认识工业控制网络
工业控制网络知识点总结
工业控制网络知识点总结一、工业控制网络的概念工业控制网络是指用于工业自动化领域的数据通信系统，其目的是实现对生产设备、工艺过程和生产信息的监控和控制。
工控网络主要包括传感器、执行器、PLC、DCS、SCADA系统等组成部分。
工控网络的设计目标是提高生产效率、降低生产成本和提高生产安全性。
二、工业控制网络的特点1. 实时性：工控网络需要能够实时响应生产过程的变化，及时更新数据和控制设备。
2. 可靠性：工控网络对通信的可靠性要求非常高，因为生产过程中可能会遇到各种干扰和故障，需要能够确保数据传输的准确性和完整性。
3. 安全性：工业控制网络需要能够防范各种网络攻击和恶意操作，保证生产过程的安全性和稳定性。
4. 实时性：工控网络需要能够实时响应生产过程的变化，及时更新数据和控制设备。
5. 可扩展性：工控网络需要能够根据生产需求进行扩展和升级，灵活适应不同的生产环境和设备组合。
三、工业控制网络的组成部分1. 传感器和执行器：传感器用于采集环境参数，例如温度、压力、流量等；执行器用于对生产设备进行控制，例如电动阀门、马达、启动器等。
2. PLC（可编程逻辑控制器）：PLC是工控网络的核心设备，用于实现对生产过程的自动控制。
PLC能够根据预先编制的程序对输入信号进行处理，并输出控制指令，实现对执行器的控制。
3. DCS（分布式控制系统）：DCS是用于对生产过程进行集中监控和控制的系统，通常包括多个控制节点和界面站，能够实现对整个生产线的远程控制。
4. SCADA系统：SCADA系统是用于对生产现场进行实时监控和数据采集的系统，能够通过图形界面对生产现场进行动态显示和实时数据查询。
四、工业控制网络的通信协议工业控制网络使用的通信协议通常包括有线和无线两种类型，其中有线协议主要用于固定式设备的数据通信，无线协议主要用于移动设备和无线传感器网络的数据通信。
1. 有线通信协议（1）Profibus：Profibus是一种用于工业自动化领域的现场总线通信协议，适用于实时数据传输和设备控制。
工业控制网络技术基础
工业控制网络技术的发展历程
早期的工业控制网络技术主要基于模 拟信号传输，随着技术的发展，逐渐 演变为数字信号传输。
近年来，随着物联网、云计算和大数 据等技术的快速发展，工业控制网络 技术也得到了不断升级和完善。
工业控制网络技术的应用场景
工业控制网络技术广泛应用于能源、化工、制造、交通等领域的自动化生产过程中。 在智能制造、智能物流、智能监控等领域，工业控制网络技术也发挥着重要作用。
工业控制网络技术基础
• 引言 • 工业控制网络技术基础知识 • 工业控制网络技术实现方式 • 工业控制网络安全防护 • 工业控制网络技术的发展趋势
01
引言
工业控制网络技术的定义
01
工业控制网络技术是指用于连接 和控制工业生产过程中的各种设 备、传感器和执行器的网络技术 。
02
它通过实时、可靠的数据传输和 控制系统，实现了对工业过程的 精确监测和控制，提高了生产效 率和安全性。
工业控制网络的设备
01
02
03
网络交换机
用于连接各个设备和系统， 实现数据传输和通信。
网关
用于实现不同协议之间的 转换，以实现设备和系统 之间的互操作性。
服务器和客户端
用于存储、处理和监控数 据，实现远程管理和控制。
03
工业控制网络技术实现方式
现场总线技术
现场总线技术是工业控制网络 中的重要组成部分，它是一种 用于连接现场设备与控制系统
工业控制网络的通信协议
Modbus协议
一种串行通信协议，用于连接工业电子设备。
EtherNet/IP协议
一种工业以太网协议，支持实时数据传输和设备 管理。
ABCD
Profinet协议
工控网络安全
工控网络安全工控网络安全什么是工控网络安全工控网络安全，即工业控制系统网络安全，是指对工业控制系统网络进行保护和防御，以确保工控系统运行正常、安全可靠的一系列技术和措施。
工控网络安全主要应用于工业控制系统中，包括工厂自动化、能源管理、交通信号控制等领域。
工控网络安全的重要性工控系统通常涉及到对关键基础设施的控制和监控，例如电力系统、水务系统、交通系统等。
如果这些系统受到攻击或者遭到破坏，将会对社会经济发展和人民生活带来极大的影响。
因此，保护工控系统网络的安全对于社会稳定和经济发展具有重要意义。
工控网络安全存在的挑战和威胁1. 高风险：工控系统网络通常面临更高的风险和威胁，包括恶意软件、黑客攻击、网络等。
2. 脆弱性：工控系统网络的脆弱性较高，因为这些系统通常存在安全漏洞，或者过于依赖过时的技术和设备。
3. 隐蔽性：工控系统网络攻击往往具有隐蔽性，攻击者可以隐藏自己的身份，难以被发现和追溯。
4. 可用性：工控系统网络的可用性是一个重要的问题，因为网络安全措施可能会对系统的正常运行产生一定的影响。
工控网络安全的解决方案1. 网络隔离：将工控系统网络与企业内部网络进行隔离，避免攻击从企业网络传播到工控系统网络。
2. 强密码策略：采用强密码策略，包括使用复杂的密码、定期更换密码，并限制密码的使用权限。
3. 安全更新和补丁管理：及时更新和安装工控系统网络的安全补丁和更新，以修补已知的漏洞和弱点。
4. 态势感知和入侵检测：建立有效的态势感知系统和入侵检测系统，及时发现和应对潜在的安全威胁。
5. 安全培训和意识提升：开展安全培训，提高工控系统网络管理员和操作人员的安全意识，防范社会工程学攻击。
6. 安全审计和风险评估：定期进行安全审计和风险评估，发现和修复可能存在的安全漏洞。
工控网络安全的未来发展趋势1. 和机器学习在工控网络安全中的应用将逐渐增加，用于识别和应对新型威胁和攻击。
