第三讲--工业控制网络要点
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➢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。
➢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。
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。
8
Ø 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。
Ø 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。
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
对
检测/执 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
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
☞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)。
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。
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
➢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。
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 （ U S）
系统管理模块 （ SM M ）
局 域 网 络 （ LA N ）
网间连接器 （ GW ）
增强 型操 作站
C RT 显示
器
EO S
C PU DAU
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
➢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。
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”。
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：
Ø 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。
GW
其 他 网 络
多功能控制器 （ M C）
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，百度文库可实现硬件积木化；
（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
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。
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
现 操场 作控 员制 站站 ： : D完 CS核成心操现 运 与作场 算 计员测 器 算量 、 机单 存 的元 储 人器 机交互 工程师站：D对CS进行应用组态和监控 系统网络：连接各桥站梁的
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 。
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
和控制网络的依托，形成了当前意义上的企 业网概念。
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。
• 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
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 ）
10
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。 Ø 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。 Ø 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。
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
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：
一般大 公司内部员工 众
自由 授权
少
多
低
高
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 Ø 可以建立实时信息库有利于决策。 Ø 可以及时交换控制信息和生产信息，有利
于了解生产情况。 Ø 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。 Ø 可以对控制网络进行远程操作，节省资源。 Ø 为企业提供完善的信息资源。
➢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。
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。
➢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。
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。
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Ø 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。
Ø 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。
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
对
检测/执 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
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
☞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)。
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。
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
➢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。
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 （ U S）
系统管理模块 （ SM M ）
局 域 网 络 （ LA N ）
网间连接器 （ GW ）
增强 型操 作站
C RT 显示
器
EO S
C PU DAU
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
➢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。
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”。
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：
Ø 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。
GW
其 他 网 络
多功能控制器 （ M C）
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，百度文库可实现硬件积木化；
（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
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。
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
现 操场 作控 员制 站站 ： : D完 CS核成心操现 运 与作场 算 计员测 器 算量 、 机单 存 的元 储 人器 机交互 工程师站：D对CS进行应用组态和监控 系统网络：连接各桥站梁的
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 。
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
和控制网络的依托，形成了当前意义上的企 业网概念。
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。
• 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
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 ）
10
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。 Ø 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。 Ø 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。
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
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：
一般大 公司内部员工 众
自由 授权
少
多
低
高
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 Ø 可以建立实时信息库有利于决策。 Ø 可以及时交换控制信息和生产信息，有利
于了解生产情况。 Ø 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。 Ø 可以对控制网络进行远程操作，节省资源。 Ø 为企业提供完善的信息资源。
➢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。
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。