自动化系统网络结构I

二、现场总线
• 1、 引言 • 2 、现场总线定义 • 3 、现场总线的特点 • 4 、现场总线用途 • 5 、现场总线的现状和发展趋势 • 6 、主流现场总线简介 • 7、 现场总线应用
1、引言
• 以现场总线为核心连接现场设备的基础自动化系统
2、 现场总线定义
• 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控 制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的 数据总线
• （2）环形拓扑
• 环形拓扑网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一 个封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环 单向或双向传输，其中，双向传输时须考虑路径控制问题。
• 环形拓扑优点主要有： • 1. 电缆长度短。 • 2. 增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作 • 3. 可使用光纤 • 4. 结构简单 • 5. 控制逻辑简单 • 6. 挂接或摘除结点也比较容易 • 7. 系统的初始开发成本以及修改费用较低
• 特性主要包括： • 1. 防火墙吞吐率高达150Mbps • 2. VPN 吞吐率高达100Mbps • 3. 支持并发连接25000个 • 4. 安全过滤带宽为100Mbps • 5. IPSec VPN对为10或25 • 6. SSL VPN对许可证级别为10或25 • 7. 内置一个灵活的8端口10/100快速以太网交换机，其端口能进行动
路 连 接 ， 并 节 点 提 供 相 障 检 测 困 难 ；在 控 制 系 统
构成一个封 同接入；用 网络重新配 中，常应用
闭环
户数据较多 置将终止正 于要求通讯
时 ， 仍 能 保 常操作
可靠性高、
持适当性能
冗余或容错
的网络
拓扑结构 结构特点 优点
缺点
应用领域
星形
依赖集线 方便布线， 需用大量 最常用网
• 总线拓扑结构优点主要有： • 1. 总线结构所需要的电缆数量少 • 2. 总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性 • 3. 易于扩充，增加或减少用户比较方便
• 总线拓扑结构优点主要有： • 1. 总线的传输距离有限，通信范围受到限制 • 2. 故障诊断和隔离较困难 • 3. 分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时
L1操作站
模型Server L1工程师站
……
PLC1
…… PLC n
其它控制器1
WEB Server L1 HMI Server
…… 其它控制器n
……
现场设备1 现场设备2 现场设备3 现场设备4 现场设备5 现场设备6
现场设备i-1 现场设备i
2 、自动化系统常用的网络拓扑结构
• 自动化系统常用的网络拓扑结构主要有星型、环型、总线 型三种
• 特性包括:
成熟的VPN解决方案 网络安全 互连协议 网络协议 应用层协议及业务特性
• 特性包括:
QOS 网络可靠性 系统可靠性 语音特性 简单便捷的网络检测工具 配置管理
• （4）防火墙 • 防火墙指的是一个由软件和硬件设备组合而成，在内部
网和外部网之间、专用网与公共网之间的界面上构造的 保护屏障.是一种获取安全性方法的形象说法 • 防火墙是一种计算机硬件和软件的结合，使网络之间建 立起一个安全网关（Security Gateway），从而保护内 部网免受非法用户的侵入
通信网
适宜于要 性和速率
光传输信
求高速可 要求高的
号
靠通讯的 的局域网
领域
等
• （2）交换机 • 交换机是按照通信两端需要，用自动方法把要传输的信
息送到符合要求网络上的设备。
• 选择交换机时，应把握几个原则： 确定适当的端口数和类型 考虑工作层次 考虑性能档次
• 交换机品牌非常多，国外著名品牌有Cisco、安奈特、 NETGEAR等，国内的如华为、D-LINK、TP-LINK、实达等
10BASE-5 较低
的通信容 传输的信 以及部分
类（粗同
量
号质量比 带宽要求
轴电缆）
较好
高的局域
能到500m
网等
传输介质 特
点 传 输 距 离 传输 速度 通信容量 传输质量 适 用 范 围
双绞线