2. 工控系统网络将更加智能化和自动化，提升对网络安全的响应速度和效率。
工业控制网络与Ethernet和TCPIP技术
工业控制网络与Ethernet和TCP/IP技术1 引言20世纪80年代中期发展起来的现场总线(Fieldbus)技术，由于其适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，促进了目前的自动化仪表、DC S(Distributed Control System) 和PLC等产品所面临的体系结构和功能结构的重大变革，导致工业自动化产品的更新换代，从而给控制领域带来了一场革命。
但是，目前现场总线标准不统一，多种总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能实现相互高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟，难以实现真正的开放性。
而以太网以其低成本、通信速率高、高度开放性的优点逐渐受到人们的关注。
2 以太网技术介绍2.1 以太网技术基础以太网是由DEC、Intel和Xerox三家公司在20世纪70年代开发研制的。
它采用的是载波侦听/冲突检测(CSMA/CD)的多路访问协议。
设计以太网最初是为了使系统能够不局限于某一种传输介质，如光纤、同轴电缆、无线电波,因此取名为以太网。
80年代中期，IEEE在DEC、Intel和Xerox三家公司开发的以太网基础上，制定了802.3LAN标准。
因此，现在有IEEE的802.3LAN标准和DIX II以太网2个标准，但二者差别不大，他们的帧格式如图1所示。
图1 DIX Ethernet数据帧格式在IEEE 802.3标准中，定义目的地址和源地址长度是2字节或者6个字节。
因此帧的长度范围是64-1518个字节。
需要注意的是在实际应用中，目的地址和源地址长度都是6字节，因此帧的实际最小长度为72个字节。
2.2 以太网技术的特点以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，逐渐应用于工业现场。
与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点:(1) 成本低廉目前以太网卡的价格只有Profibus、FF等现场总线网卡的1/10。
(2) 应用广泛以太网可以保证多种开发工具和开发环境可供选择。
工业控制网络
工控机用CP通讯器
CP5613和CP5611的区别： 1、前者有处理器，后者没有。 2、前者可以带更多的负载。
光纤的分类
按照制造光纤所用的材料分类，有石英系光纤， 多组分玻璃光纤，塑料包层石英芯光纤，全塑 料光纤和氟化物光纤等。 按照光在光纤中的传输模式不同，可分为单模 光纤和多模光纤。 多模光纤：中心玻璃芯较粗，可以传输多种模 式的光，但因为其模间色散较大，所以传输距 离比较短，只有几千米。 单模光纤：中心玻璃芯较细，只能传输一种模 式的光，因为其模间色散较小，所以传输距离 比较长，适用于远程通讯。
PROFINET – 获得权威用户的 高度认可
优 势
获得认可
通过使用久经考验的 技术实现安全性
在生产线中应用PROFINET技术的生 在生产线中应用PROFINET技术的生 PROFINET 产企业中的一部分
Profinet
Profinet支持三种通信模 式： 1、TCP/IP标准通信：响 应时间大概在100ms量级， 对于工厂控制级来说已经 足够了。 2、实时通信（RT） ：响 应时间大概在5~10ms左 右。 3、等时同步实时通信 （IRT）：主要用于运动 控制，在100个节点下， 响应时间小于1ms，抖动 误差小于1µs，保证响应 的及时性和确定性。
Profinet
PROFINET 由PROFIBUS国际组织 （PROFIBUS International— PI）推出 新一代基于工业以太网技术的自动化总 线标准。 PROFINET为自动化通信领域提供了一 个完整的解决方案，囊括了诸如：实时 以太网、运动控制、分布式自动化、故 障安全以及网络安全等当前自动化领域 的热点话题。 作为跨供应商的技术，可以完全兼容工 业以太网和现有的现场总线（如： PROFIBUS）技术，保护现有投资。 过程 自动化
工业控制网络
1、工业控制网络技术的特点：（1）具有实时性和时间确定性（2）、信息多为短帧结构且交换频繁 3可靠性和安全性较高 4网络协议简单实用 5网络结构具有分散性 6易于实现与信息网络的集成1、工业控制网络技术包括：1.现场总线技术：一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行双向串行多节点数字通信的技术 2.工业以太网技术：采用与商用以太网兼容的技术，选择适应工业现场环境的产品构建的工业网络2、自动控制系统的发展主要经历了那几个阶段：1 气动信号控制阶段 2 模拟信号控制阶段3 集中式数字控制 4 集散式数字控制 5网络控制3、网络控制系统的优点；1结构简单、安装维护方便 2 信息集成度高3 现场设备测控功能强 4 易于实现远程控制4、控制网络与信息网络的区别：1 控制网络具有较高的数据传输实时性和系统响应实时性2控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性 3 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题5、控制网络和信息网络集成的实现方式：1 采用硬件实现 2采用DDE实现 3采用统一的协议标准实现 4采用数据库访问技术实现 5采用OPC实现第二章CAN （控制器局域网）1、CAN总线特点：1.AN为多主方式工作 2.AN网络上的节点信息分成不同的优先级3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术 4.