第9章—工业控制网络
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
16
9.2.1 现场总线
（2） PROFIBUS协议结构 PROFIBUS协议结构是根据ISO7498 国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型 的。该模型共有七层，如下图所示：
17
FMS
DP
PA
DP行规 用户层 FMS 设备行规
38
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
（1）系统网络结构 网络结构如下图所示：
39
系统网络结构图
40
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
（2）系统组成 1）企业局域网。 2）数据采集监控系统。 ① 基于WinCC的服务器作为主工作站。 ② SIEMENS S7-300 PLC作为从工作站。 ③ PROFIBUS现场总线实现主、从站的连 接。 3）企业信息化交换平台。
15
9.2.1 现场总线
（1） PROFIBUS组成 PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信， 用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。 PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络， 是一个令牌结构的实时多主网络。 PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可 使传感器和执行机构连在一根总线上，并 有本征安全规范。
20
9.2.1 现场总线
（3）PROFIBUS-FMS： 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信 息规范（FMS）和低层接口（LLI），还包括了应 用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通 信服务，而且LLI协调不同的通信关系并提供不依 赖设备的第二层访问接口。 定义了主站和主站之间的通讯模型； 主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数 据交换。
14
9.2.1 现场总线
目前国际上现场总线标准中，应用比较 广泛的有FF、CAN、DEVICENET、 LonWorks、PROFIBUS、HART、InterBus、 CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、 SwiftNet等现场总线。
下面对现场总线 PROFIBUS做简单介 绍。
21
9.2.1 现场总线
3. PROFIBUS网络的构成 PROFIBUS网络通常包括主站、从站、 网络部件及可选的人机界面设备等。
22
9.2.1 现场总线
（1）PROFIBUS主站（一类主站，必需）： SIMATIC PLC； SIMATIC WinAC控制器 支持主站功能的通信处理器； IE/PB链路模块； ET 200S/ET 200X的主站模块。
29
9.3 工业控制网络的实现
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝线控制 系统 9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络集成 技术在制碱厂中的应用
30
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
1、项目介绍 青岛卷烟厂5000KG/H制丝线电控系统 采用基于PROFIBUS总线的SIEMENS公司 产品，建立起功能更完备、控制更精确的 新一代控制系统，达到了较高的控制水平。
1. 定义：
根据国际电工委员会IEC61158标准定 义，现场总线是指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 间数字式、串行、多点通信的数据总线。 基于现场总线的控制系统被称为现场总线 控制系统(Fieldbus Control System, FCS)。
12
现场总线连接示意图
33
卷烟厂制丝线控制系统结构图
34
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
3、系统功能 该系统完成对各工艺分线的生产、运行、控 制，并实现生产过程中各主要工艺参数的精确控 制，主要包括： 1）各设备电机的本地起/停操作控制。 2）工艺线的各种生产控制。 3）各主要设备的不同运行状态控制。 4）各主要工艺参数的精确控制。
网络须解决的几个问题。 了解：结合实例了解工业控制网络的结构。
3
9.1 工业控制网络概述
9.1.1 工业控制网络的特点 9.1.2 工业控制网络的基本模型
4
9.1 工业控制网络概述
工业控制网络的发展： 20世纪60年代，工厂的自动化控制体系初步形成 了。 20世纪70年代中期，集散控制系统(DCS)出现了， 这是工业控制体系结构的一次大变革。 几十年来，DCS不断发展。目前的DCS大量采用 了通信、网络技术的成果，同时，DCS和现场总 线、工业以太网相结合，进行信息互联，构成大 规模的综合控制系统。 现场总线技术和工业以太网技术迅猛发展及广泛 应用。
