工业控制网络..

➢归纳起来，现场控制级设备的任务主要有以下几个 方面。一是完成过程数据采集与处理。二是直接输 出操作命令、实现分散控制。三是完成与上级设备 的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现 场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。 ➢现场网络与各类现场传感器、变送器和执行器相连 ，以实现对生产过程的监测与控制。同时与过程控 制级的计算机相连，接收上层的管理信息，传递装 置的实时数据。
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工业控制网络的特点分析 1.集散控制系统
A/D 转换 D/A 转换 变送器 /执行器 检测/执 行元件
计 算 机
被 控 对 象
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
高速数据总线 （HW） 数据采集单元 （DAU） 过程控制单元 （PCU）
第一代DCS结构
3.2 工业控制网络技术
集散控制系统
主计算机 （HC） 通过操作站 （US） 系统管理模块 （SMM）
局域网络（LAN）
网间连接器 （GW） 增强 型操 作站 CRT 显示 器 EOS CPU
GW
多功能控制器 （MC）
工业控制网络
工业控制网络一般用来处理现场实时的测控信息,是 网络控制系统进行实时控制信息处理的数据流通 道。它是工业企业网络的一个重要部分（另一部 分是信息网络）。 按照工业自动化与信息化层次模型，控制网络 可以分为两类： 设备层网络，如 Profibus等 面向自动化的主干控制网络
工业控制网与企业网 工业控制网络是网络技术在工业控制领域中的 具体应用，是工业企业网中的一个重要组成部分。 工业网络的结构一般可以分为上层的信息网和下 层的控制网。有如下三种常见的体系结构： 信息网络与控制网络统一组网，再与现场 总线互联构成工业企业网。如图所示。
什么是Extranet、Intranet、 Infranet ？
Extranet（外联网）是一个使用Internet/Intranet技术使 企业与其客户、其他企业相连来完成其共同目标的合作 网络。它通过存取权限的控制，允许合法使用者存取远 程公司的内部网络资源，达到企业与企业间资源共享的 目的。 Intranet（企业内部网）与Internet相比，Internet是面向 全球的网络，而Intranet则是Internet 技术在企业机构内部 的实现,它能够以极少的成本和时间将一个企业内部的大 量信息资源高效合理地传递到每个人。Intranet为企业提 供了一种能充分利用通讯线路、经济而有效地建立企业 内联网的方案
• 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。
➢现场网络的信息传递有三种方式，一种是传统 的模拟信号 传输方式，第二种是全数字信号（ 现场总线信号）传输方式；第三种是混合信号 （如在 模拟量信号上，叠加调制后的数字量信 号）传输方式。现场信息以现场总线为基础的 全数字传输是今后的发展方向。
2.过程控制级
➢过程控制级主要由过程控制站、数据采集站和 现场总线接口等构成。 ➢过程控制站接收现场控制级设备送来的信号， 按照预定的控制规律进行运算，并将运算结果 作为控制信号，送回到现场的执行器中去。过 程控制站可以同时实现反馈控制、逻辑控制或 顺序控制等功能。
2）特点 ①要求节点有较高的实时性。 ②容错能力强，有较高的可靠性和安全性。 ③控制网络协议实用、简单、可靠以及结构的分散 性。 ④现场控制设备的智能化和功能自治性。 ⑤网络数据传输量小和节点处理能力需要减小。 ⑥性能价格比高。
3）应用
①Internet对传统控制系统的影响 ②Infranet和 Intranet与现场总线的结合 目前控制系统的设计思想已经趋向于网络化、分散化、 开放性等。网络上的节点不仅有计算机、工作站，还有 智能测控仪表。当传统DCS逐渐走向基于现场总线的 Infranet之后，就可能建立Internet的新型网络结构，通 过网络互连的控制系统功能将远远大于系统中独立个体 功能的总和，我们把这种强大的网络结构称为“网络的 网络”。
集散控制系统DCS
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。它是计算机（Computer）、通信（ Communication）、 CRT和控制（Control）技术发 展的产物。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分布式系统（ Distributed Control System，DCS），简称为集散系 统或DCS
集散控制系统的体系结构
DCS的构成与联系 一.DCS硬件基本构成
运算器、存储器 现场控制站: DCS核心 现场测量单元 与计算机的人机交互 操作员站：完成操作员 工程师站：对DCS进行应用组态和监控 桥梁 系统网络：连接各站的
1.现场控制级
➢现场控制级设备直接与生产过程相连，是DCS的基础。 典型的现场控制级设备是各类传感器、变送器和执行器 。它们将生产过程中的各种工艺变量转换为适宜于计算 机接收的电信号，送往过程控制站或数据采集站；过程 控制站又将输出的控制器信号送到现场控制级设备，以 驱动控制阀或变频调速装置等，实现对生产过程的控制 。
一般大 众 自由 少 低 高
公司内部员工 授权 多 高 较低
公司内部员工、顾客、战 略联盟厂商 授权 中等 中等 较高
控制网络与信息网络的互连 1）必要性 可以建立实时信息库有利于决策。 可以及时交换控制信息和生产信息，有利 于了解生产情况。 建立分布式数据库有利于保证数据的一致 性完整性和互操作性。 可以对控制网络进行远程操作，节省资源。 为企业提供完善的信息资源。