采用报文滤波 5.直接通信距离可达10km 6结点取决于总线驱动电路 7.采用短帧结构传输时间段抗干扰能力强，有较好的检错结果 8.每次信息都有CRC检验及其他检错措施 9.通信介质可为双绞线，同轴电缆或光线选择灵活 10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能2、CAN通信模型：遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。
数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层3、报文传送类型：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧4、报文结构：1.帧的组成：由7个不同位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束5、错误类型：位错误、填充类型、CRC错误、格式错误、应答错误6、正常位时间组成：分为几个互不重叠的时间段，包括：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段27、显性隐性类：显性“0”状态以大于最小阀值的差分电压表示隐形“1”8、CAN通信控制器：（1）sja1000通信控制器实现了can总线物理层和数据链路成的所有功能。
工业控制网络(现场总线)
工业控制网络（现场总线）
9
ControlNet
ControlNet突出优点 ：
（3）先进的生产者/消费者网络模型，最大 限度地优化了带宽的利用率，并可构成多 主、主/从、对等的通信结构；媒体访问算 法确保了控制信息传送时间的准确性。
（4）ControlNet具有灵活的安装选择，可使 用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有 强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒 体冗余方式。
工业控制网络（现场总线）
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ControlNet
ControlNet的特点、优点与应用
ControlNet网络使用生产者/消费者模型。生产者/消 费者模型允许一个发送设备（生产者）与多个接收 设备（消费者）之间交换时间紧要的应用信息，而 不需将发往多个目的的数据发送多次 。
确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来提高 协议效率。
工业控制网络（现场总线）
5
ControlNet
（4）中继器数目：串行使用，最大支持5个中 继器，连接6个网段；并行使用，最大支持48 个中继器，连接48个网段。
（5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。 （6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电 缆，5000m；使用光纤，30km。
（7）网络节点数：使用中继器，可编址节点 最多为99个；不带中继器，最多48个节点。
工业控制网络（现场总线）
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ControlNet
ControlNet的由来、组织机构与标准
ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997年推出的一种 新的面向控制层的实时性现场总线。
1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发起成立了控制 网国际组织CI（ControlNet International）。
工业控制网络课程设计
工业控制网络课程设计一、教学目标本课程旨在通过学习工业控制网络的基本概念、原理和技术，使学生掌握工业控制网络的基本知识，提高学生分析和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.了解工业控制网络的基本概念和分类；2.掌握工业控制网络的体系结构和工作原理；3.熟悉工业控制网络的主要技术和应用。
4.能够分析工业控制网络系统的组成和功能；5.能够设计和实现简单的工业控制网络系统；6.能够运用所学知识分析和解决工业控制网络实际问题。
情感态度价值观目标：1.培养学生对工业控制网络技术的兴趣和好奇心；2.培养学生团队合作精神和自主学习能力；3.培养学生关注工业控制网络技术的发展和应用，提高学生的社会责任感和创新意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.工业控制网络的基本概念和分类：工业控制网络的定义、分类和特点；2.工业控制网络的体系结构和工作原理：工业控制网络的体系结构、数据传输方式和通信协议；3.工业控制网络的主要技术和应用：工业控制网络的关键技术、常见应用场景和案例分析。
教学内容将按照教材的章节进行安排，每个章节都有相应的教学目标和教学内容，确保学生的学习具有连贯性和系统性。