7
管理信息层
Internet (Intranet ) (Ethernet) 企业内部网 Intranet(Ethernet)
过程控制／监控层
现场控制层
现场总线控制网络
工业控制网络的基本模型
8
9.1.2 工业控制网络的基本模型
一个大型完整企业的工业网络除了包括 工厂现场级的实时控制网络和本地信息处 理网络外，还可能包括企业驻外地机构及 与企业有关部门的其他网络部分。那么企 业工业控制网络的一般实现结构可以用下 图表示：
27
9.2.2 工业以太网
最初以太网在工业领域中应用有以下几方面的局限：
1）以太网采用CSMA／CD数据冲突检测方式，在 网络负荷较重时，网络的确定性未能满足工业控 制的实时要求； 2）以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等 是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣 环境的要求。 3）在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差，若用于 危险场合性能较差。 4）以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性 能。
13
9.2.1 现场总线
2、现场总线协议 由于历史的原因，目前现场总线技术的现状是多种总 线共存，也就是说现存的多种现场总线的协议并未完全统 一。 目前国际上公认的三个标准族： （1）IEC61158标准：由国际电工委员会（IEC）制定的 用于工业控制系统的现场总线标准； （2） IEC62026标准：也是IEC制定的用于低压开关设备 与控制设备、控制器与电气设备接口的； （3） ISO11898：是由国际标准化组织（ISO）制定的用 于道路车辆数字信息交换的现场总线标准。
23
9.2.1 现场总线
（2）PROFIBUS从站 ET200系列分布式I/O； 支持DP接口的传动装置； 支持从站功能的通信处理器； 其他支持DP接口的输入、输出或智能设备。
24
9.2.1 现场总线
（3）PROFIBUS网络部件 通信介质——电缆； 总线部件——总线连接器、中继器、耦合器、链 路 网络转接器——串行通信、以太网、AS-i、EIB系 统。
31
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
2、系统结构 控制系统按功能划分为三个层次：生产 管理层，集中监控层，设备控制层。 （1）最底层(设备控制层) 采用 PROFIBUS总线连接各ET200分布式I/O站、 智能仪表、操作面板等，通过具备现场总 线接口的主控制器（SIEMENS CPU4142DP）实现对各工艺段设备的组合和单机控 制。
36
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
控制站分配如下： 石灰车间：石灰站 重碱车间：碳化站，蒸吸站 煅烧车间：煅烧站 压缩车间：压缩站，盐水站 热电车间：1#锅炉站，2#锅炉站，3#锅炉站，1# 汽机站，2#汽机站 盐硝车间：制盐站，提硝站，冷冻站
37
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
19
9.2.1 现场总线
（2）PROFIBUS-PA： PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议， 还描述了现场设备行为的PA行规； 根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本 征安全性，而且可通过总线给现场设备供电，通 过使用连接器可在DP上扩展PA网络； 其电源和通信数据通过总线并行传输； 主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级 通信。
32
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
（2）中间层(集中监控层) 作为控制系统 的人机交互接口，通过中央监控计算机 (SIEMENS WinCC)实现对生产线的组合操 作、状态监控、更换配方、参数设定和报 警显示、记录等。 （3）最高层(生产管理层) 负责处理全线 运行过程中的综合信息，包括人工检测和 录入工艺、设备、质量等数据，并完整的 统计数据和各种分析图标等。
5
9.1.1 工业控制网络的特点
工业控制网络专用于工业领域，和商业 信息网络比较，具有自身的特殊要求： （1）实时性好 ； （2）可靠性高 ； （3）开放性好 ； （4）结构简单 ； （5）增加用户层。
6
9.1.2 工业控制网络的基本模型
工业控制网络模型从底向）人机界面设备（二类主站，可选） TP/OP设备； 经由通信讯处理器连接到网络的计算机及编程设 备。
25
德国西门子公司PROFIBUS部分网络的构成示意图
26
9.2.2 工业以太网