双绞线有两 较短，一 种基本类型：般不要超 屏蔽双绞线 过100m （STP）、 非屏蔽双绞 线（UTP）， 均由两根绞 在一起的导 线来形成传 输电路
量
量
光纤
光纤具有 距离长， 速度高， 频带宽， 传输衰减 长距离的
园柱形的 可1000m以 有
支持大的 小、能电 高速通讯
形状，由 上
100Mbps、 通信容量 磁隔离、 领域，如
三部分组
1000Mbps，
误码率低 一些骨干
成：纤芯、
广泛用于
等，信号 网应用，
包层和护
高速数据
质量高， 部分可靠
套。采用
有三种： 10Mbps、 100Mbps、 1000Mbps
与同轴电 缆相比， 其带宽受 到限制， 容量较少
UTP类传输 适合中距离 信号较差； （2Km左右） STP类传输 传输，对信 信号较好 号质量没有
过高要求的 领域，如 100Base-T 的局域网
传输介质 特 点 传 输 距 离 传输速度 通 信 容 传 输 质 适 用 范 围
传输介质 特
点 传输 距离 传输 速度 通信容量 传输质量 适 用 范 围
同轴电缆 结构特殊 （多层结 构，有铜 芯、绝缘 层、屏蔽 层、外包 皮）
10BASE-2 能支持 支持连接 具有很强 各种视频
类（细缆）10Mbps， 较多设备，的抗干扰 传输，楼
能到185m；速度相对 以及较大 能力， 宇监控，
• 环形拓扑缺点主要有：
• 1. 节点的故障会引起全网故障
• 2. 故障检测困难
• 3. 环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌 传达式传递的方式，在负载很轻时，信道利用率 相对来说就比较低。
• （3）总线拓扑
• 总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通 过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共 传输媒体即称为总线。有些总线设有通讯控制器，采取集 中控制方式；而有些把通讯控制功能分设在各通讯接口中， 称为发散控制方式
AUX口 (备份)
扩展模块 配置管理
接口
接口来自百度文库
电源 电源接口 开关 (220VAC)
以太网口 以太网口
(输入)
(输出)
同步/异步 接口
• 配置包括： • 1. 提供丰富的接口：2个10/100M自适应RJ45端口，
1个AUX口（备份），1个同步/异步接口，2～3个扩 展模块接口，1个配置管理接口
• 2. 基本配置为：CPU为MPC8245(300MHz),32MB Flash，256MB SDRAM，90～100Kpps(包每秒)转发性 能
功能
• 网络拓扑结构特点的对比与总结
拓扑结构
结构特点
优点
缺点
应用领域
总线型
网 络 上 所 节 省 传 网 络 数 适应对等网络或
有 节 点 连 接 输介质；系 据 大 时 性 小型（10个用户以
在 一 个 信 道 统结构简单；能 下 降 ； 下）基于服务器的
上
总线易于扩 传 输 介 质 网络，大量用在控
• 以TP-Link TL-SG3424型24口全千兆二层交换机为例，介 绍生产自动化系统常用交换机的基本特性:
配置管理 电源 端口 接口 指示灯 指示灯
24个以太网口 （RJ45）
4个光纤口
• TP-Link TL-SG3424型交换机特性主要包括：
• 1. 提供丰富的接口，灵活接入：24个10/100/1000M自适 应RJ45端口，4个千兆SFP（mini GBIC）光纤模块扩展插 槽，1个配置管理接口
态组合，为家庭、企业和互联网流量创建3个独立的无中继支持的虚 拟接口 (VLAN)，以改进网络分区和安全 • 8. 提供两个以太网供电(PoE)端口，简化了配备自动安全IP语音 (VoIP)功能的思科IP电话的部署，以及外部无线接入点的部署，扩展 了网络移动性 • 9. 通过其模块化设计，提供了1个外部扩展插槽和3个USB端口，能在 未来添加更多服务，从而实现了出色的扩展能力和投资保护
• （3） 路由器 • 路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，
以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更 大的网络 • 选择路由器时，应把握几个原则： 确定连接方式 明确应用定位 选择合适端口 明确传输速率 关注控制管理功能 考虑可靠性和安全性