三、教学方法为了提高教学效果和学生的学习兴趣，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
1.讲授法：通过教师的讲解，使学生了解和掌握工业控制网络的基本概念、原理和技术；2.讨论法：通过小组讨论，培养学生的思考能力和团队合作精神；3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生更好地理解和应用所学知识；4.实验法：通过动手实验，培养学生的实践能力和创新能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的学习材料；2.参考书：提供相关的参考书籍，丰富学生的知识体系；3.多媒体资料：制作课件、教案等多媒体资料，提高教学效果；4.实验设备：准备实验设备，为学生提供实践操作的机会。
工业控制网络
工业控制网络(简称控制网络)是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术，随着自动控制、网络、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断涌现，工业控制网络系统已经成为自动控制系统发展的主流方向，工业控制网络技术在自动控制领域中的作用与日俱增。
它已经成为当今自动控制领域研究的热点，被誉为跨世纪的自控新技术。
工业控制网络能将具有数字通信能力的测控仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，把控制设备连接成相互沟通信息，共同完成自动控制任务的网络系统。
其特点：
●可靠性和安全性高；
●网络协议简单实用；
●网络结构分散性；
●易于实现与信息网络的集成。
认识工业控制网络-PPT资料
工业控制网络技术
认识工业控制网络
早期控制网络——集散控制
集散控制系统自问世以来， 发展异常迅速 ,几经更新 换代，技术性能日臻完善， 并以其技术先进、性能可 靠、构成灵活、操作简便 和价格合理的特点，赢得 了广大用户，巳被广泛应 用于石油、化工、电力、 冶金和轻工等工业领域。
工业控制网络技术
而采用一台计算机工作、另一 台计算机备用的双机双工系统， 或采用常规仪表备用方式，虽 可提高控制系统的可靠性，但 成本太高，如果工厂的生产规 模不大，则经济性更差，用户 难以接受。
认识工业控制网络
早期控制网络——集散控制
1） 集散控制系统产生的背景
20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过 程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、 处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多 种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点， 来克服常规模拟仪表的局限性。
认识工业控制网络
1.1 工业自动控制系统历史
FCS特点： 1）FCS的信号传输实现了全数字化 2）FCS系统结构是全分散式 3）FCS的现场设备具有互操作性 4）FCS的技术和标准实现了全开放 5）FCS的环境适应性与总线供电
工业控制史
现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开 放性远未达到。
工业控制网络技术
认识工业控制网络
1.1 工业自动控制系统历史
集散控制系统目前被广泛的应用，取得了良 好的效果，但是它并未达到完美的程度。
从结构上看，在系统的一个局部，或者子系 统，基本上还是集中式控制，系统分散得不 够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从 根本上得到解决。
现场仍采用模拟信号，电缆较多，成本较高。
1.1 工业自动控制系统历史
工业控制系统与控制网络概述
1.2 工业控制网络发展历程与特点
工业控制网络特点：
系统响应的实 时性 开放性
• 控制系统在较短并且可以预测确定的时间内，完成过程参数的采集、 加工处理、控制运算、反馈执行等完整过程，并且执行时序满足过程 控制对时间限制的要求。 • 指协议的开放，也指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与 遵从。
图5 实例3
10/13
1.3 常见工业控制网络
与现场总线相比，以太网有以下优点：
应用广泛 成本低廉 通信速率高 控制算法简单 软硬件资源丰富 不需要中央控制站 可持续发展潜力大 易于与Internet连接
11/13
1.3 常见工业控制网络
图6 实例4
12/13
1.3 常见工业控制网络
新型控制网络技术－工业无线通信
8/13
1.3 常见工业控制网络
与传统的控制设备相比，FCS有如下特点：
全数字化 可实现分布式测量与控制 双向的数据传输 自诊断 节省布线及控制室空间 仪表功能的多重化 开放性 互操作性 智能化与自治性
9/13
1.3 常见工业控制网络
工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制 中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网会采用 TCP/IP 协议，和 IEEE802.3 标准兼容，但在应用层会加入 各自特有的协议。
7/13