工业以太网技术是普通以太网技术在工 业控制领域延伸的产物，它是在以太网技 术和TCP／IP技术的基础上开发出来的一种 工业网络。 网络体系结构方面，工业以太网在本质 上仍基于以太网技术(即IEEE802．3标准)。
PA行规 DP扩展功能 DP基本功能
应用层(7) (3)~(6) 数据链路层(2) 物理层(1)
现场总线信息规范 未使用 现场总线数据链路 RS-485/光纤 IEC接口 IEC 1158-2
PROFIBUS协议结构模型
18
9.2.1 现场总线
PROFIBUS协议包括三个主要部分： （1）PROFIBUS-DP： 定义了第一、二层和用户接口，第三到第七层未 加描述； 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用 的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为； 主站和从站之间采用轮循的通信方式； 主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级 通信。
2、系统设计与实现 根据上述要求在选择控制网络的结构时， 着重研究了目前流行的集散控制系统DCS和 现场总线控制系统FCS的优、缺点，从实现 的可能性、性能价格比、维护的方便程度、 系统扩容性等众多方面考查，最后选定FCS， 以PROFIBUS为基础，用SIEMENS的S7-300 系列PLC组成分布式监控网络。
35
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
1、系统要求 某制碱公司控制网络系统将厂区6个生 产车间共14个监测控制点进行组网。近 2000个温度、压力、流量和液面的模拟量 及各种执行结构的开关量及模拟量等测控 点在生产调度中全集中监控；并将监测结 果送中央控制室主计算机。
41
28
9.2.2 工业以太网
工业以太网作为工业环境下的控制网络，须解决 下面几个问题： 1）网络确定性和通信实时性问题。 2）环境的适应性和可靠性问题。 3）总线供电问题。 4）本质安全性问题。 随着网络技术的发展，上述问题正在或已经得到 解决。所以，以太网向现场总线控制系统的底层延伸 是顺理成章的。
Linux操作系统与应用
第9章 工业控制网络
1
第9章 工业控制网络
9.1 工业控制网络概述 9.2 工业控制网络技术 9.3 工业控制网络的实现
2
本章学习要求：
了解：工业控制网络的特点。 掌握：工业控制网络的模型。 掌握：现场总线的基本概念。 了解：现场总线的国际标准。 了解：工业以太网作为工业环境下的控制
9
PC
...
PC 其他网络
Modem 企业驻外机构
Internet
路由器
防火墙 转 接 设 备 Hub
现场 总线 或工 业以 太网
DCS 工业控制计 算机
Hub
PLC
Server
智能仪表 PC . . . PC
10
9.2 工业控制网络技术
9.2.1 现场总线 9.2.2 工业以太网
11
9.2.1 现场总线
9.2.1 现场总线
（2） PROFIBUS协议结构 PROFIBUS协议结构是根据ISO7498 国际标准，以开放式系统互联网络（Open System Interconnection-SIO）作为参考模型 的。该模型共有七层，如下图所示：
17
FMS
DP
PA
DP行规 用户层 FMS 设备行规
38
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
（1）系统网络结构 网络结构如下图所示：
39
系统网络结构图
40
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
（2）系统组成 1）企业局域网。 2）数据采集监控系统。 ① 基于WinCC的服务器作为主工作站。 ② SIEMENS S7-300 PLC作为从工作站。 ③ PROFIBUS现场总线实现主、从站的连 接。 3）企业信息化交换平台。
15
9.2.1 现场总线
（1） PROFIBUS组成 PROFIBUS-DP：是一种高速低成本通信， 用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。 PROFIBUS-FMS：用于车间级监控网络， 是一个令牌结构的实时多主网络。 PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，可 使传感器和执行机构连在一根总线上，并 有本征安全规范。
20
9.2.1 现场总线
（3）PROFIBUS-FMS： 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信 息规范（FMS）和低层接口（LLI），还包括了应 用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通 信服务，而且LLI协调不同的通信关系并提供不依 赖设备的第二层访问接口。 定义了主站和主站之间的通讯模型； 主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数 据交换。
14
9.2.1 现场总线
目前国际上现场总线标准中，应用比较 广泛的有FF、CAN、DEVICENET、 LonWorks、PROFIBUS、HART、InterBus、 CC-Link、ControlNet、WorldFIP、P-Net、 SwiftNet等现场总线。