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现场设备的控制采用嵌入式系统加以实现，该嵌入 式系统具有网络通信能力的接口，能够实现与控制 网的信息交换，而控制网与信息网统一构建组网形 成工业企业网。如图 所示。
现场总线与内联网集成。在该方案中，动态数据库 一方面根据现场信息，动态地修改自身的数据；另 一方面接收监控站的控制信息对其进行处理并送往 现场。同时，为了保证控制的实时性，控制信息也 可 直 接 下 送 至 现 场 。 如 图 所 示 。
➢数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送来 的信号，并对其进行必要的转换和处理之后送到集散控 制系统中的其他工作站（如过程管理级设备）。数据采 集站接收大量的非控制过程信息，并通过过程管理级设 备传递给运行人员，它不直接完成控制功能。 ➢在DCS的监控网络上可以挂接现场总线服务器 (Fieldbus Server ， FS) ，实现 DCS 网络与现场总线的集成。现场 总线服务器是一台安装了现场总线接口卡与 DCS监控网 络接口卡的完整的计算机。现场设备中的输入、输出、 运算、控制等功能模块，可以在现场总线上独立构成控 制回路，不必借用DCS控制站的功能。
其 他 网 络
DAU
图 3-5 第二代DCS结构
3.2 工业控制网络技术
集散控制系统
经营管理级
生产管理级
控制管理级
过程控制级
与一般的计算机控制系统相比， DCS具有以下特点： （1）松耦合的多处理器系统， 可实现硬件积木化； （2）软件模块化； （3）控制系统用组态方法生成； （4）通信网络的应用； （5）可靠性高。 第三代DCS的四个层次
工业企业网的发展历程 工业企业网的发展有三个阶段：
1. 20世纪 70年代中期开始，企业网只是指企业中传统 的分时共享中心主机及其各终端所构成的网络，基 本上只限于作业处理，其功能和应用是有限的。 2. 随着局域网技术的发展，企业内不仅中小型计算机 而且微型计算机也能够被连入网络，共享信息与资 源，其功能有了很大的扩展。而且由于工业以太网、 集散控制系统以及可编程序控制器的产生和发展， 工业企业内的现场控制设备也被集成到一起，使得 企业网发展到了一个新阶段。
工业企业网的基本概念和特性
工业企业网（Enterprise Network）目前尚无统一定义。 一般是指在一个工业企业范围内将实现信号检测、控制 以及数据传递、处理与计算的设备、装置或系统连接在 一起，以实现企业内的资源共享、信息管理、过程控制、 经营决策，并能够访问企业外的信息资源，使得各项事 务协调运作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络 环境。 工业企业网有很多的特性，如：范围确定性、集成性、 安全性以及相对开放性等等。
工业企业网的发展有三个阶段(续) • 从 20世纪 90年代开始，由于 Internet技术的 成熟和迅速推广，出现了 Intranet的概念，进 而在 Intranet的基础上又出现了 Extranet（外 联网）和基础网的概念，而且现场总线技术 也越来越为人们所接受，并被普遍用于过程 自动化、制造自动化、楼宇自动化等系统之 中，于是便分别以Infranet或Extranet技术和 现场总线技术（或工业以太网）为信息网络 和控制网络的依托，形成了当前意义上的企 业网概念。
Infranet（基础网）是一个通用的、公共的、数据包交换网络补 充设施，为企业和高要求的私人用户提供一个高安全性、灵活性 和高质量服务的网络环境。 Internet与Intranet及Extranet的比较：
Internet Intranet Extranet
参与人员 存取模式 可用带宽 隐私性 安全性需求
☞ 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)。
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典型工业企业网
工业企业网的产生和发展背景 工业企业网的产生和发展是需求拉动和技术推动的结 果。 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，企业的需求呼唤着企业网的 产生和发展。 从技术上来说，飞速发展的计算机技术、网络与 通信技术和控制技术推动着企业网技术的产生和发 展。工业企业网正是这3种技术在企业中的融合和应 用。
1.工业控制的需求？
2. 问什么要研究工业控制网络？
节省成本的潜力
安装 节省 • 电线 • PLC I/O板 • 安装元件（Ex-/电流隔离器等） • 排列机架 • 空间 • 减少错误 • 减少安装时间 5
工业控制网络的发展
工业控制网络技术是在工业生产的现代化要求情 况下提出来的，与计算机技术、控制技术和网络技 术的发展密切相关。 随着网络技术的发展，Internet正在把全世界的计算 机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公 路，形成公用数据网络。在此基础上，传统的工业 控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网 络化方向发展，形成了新的控制网络。
工业控制网络技术
学习重点
工业控制网络是一种涉及局域网、广域网、分布 式计算等多方面技术的网络，在工业自动化领域中还 包含现场检测和控制系统。作为一种综合应用的网络 技术，工业控制网络的特点是要适应各类工业企业的 不同应用需求，并确定各具应用特色的技术实现方案。 本章重点对对工业控制网络中的集散控制系统、现场 控制系统、工业以太网的网络组成及工作原理进行论 述。