1.3 常见工业控制网络
现场总线—Fieldbus Control System
现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场 设备与控制装置之间实现双向、串行、多节点数字通信的 技术。它由 IEC （国际电工技术委员会）的国际标准化小 组SC65C/WG6定义。
图4 现场总线的体系结构
工业控制网络技术基础
03 工业控制网络的架构与设 计
网络架构选择
星型结构
以中央控制器为核心，其他设 备与中央控制器直接相连，结 构简单，容易实现，但扩展性
差。
环型结构
设备互联构成闭环，数据传输 方向单一，可靠性较高，但扩 展困难，容易出现单点故障。
网状结构
设备之间有多条路径相连，数 据传输灵活，可实现路径优化 ，但配置复杂，成本较高。
树型结构
层次化设计，类似于组织结构 ，易于管理和维护，扩展性好
，适用于大规模网络。
网络拓扑结构
总线型拓扑
星型拓扑
所有设备连接在一条总线上， 结构简单，成本低，但可连 接设备数量有限，传输距离 受限。
以中央设备为核心，其他设 备与中央设备直接相连，易 于扩展和维护，但中央设备 负担较重。
环型拓扑
设备互联构成闭环，数据传 输方向单一，可靠性较高， 但扩展困难，容易出现单点 故障。
工业控制网络技术为智能制造提供了高效、可靠和实时的信息传输，使得生产过程中的各种 数据能够及时反馈给管理者和操作员，以便快速做出决策和调整。
智能制造中的工业控制网络技术还支持自动化生产线和智能设备的集成，提高了生产线的协 同作业能力，减少了人工干预，降低了生产成本。
工业自动化
工业控制网络技术使得自动化设备和系统能够相互连 接和协同工作，实现了对整个生产过程的精确控制和 优化。这有助于提高生产效率、减少能耗和降低生产 成本。
工业控制网络技术基础
目录
• 工业控制网络概述 • 工业控制网络的核心技术 • 工业控制网络的架构与设计 • 工业控制网络的应用场景 • 工业控制网络的未来发展
01 工业控制网络概述
定义与特点
定义
工业控制网络是一种专为工业自动化 应用设计的网络技术，用于连接各种 工业设备、传感器和执行器，实现实 时数据传输和控制。
工业控制网络
☞下图为一个DCS的典型体系结构。按照DCS各组成 部分的功能分布，所有设备分别处于四个不同的层 次，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、 过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的 四层局部网络分别是现场网络 (Field Network ， Fnet)、控制网络 (Control Network，Cnet)、监控网 络 (Supervision Network ， Snet) 和 管 理 网 络 (Management Network，Mnet)。
工业控制网络的特点分析 1.集散控制系统
A/D 转换
变送器
计 算 机
D/A 转换
/执行器 被
控
检测/执
对 象
行元件
计算机集中控制系统结构
工业控制网络的特点分析 1.集散控制系统
工作站
控制单元（控制） …
控制室 现场
集散控制系统结构
工业控制网络技术
集散控制系统
CRT 操作站
临控计算机
数据采集单元 （DAU）
• DCS自问世以来，发展异常 迅速，几经更新换代，技术 性能日臻完善，并以其技术 先进、性能可靠、构成灵活 、操作简便和价格合理的特 点，赢得了广大用户，已被 广泛应用于是有、化工、电 力、冶金和轻工等工业领域
集散控系统的体系结构
☞集散控制系统经过三十多年的发展，其结构不 断更新。随着 DCS 开放性的增强，其层次化 的体系结构特征更加显著，充分体现了DCS集 中管理、分散控制的设计思想。DCS是纵向分 层、横向分散的大型综合控制系统，它以多层 局部网络为依托，将分布在整个企业范围内的 各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实 现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各 种控制、管理及决策任务。
《工业控制网络》课件
无线通信技术是工业控制网络中 的重要组成部分，它利用无线信 号传输信息，实现了设备间的无
线连接和通信。
无线通信技术具有灵活、方便、 可移动等优点，适用于一些复杂
环境和移动设备。
常见的无线通信技术有WiFi、蓝 牙、ZigBee等。
工业控制网络安全技术
01
随着工业控制网络的普及和应用 ，网络安全问题越来越受到关注 。工业控制网络安全技术是保障 工业控制网络安全的重要手段。
特点
实时性、可靠性和安全性是工业控制 网络的重要特点，能够满足工业自动 化领域对快速、准确地传输控制指令 和数据的需求。
工业控制网络的重要性
提高生产效率
促进智能化发展
工业控制网络能够实现设备之间的快 速通信，提高生产效率，降低生产成 本。
工业控制网络的发展推动了工业智能 化的发展，使得工业生产更加自动化 、智能化。
工业以太网技术
工业以太网技术是基于以太网协议的工业控制网络技术，它将传统的以太网技术与 工业控制需求相结合，实现了高速、可靠的信息传输和实时控制。
工业以太网技术具有高带宽、低延时、高可靠性等优点，能够满足现代工业控制系 统的需求。
常见的工业以太网协议有EtherNet/IP、Profinet等。
无线通信技术
AI技术将提升工业控制网络的自适应和自学习能力，优化生产过程，提 高产品质量和降低能耗。
AI技术将增强工业控制网络的预测性和决策性功能，支持智能决策和优 化管理。