下面对现场总线 PROFIBUS做简单介 绍。
21
9.2.1 现场总线
3. PROFIBUS网络的构成 PROFIBUS网络通常包括主站、从站、 网络部件及可选的人机界面设备等。
22
9.2.1 现场总线
（1）PROFIBUS主站（一类主站，必需）： SIMATIC PLC； SIMATIC WinAC控制器 支持主站功能的通信处理器； IE/PB链路模块； ET 200S/ET 200X的主站模块。
29
9.3 工业控制网络的实现
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝线控制 系统 9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络集成 技术在制碱厂中的应用
30
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
1、项目介绍 青岛卷烟厂5000KG/H制丝线电控系统 采用基于PROFIBUS总线的SIEMENS公司 产品，建立起功能更完备、控制更精确的 新一代控制系统，达到了较高的控制水平。
1. 定义：
根据国际电工委员会IEC61158标准定 义，现场总线是指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 间数字式、串行、多点通信的数据总线。 基于现场总线的控制系统被称为现场总线 控制系统(Fieldbus Control System, FCS)。
12
现场总线连接示意图
33
卷烟厂制丝线控制系统结构图
34
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
3、系统功能 该系统完成对各工艺分线的生产、运行、控 制，并实现生产过程中各主要工艺参数的精确控 制，主要包括： 1）各设备电机的本地起/停操作控制。 2）工艺线的各种生产控制。 3）各主要设备的不同运行状态控制。 4）各主要工艺参数的精确控制。
网络须解决的几个问题。 了解：结合实例了解工业控制网络的结构。
3
9.1 工业控制网络概述
9.1.1 工业控制网络的特点 9.1.2 工业控制网络的基本模型
4
9.1 工业控制网络概述
工业控制网络的发展： 20世纪60年代，工厂的自动化控制体系初步形成 了。 20世纪70年代中期，集散控制系统(DCS)出现了， 这是工业控制体系结构的一次大变革。 几十年来，DCS不断发展。目前的DCS大量采用 了通信、网络技术的成果，同时，DCS和现场总 线、工业以太网相结合，进行信息互联，构成大 规模的综合控制系统。 现场总线技术和工业以太网技术迅猛发展及广泛 应用。
7
管理信息层
Internet (Intranet ) (Ethernet) 企业内部网 Intranet(Ethernet)
过程控制／监控层
现场控制层
现场总线控制网络
工业控制网络的基本模型
8
9.1.2 工业控制网络的基本模型
一个大型完整企业的工业网络除了包括 工厂现场级的实时控制网络和本地信息处 理网络外，还可能包括企业驻外地机构及 与企业有关部门的其他网络部分。那么企 业工业控制网络的一般实现结构可以用下 图表示：
27
9.2.2 工业以太网
最初以太网在工业领域中应用有以下几方面的局限：
1）以太网采用CSMA／CD数据冲突检测方式，在 网络负荷较重时，网络的确定性未能满足工业控 制的实时要求； 2）以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等 是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣 环境的要求。 3）在工厂环境中，以太网抗干扰性能较差，若用于 危险场合性能较差。 4）以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性 能。
13
9.2.1 现场总线
2、现场总线协议 由于历史的原因，目前现场总线技术的现状是多种总 线共存，也就是说现存的多种现场总线的协议并未完全统 一。 目前国际上公认的三个标准族： （1）IEC61158标准：由国际电工委员会（IEC）制定的 用于工业控制系统的现场总线标准； （2） IEC62026标准：也是IEC制定的用于低压开关设备 与控制设备、控制器与电气设备接口的； （3） ISO11898：是由国际标准化组织（ISO）制定的用 于道路车辆数字信息交换的现场总线标准。
23
9.2.1 现场总线
（2）PROFIBUS从站 ET200系列分布式I/O； 支持DP接口的传动装置； 支持从站功能的通信处理器； 其他支持DP接口的输入、输出或智能设备。
24
9.2.1 现场总线
（3）PROFIBUS网络部件 通信介质——电缆； 总线部件——总线连接器、中继器、耦合器、链 路 网络转接器——串行通信、以太网、AS-i、EIB系 统。
31
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
2、系统结构 控制系统按功能划分为三个层次：生产 管理层，集中监控层，设备控制层。 （1）最底层(设备控制层) 采用 PROFIBUS总线连接各ET200分布式I/O站、 智能仪表、操作面板等，通过具备现场总 线接口的主控制器（SIEMENS CPU4142DP）实现对各工艺段设备的组合和单机控 制。