• 以华为Quidway AR28-31型路由器为例，简单介绍一下生 产自动化系统常用路由器的基本特性:
L3
管理/ 决策 商务/ 计划
生产/ 执行
ERP 生产制造执行
• 现场设备与总线级（L0）
• 基础自动化级（L1）
L2
• 过程控制级（L2）
• 制造执行级（L3）
• 企业资源规划级（L4）
L1
生产过程控制 现场控制
过程控制 基础自动化
L0
现场设备与网络
自动化系统的典型网络拓扑
企业自动化系统的结构原理图
展
断开，影 制系统的现场设备
响 面 广 ， 层（L0层），而很
查找问题 少应用于基础自动
困难等 化层（L1层）
拓扑结构 结构特点 优点
缺点
应用领域
环形
网络上所 结构和控 节点的故 适应于令
有 结 点 都 通 制 逻 辑 简 单 ：障 会 引 起 全 牌 型 局 域 网 、
过 点 对 点 链 系 统 为 所 有 网 故 障 、 故 FDDI 或 CDDI 。
自动化系统网络结构
• 一、综述 • 二、现场总线 • 三、基础自动化网络技术 • 四、过程自动化网络技术 • 五、生产制造执行系统简介
一、综述
• 1、企业自动化系统结构 • 2、自动化系统常用的网络拓扑结构 • 3、网络设备
1 、企业自动化系统结构
• 企业信息化和自动化系统 L4 是分层实现的，一般分为 五层结构：
办公终端
L4网络
……
办公终端
互联网
无线网关 无线终端
防火墙与网关
L3网络
L3操作终端
L3操作终端
L3操作终端
……
ERP Server
路由器
L3应用Server L2 操作终端
……
历史数据Server
L2 操作终端
L2 工程师站
数据Server
L2网络
路由器
L1网络 L0网络
L2应用Server
L1操作站
• （1）星形拓扑
• 星形拓扑是由中央节点和通过点到到通信链路接到中央节 点的各个站点组成。星形拓扑结构分为单星形拓扑和双星 形拓扑两种
交换机
交换机1
交换机2
星形拓扑
双星形拓扑
• 星形拓扑结构优点主要有： • 1. 控制简单 • 2. 故障诊断和隔离容易 • 3. 方便服务
• 星形拓扑结构缺点主要有： • 1. 电缆长度和安装工作量可观 • 2. 中央节点的负担较重，形成瓶颈 • 3. 各站点的分布处理能力较低
• 选择防火墙时，应按照以下几个步骤来开展: 做好需求分析 把握基本原则 明确常用指标
• 防火墙产品中，国外主流厂商为思科（Cisco）、 CheckPoint、NetScreen等，国内主流厂商为东软、天融 信、山石网科、网御神州、联想、方正等，它们都提供不 同级别的防火墙产品
• 以CISCO ASA5505型防火墙为例，简单介绍常用企业级防 火墙的基本特性：
电源、状态、运行、 VPN、SSC的指示灯
USB口
端口指示灯
电源接口
8个以太网口 （RJ45）
USB口
配置管理 接口
• 配置包括：
• 1. 提供丰富的接口：8个以太网口(RJ45型)，1个 SSC扩展插槽，3个USB 2.0接口，1个配置管理接口 （RJ45）
• 2. 基本配置为：64MB Flash，256MB SDRAM等
• 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、 双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能化 仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通 信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息 传递问题
器的网络结 系统易于变 传输介质； 络拓扑结构，
构
化和扩展； 中心节点负 在控制系统
集中式监视 担较重，一 应用最为广
和管理；某 旦出问题， 泛，在对网
个 节 点 故 障 ，该 节 点 连 接 络 没 有 特 殊
不影响其它 所有设备均 要求时，一
部分
受影响
般推荐使用
3 、网络设备
• （1）传输介质
• 2. 支持存储转发，交换容量48Gbps，支持8K bits地址表
• 3. 全面的安全防护体系，保障网络长期稳定运行丰富的 QoS策略和ACL访问控制功能，多业务高效融合运作
• 4. 支持端口汇聚和多种生成树协议，提高链路冗余备份 的能力
• 5. 提供Web网管，CLI命令行，SNMP等安全灵活的方式;提 供环回检测、线缆检测、系统日志等功能，维护简单。