工业控制网络的绿色发展
绿色发展是未来工业控制网络的重要趋 势，通过节能减排和资源循环利用，降
低对环境的影响。
工业控制网络将采用更高效、低能耗的 工业控制网络将促进清洁能源的开发和
边缘计算能够将数据处理和分析 的需求从中心服务器转移至设备
第一章 工业控制网络概述
1、工业企业网的产生和发展背景
目前，企业网己渗透到国民经济的各个领域，它的发展和应用， 对企业的产业结构、产品结构、经营管理方式将产生变革性的影 响 它也将成为衡量一个企业科技水平和综合力量的重要标志 企业网的应用不仅可以改造传统产业，提高产品的附加值，而且 对推动企业的发展，促进产业经济信息化也将起到关键性的作用 在各类企业中应用企业网技术将是我国应该长期坚持的方针，企 业网在企业的生存和发展中占有重要的战略地位 从需求上来说，作为企业信息基础设施的企业网越来越被企业所 重视，企业的需要呼唤着企业网的产生和发展
需求背景
在当前市场经济条件下，企业要实现管理现代化，要 在激烈的市场竞争中求得生存和发展,就必须善于收集信 息、处理信息、利用信息，开发信息资源。(企业信息化)
在一个企业的管理过程中，信息是企业预测的基础 ,预测必须以 信息为起点和终点，才能进行分析、演绎和逻辑推理，并进而得 到有用的信息 信息又是企业决策的前提，要使决策者做出正确并切实可行的决 策，就必须及时掌握全面可靠的信息 信息也是指挥和控制生产经营活动的依据，从一定意义上说，企 业生产经营活动的好坏在于管理者驾驭信息能力的强弱 现代社会，充分有效地利用信息资源是一个组织取得成功的重要 条件 企业网作为企业的信息基础设施恰恰适应了这种需要，能够满足 企业对信息的获取、分析和决策的要求
ERP将企业内部所有资源整合在一起，对采购、生产、 成本、库存、分销、运输、财务、人力资源进行规划，从而 达到最佳资源组合，取得最佳效益。ERP, （ Enterprise Resource Planning）的合理运用已经改变了企业运作的面貌。 ERP通过运用最佳业务制度规范（business practice）以及集 成企业关键业务流程(business processes)来发问和提高企业利 润，市场需求反应速度和企业。
工业控制网络实验报告
一、实验目的本次实验旨在了解工业控制网络的基本原理、组成与工作方式，掌握工业控制网络的构建方法，并验证其稳定性和可靠性。
通过实验，提高学生对工业控制网络技术的理解和应用能力。
二、实验原理工业控制网络是一种用于工业现场数据采集、传输、处理和控制的网络系统。
它具有实时性、可靠性和抗干扰性等特点。
常见的工业控制网络有现场总线、工业以太网等。
本次实验以现场总线为例，介绍其基本原理。
三、实验内容1. 实验器材：- 工业控制网络实验箱- 现场总线模块- 控制器模块- 数据采集模块- 电源模块- 连接线2. 实验步骤：（1）搭建现场总线网络：1. 将现场总线模块连接到控制器模块上；2. 将控制器模块连接到数据采集模块上；3. 将电源模块连接到整个实验箱上。
（2）配置现场总线网络参数：1. 设置现场总线模块的通信协议、波特率、数据位、停止位等参数；2. 设置控制器模块的数据采集周期、报警阈值等参数；3. 设置数据采集模块的采集点、报警类型等参数。
（3）运行实验：1. 启动实验箱，观察现场总线网络运行状态；2. 输入模拟信号，观察数据采集模块的采集结果；3. 观察控制器模块的报警情况。
（4）分析实验结果：1. 检查采集到的数据是否符合预期；2. 分析控制器模块的报警原因；3. 评估现场总线网络的稳定性和可靠性。
四、实验结果与分析1. 实验结果：（1）现场总线网络搭建成功，数据采集模块能够实时采集模拟信号；（2）控制器模块能够根据采集到的数据进行报警；（3）现场总线网络稳定运行，抗干扰性能良好。
2. 实验分析：（1）本次实验成功验证了现场总线网络在工业控制中的应用，其实时性、可靠性和抗干扰性等特点在实际生产中具有重要意义；（2）实验过程中，需要注意现场总线网络参数的配置，确保数据采集的准确性和实时性；（3）现场总线网络在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的通信协议和模块，以提高网络的稳定性和可靠性。
五、实验结论本次实验成功搭建了现场总线网络，并验证了其在工业控制中的应用。
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TDC-3000系统构成图
工业控制网络技术
认识工业控制网络
早期控制网络——集散控制
2） 集散控制系统的基本构成
❖ 集中操作管理装置是人与DCS联系的接口，按其功能又可分 为操作员工作站（简称操作站）、工程师工作站（简称工程 师站）和监控计算机（又称上位机）等。通信系统（又称通 信网络）是DCS的中枢，它将DCS的各部分连接起来构成一 个整体。因此，操作员站、工程师站、监控计算机、现场控 制站、数据采集站和通信系统等是构成DCS的最基本部分， 如图所示。
工业控制网络技术
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早期控制网络——集散控制
(3)控制功能丰富
❖ DCS可以进行连续的反馈控制、间断的批量控制 和顺序逻辑控制，可以完成简单控制和复杂的多 变量模型优化控制，可以执行 PID 运算和 Smith 预估补偿等多种控制运算，并具有多种信号报警、 安全联锁保护和自动开停车等功能。
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早期控制网络——集散控制
