
– 3-15psi信号传递（对应于0.2-1.0kgf/cm2） – psi意为磅/平方英寸，气压单位 – 缺点：体积较大，适合单机控制
2、电动仪表
– 使用4-20mA电流环模拟信号 – 缺点：线缆较多
3、CCS（Computer Control System） 中央控制计算机系统
– 楼宇自动化
• 如：LonWorks
– 道路交通工具中用的
• 如：CAN、VAN
– 飞机上用的
• 如：SwiftNet
– 农业、养殖业中用的
• 如：P-Net
– 低压开关设备中用的
• 如：DeviceNet、AS-i等
3、按功能分层
信息层 EtherNet/IP HSE/H2 PROFInet/PROFIBUS-FMS 控制层 ControlNet H1 设备层 DeviceNet RA FF PROFIBUS-PA PROFIBUS-DP PROFIBUS
– 标准形成时间：2001年11月
4、用于道路交通工具进行数字信息交换的 现场总线国际标准
– ISO 11898：高速CAN，125k-1M（bps）
– ISO 11519：低速CAN和VAN，125kbps以下
5、楼宇自动化领域的现场总线国际标准
– 软件构成
• 系统平台软件：
– 网络配置软件：一个平台，实现设备配置、网络组态， 与组态通信软件进行通信 – 通信工具软件：与总线设备间的数据通信 – 监控组态软件：实现监控功能 – 设备编程软件：用户程序的开发平台
• 系统应用软件：
– 系统用户程序软件：实现工艺流程 – 设备接口通信软件：实现总线设备间的通信 – 设备功能软件：实现总线设备功能
– 年代：约1972年
5、DCS（Distributed Control System） 集散控制系统，又称分散控制系统
– 年代：约1976年
6、FCS（Fieldbus Control System） 现场总线控制系统
– 年代：约1994年
总结：
– 现场总线控制系统（FCS）产生的原因
• 生产力水平的发展所要求 • 由简到繁、再由繁到简的螺旋式上升发展过程
– 包括2种类型：
• SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）监视控制与数据采集系统 • DDC（Direct Digital Control）直接数字控制系统
– 年代：约1962年
4、PLC（Programmable Logic Controllers） 可编程逻辑控制器
– 一句话：数字式、开放性、分散性、互操作性与互 换性、对现场环境的适应性
优点： – (1)导线和连接附件大量减少 – (2)仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少 – (3)设计、安装和调试费用大大降低
– – – – – – – –
(4)维护开销大幅度下降 (5)系统可靠性提高 (6)系统测量与控制精度提高 (7)系统具有优异的远程监控功能 (8)系统具有强大的（远程）故障诊断功能 (9)设备配置、网络组态和系统集成方便自由 (10)现场设备更换和系统扩展更为方便 (11)为企业信息系统的构建创造了重要条件
3、用于低压开关设备和控制设备的现场总线国 际标准（Low-Voltage Switchgear and Controlgear）IEC 62026
– 包括4个类型
• AS-i：Actuator Sensor interface，执行器传感器接 口，西门子支持 • DeviceNet：设备网，RA支持 • SDS：Smart Distributed System，智能分布系统， Honeywell支持 • Seriplex：Serial Multiplexed Control Bus，串行多 路控制总线
二、现场总线的概念 安装在制造或过程区域的现场装置与 控制室内的自动控制装置之间的数字式、 串行、多点通信的数据总线。
– IEC 61158 ED1.0中的定义 – 广义理解：
• 可以把现场总线看成是一种网络、一种链路、一 个系统的集成，甚至是一个测控系统。
三、现场总线的软硬件构成
– 硬件构成
• 总线电缆：也叫通信介质、通信媒体 • 总线设备：包括变送器、执行器、控制器等
三种主流现场总线协议簇 六、现场总线的国际标准 1、制定标准的国际组织有：
– IEC（国际电工委员会） – ISO（国际标准化组织） – ITU（国际电信联盟）
2、IEC国际标准的制定过程
– – – – – – – 预备阶段 提案阶段 准备阶段 委员会阶段 征询意见阶段 批准阶段 出版阶段（标志：PPUB，即：Publication Issued， 出版发行即认为国际标准形成）
控制、网关
条形码识别器 ：输入设备 智能速度控制器 ：执行器
主机系统
以太网交换机
高速以太网 100Mbps
组态、监控 现场信息 控制信息
链接设备：核心 网桥、网关 时间发布 链路调度器
31.25kbps
FF HSE 网络架构（体系结构）
Fra Baidu bibliotek
四、现场总线的特点及优点
特点： – (1)现场总线是现场通信网络 – (2)现场总线是数字通信网络 – (3)现场总线是开放互连网络 – (4)现场总线是现场设备互联网络 – (5)现场总线是结构与功能高度分散的系统 – (6)现场总线是互操作性与互换性网络
五、现场总线的分类 1、按传送的数据宽度划分
– 传感器网络：数据宽度为位（bit）
• 如：AS-i、Seriplex
– 设备总线：数据宽度为字节（byte）
• 如：Interbus、DeviceNet
– 全功能型总线：数据宽度为数据流或数据
2、按应用行业划分
– 过程控制用现场总线
• 如：FF、PROFIBUS-PA
控制器： 主站、从站
人机界面 ： 输入/输出设备 参数、命令、显示
离散量/ 模 拟 量 输入/输 出设备
指示灯： 状态指示
变送器 阀和交流驱动器： 操作员接口 ： 光电传感器： （传感器） 执行器，输出设备 输入操作命令 检测开关 ：输入设备
远程访问路由设备
显示工 作站
上位机：监控
三层网络
信 息 量 减 少