36
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
控制站分配如下： 石灰车间：石灰站 重碱车间：碳化站，蒸吸站 煅烧车间：煅烧站 压缩车间：压缩站，盐水站 热电车间：1#锅炉站，2#锅炉站，3#锅炉站，1# 汽机站，2#汽机站 盐硝车间：制盐站，提硝站，冷冻站
37
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
19
9.2.1 现场总线
（2）PROFIBUS-PA： PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议， 还描述了现场设备行为的PA行规； 根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本 征安全性，而且可通过总线给现场设备供电，通 过使用连接器可在DP上扩展PA网络； 其电源和通信数据通过总线并行传输； 主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级 通信。
32
9.3.1 基于现场总线技术的卷烟厂制丝 线控制系统
（2）中间层(集中监控层) 作为控制系统 的人机交互接口，通过中央监控计算机 (SIEMENS WinCC)实现对生产线的组合操 作、状态监控、更换配方、参数设定和报 警显示、记录等。 （3）最高层(生产管理层) 负责处理全线 运行过程中的综合信息，包括人工检测和 录入工艺、设备、质量等数据，并完整的 统计数据和各种分析图标等。
5
9.1.1 工业控制网络的特点
工业控制网络专用于工业领域，和商业 信息网络比较，具有自身的特殊要求： （1）实时性好 ； （2）可靠性高 ； （3）开放性好 ； （4）结构简单 ； （5）增加用户层。
6
9.1.2 工业控制网络的基本模型
工业控制网络模型从底向）人机界面设备（二类主站，可选） TP/OP设备； 经由通信讯处理器连接到网络的计算机及编程设 备。
25
德国西门子公司PROFIBUS部分网络的构成示意图
26
9.2.2 工业以太网
工业以太网技术是普通以太网技术在工 业控制领域延伸的产物，它是在以太网技 术和TCP／IP技术的基础上开发出来的一种 工业网络。 网络体系结构方面，工业以太网在本质 上仍基于以太网技术(即IEEE802．3标准)。
PA行规 DP扩展功能 DP基本功能
应用层(7) (3)~(6) 数据链路层(2) 物理层(1)
现场总线信息规范 未使用 现场总线数据链路 RS-485/光纤 IEC接口 IEC 1158-2
PROFIBUS协议结构模型
18
9.2.1 现场总线
PROFIBUS协议包括三个主要部分： （1）PROFIBUS-DP： 定义了第一、二层和用户接口，第三到第七层未 加描述； 用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用 的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUSDP设备的设备行为； 主站和从站之间采用轮循的通信方式； 主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级 通信。
2、系统设计与实现 根据上述要求在选择控制网络的结构时， 着重研究了目前流行的集散控制系统DCS和 现场总线控制系统FCS的优、缺点，从实现 的可能性、性能价格比、维护的方便程度、 系统扩容性等众多方面考查，最后选定FCS， 以PROFIBUS为基础，用SIEMENS的S7-300 系列PLC组成分布式监控网络。
35
9.3.2 现场总线控制系统（FCS）和网络 集成技术在制碱厂中的应用
1、系统要求 某制碱公司控制网络系统将厂区6个生 产车间共14个监测控制点进行组网。近 2000个温度、压力、流量和液面的模拟量 及各种执行结构的开关量及模拟量等测控 点在生产调度中全集中监控；并将监测结 果送中央控制室主计算机。
41
28
9.2.2 工业以太网
工业以太网作为工业环境下的控制网络，须解决 下面几个问题： 1）网络确定性和通信实时性问题。 2）环境的适应性和可靠性问题。 3）总线供电问题。 4）本质安全性问题。 随着网络技术的发展，上述问题正在或已经得到 解决。所以，以太网向现场总线控制系统的底层延伸 是顺理成章的。
Linux操作系统与应用
第9章 工业控制网络
1
第9章 工业控制网络
9.1 工业控制网络概述 9.2 工业控制网络技术 9.3 工业控制网络的实现
2
本章学习要求：
了解：工业控制网络的特点。 掌握：工业控制网络的模型。 掌握：现场总线的基本概念。 了解：现场总线的国际标准。 了解：工业以太网作为工业环境下的控制
9
PC
...
PC 其他网络
Modem 企业驻外机构
Internet
路由器
防火墙 转 接 设 备 Hub
现场 总线 或工 业以 太网
DCS 工业控制计 算机
Hub
PLC
Server
智能仪表 PC . . . PC
10
9.2 工业控制网络技术
9.2.1 现场总线 9.2.2 工业以太网
11
9.2.1 现场总线