(2)工程师站
❖ 工程师站用于对DCS进行 离线的组态工作和在线的 系统监督、控制与维护。 工程师能够借助于组态软 件对系统进行离线组态， 并在DCS在线运行时，可 以实时地监视通信网络上 各工作站的运行情况。
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早期控制网络——集散控制
❖ 现场控制站可控制多个回 路，具有极强的运算和控 制功能，能够自主地完成 回路控制任务，实现反馈 控制、逻辑控制、顺序控 制和批量控制等功能。
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早期控制网络——集散控制
(5)数据采集站
❖ 数据采集站通过现场仪表直接与生产过程相连接， 对过程非控制变量进行数据采集和预处理，并对 实时数据进一步加工。
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早期控制网络——集散控制
❖ 1975 年 12 月，美国霍尼威尔 (Honeywell) 公司正 式向市场推出了世界上第一套集散控制系统——TDC2000（Total Distributed Control 2000）系统， 成为最早提出集散控制系统设计思想的开发商。
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1.2 工业控制网络特点
工业控制网络是3C技术——即计算机、通信和控 制（Computer,Communication and Control） 发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智 能化网络发展到现场的结果。 1.应用于工业现场 2.网络节点多为专业设备 3.传输测控数据任务 4.满足对控制的实时性要求 5.满足工厂监控要求
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1.1 工业自动控制系统历史
二、直接数字控制系统（DDC） 20世纪60年代，计算机用到工业控制。
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1.1 工业自动控制系统历史
直接数字控制系统缺点：
❖中心计算机的负担太重，当系统规模扩大 时，实时性不能保证，所以系统规模不能 很大；
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1.1 工业自动控制系统历史
❖FCS特点： 1）FCS的信号传输实现了全数字化 2）FCS系统结构是全分散式 3）FCS的现场设备具有互操作性 4）FCS的技术和标准实现了全开放 5）FCS的环境适应性与总线供电
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1.1 工业自动控制系统历史
❖ 现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开 放性远未达到。
❖各公司的DCS各有各的标准，不能实现互 联。
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1.1 工业自动控制系统历史
四、现场总线控制系统（FCS）
20世纪90年代，采用现场总线作为系统的底 层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备 及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可 以直接进行数字通信。
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❖ 根据“危险分散”的设计思想，过去由一台大型计算机完 成的功能，现在可以由几十台甚至几百台微处理机来完成。
❖ 各微处理机之间可以用通信网络连接起来，从而构成一个 完整的系统。
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早期控制网络——集散控制
❖ 系统中的一台微处理机只需控制几个至几十个回 路，即使某一微处理机发生故障，只影响它所控 制的少数回路，而不会对整个系统造成严重影响， 从而在很大程度上使危险分散。
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早期控制网络——集散控制
1） 集散控制系统产生的背景
❖ 20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过 程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、 处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多 种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点， 来克服常规模拟仪表的局限性。
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早期控制网络——集散控制
❖ 集散控制系统自问世以来， 发展异常迅速 ,几经更新 换代，技术性能日臻完善， 并以其技术先进、性能可 靠、构成灵活、操作简便 和价格合理的特点，赢得 了广大用户，巳被广泛应 用于石油、化工、电力、 冶金和轻工等工业领域。
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❖模拟信号传输，抗干扰能力差；
❖系统功能集中，危险也集中，相当脆弱。
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1.1 工业自动控制系统历史
三、集散控制系统（DCS）
20世纪70年代，又名分布式计算机控制系 统。
核心：“分散控制，集中管理”
它既不同于分散的模拟仪表控制系统， 又不同于集中式直接数字控制系统。
具备通用性、系统组态灵活、控制功能完 备、显示操作集中、人机界面友好、运行安 全可靠的显著特点。
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早期控制网络——集散控制
(2)操作管理便捷
❖ DCS的集中监控管理装置无论采用专用人机接口 系统还是通用PC机系统，操作人员都能通过高分 辨率彩色显示器（CRT or LCD）和操作键盘及鼠 标等，方便的监视生产装置乃至整个工厂的运行 情况，快捷的操控各种机电设备；技术人员可按 预定的控制策略组态不同的控制回路，并调整回 路的某些常数；存储装置可以保存大量的过程历 史信息和系统信息，打印机能打印出各种报告和 报表，适应了现代化生产综合管理的要求。
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❖ 工业控制网络大体分为三个层面 ❖ 集散控制系统 ❖ 现场总线控制系统 ❖ 工业以太网
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早期控制网络——集散控制
❖ 集散控制系统是 20 世纪 70 年代中期发展起来的、以 微处理器为基础的、实行集中管理、分散
控制的计算机控制系统。由于该系统在发展初期 以实行分散控制 为主，因此又称为分散型控制系统或
❖ 而采用一台计算机工作、另一 台计算机备用的双机双工系统， 或采用常规仪表备用方式，虽 可提高控制系统的可靠性，但 成本太高，如果工厂的生产规 模不大，则经济性更差，用户 难以接受。
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早期控制网络——集散控制
❖ 20 世纪 70 年代初，大规模集成电路的问世及微处理器 的诞生，为新型控制系统的研制创造了物质条件。同时， CRT 图形显示技术和数字通信技术的发展，为新型控制 系统的研制提供了技术条件，现代控制理论的发展为新型 控制系统的研制和开发提供了理论依据和技术指导。
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河南工业职业技术学院 电气工程系 袁铸
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1.1 工业自动控制系统历史
工业自动控制系统
一、 模拟仪表控制系统（ACS）
从20世纪50年代，模拟仪表和继电器进 入工业生产领域。
基地式仪表主要对单闭环系统实现较为 简单的控制；
继电器控制电路主要完成逻辑顺序控制。
分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)， 简称为集散系统或DCS。
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早期控制网络——集散控制
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早期控制网络——集散控制
集散控制系统是控制技术 (Control)、计算机技术 (Computer)、通信技术 (Communication)、 阴 极 射 线 管 (CRT) 图 形 显 示 技 术 和 网 络 技 术 (Network)相结合的产物，是一种操作显示集中、 控制功能分散、采用分级分层体系结构、局部网 络通信的计算机综合控制系统，其目的在于控制 或控制管理一个工业生产过程或工厂。
1.1 工业自动控制系统历史
❖ 工业以太网的特点
在工业领域中使用以太网会会带来很多好处：
▪ 使用以太网要比其他现场总线容易
▪ 以太网产品的价格比较低廉，使用以太网会降低 成本
▪ 以太网技术发展迅速，其技术之先进、功能之 强 大是其他现场总线所无法比拟的
▪ 信息集成更加方便
▪ 在工业应用中使用以太网，符合自动化系统的 网络结构扁平化的必然趋势
❖ 一台计算机控制着几十甚至几百个回路，整个生产过 程的监视、操作、报警、控制和管理等功能都集中在 这台计算机上。
❖ 一旦计算机的公共部分发生故障时，轻则造成装置或 整个工厂停工，重则导致设备的损坏甚至发生火灾、
爆炸等恶性事故，这就是所谓“危险集中”。
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Hale Waihona Puke 早期控制网络——集散控制工业控制网络技术
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早期控制网络——集散控制
(1)操作站
❖ 操作站是操作人员对生产过程进行显示、监视、 操作控制和管理的主要设备。操作站提供了良好 的人机交互界面，用以实现集中监视、操作和信 息管理等功能。在有的小DCS中，操作站兼有工 程师站的功能，在操作站上也可以进行系统组态 和维护的部分或全部工作。