电气控制技术 第 3 版 教学课件 ppt 作者李仁 第5章

1、第5章 工业控制网络系统,5.1 工业控制网络和现场总线的体系结构 5.2 工业以太网络和EtherNet/IP 5.3 几种流行的现场总线 5.4 现场总线控制系统应用实例,5.1 工业控制网络和现场总线的体系结构,5.1.1 现场总线 信息技术的飞速发展引起了自动化领域的深刻革命，逐步形成了网络化的、全开放的自动控制体系结构，而现场总线就是这场深刻变革中的最核心的技术。 什么是现场总线？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 SystemFCS）。也有人把它称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络技术，这种技术被广泛应用于制造业、流程工业、楼宇、交通等处的自动化系统中。,5.1.1.1 现场总线的产生,20世纪60年代，过程控制的体系结构是基于420mA的模拟标准信号，出现了模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统。到了20世纪70年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，从而

2、产生了集中式数字控制（又称直接数字控制，Direct Digital ControlDDC），简称集中控制。集中控制以一台控制器为中心，通过扩展I/O接口实现各个传感器、执行器之间的通信。扩展的I/O接口模板按不同的适用总线分成不同的系列，从最初的S-100总线，PC总线到后来被广泛采用的STD总线和Multibus等。集中控制在控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低、易受干扰的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。它的主要缺点是对控制器要求很高，并且一旦控制器瘫痪，会导致整个系统不能工作。,现场总线技术的开发始于20世纪80年代。随着计算机与计算机网络系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大，而处于企业生产过程基层的测控自动化系统，只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了其本身的发展。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的通信系统，构成现场自动化设备之间的多点数字通信的底层网络，实现低层现场设备与外界的信息交

3、换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 目前，本应是唯一的一个标准统一、开放互连的控制通信网络，由于行业、地域、经济利益等多种原因，国际标准化组织、北美、欧洲等许多国家陆续制定了在不同领域的多个颇具影响力的总线标准。,这不是最终要求，人们正期待着统一的国际标准形成。 现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算机和数字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了提供的现场信息内容，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。如图5-1所示，对比集中控制、集散控制、现场总线控制的结构示意图可以看到，由于现场总线强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现设备的互操作性和互换性。,图5-1 集中控制、集散控制、现场总线控制结构示意图 (a) 集中控制 (b) 集散控制 (c) 现场总线控制,现场总线可采用多种途径传输数字信号，如用普通电缆、双绞线、光导纤维、红外线，甚至电力传输线等。一般在

4、由两根普通导线制成的双绞线上，可挂接几十台自控设备。另外，现场总线还支持总线供电，即两根导线在为多台自控设备传送数字信号的同时，还为这些设备传送工作电源。可以看到，采用现场总线具有节省硬件投资节省安装费用节省维护开销的好处。 现场总线作为控制通信网络，所传输的是通断电源、开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的安全，要求信号在有粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时地发送和接收，同时还具有节点分散、报文简短等特征。以现场总线技术为基础构造的现场总线控制系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点或多个网络节点共同完成所要求的自动化功能。,5.1.1.2 现场总线的发展趋势,目前的现场总线国际标准与1984年IEC开始制订现场总线标准时的初衷是相违背的，IEC的最初想法是制定单一的现场总线国际标准。因此，在今后很长一段时间内，现场总线的发展将呈以下趋势： 1.多种总线共存。现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其它一些现场总线，如FF、Profibus、CAN、LonWorks、ControlN

5、et、DeviceNet、WorldFIP等将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争取长补短。 2.每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。如Profibus在出台了适用于分散设备间通过I/O通信的DP型的基础上又开发出PA型，以适用于流程工业和过程自动化系统。 3.大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中扩大影响，以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。,4.每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关，如Profibus以德国西门子公司为主要支持，ControNet以美国罗克韦尔自动化公司为主要背景，WorldFIP以法国Alstom公司为主要后台。 5.大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加24个总线组织。 6.在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。 7.以太网的引入成为新的热点。以太网在没有任何标准化组织支持的情况下，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供货商均提供一个支持传输控制协议/网际协议（Transfer Control Protocol/Internet P

6、rotocolTCP/IP）的以太网接口，如西门子、罗克韦尔自动化、Echelon等公司都有各自的PLC产品，但同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相联结的接口。,5.1.1.3 现场总线的特点,现场总线控制系统既是一个开放的网络通信系统，又是一个全分布的自动控制系统。现场总线技术是以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的一门综合技术。其主要技术特点如下： 1.总线式结构。一对传输线（总线）挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。 2.开放性、互操作性与互换性。现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网，对用户是透明的。 3.完全的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制。提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性。 4.信息综合、组态灵活。通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理以及故障诊断。,5.多种传输介质和拓扑结构。FCS由于采用数字通信方式，因此可用多种传输介质进行通信。 基于现场总线技术的全开放控制系统（FCS）标志着过程控制的新纪元，是对控制系统的结构的根本性

7、变革。,5.1.2 工业控制网络的体系结构,随着计算机网络技术的迅速发展，以现场总线为基础的全数字化自动控制系统是当今世界各国在工业自动化领域关注的热点课题。 （一）工业控制网络的通信问题 在控制系统的通信中，往往要考虑以下几个问题： 1.一个系统的各种设备怎样互连在一起？ 2.怎样保证系统中不同产品间要有可靠的互操作性，怎样保证不同供货商的同类产品具有可互换性？,3.设备之间将要交换什么样类型的数据？是控制数据（如I/O等），还是信息数据（如图文、声音等）。 4.系统需要什么样的容量？ 5.系统怎样被组态？ 6.系统能否在将来可以进一步扩充？,（二）工业控制网络的网络问题 实际情况是，应该根据具体的应用需求来选择不同的网络。这主要体现在不同的应用需求对数据的要求是不同的。在这方面主要考虑如下几个具体问题： 1.对数据量要求的不同。网络上要求传送的数据量可能以兆字节、字节或位来计算。那么应根据数据量的不同，选择不同的网络，也就是主要要考虑网络的带宽问题。,2.对数据类型要求的不同。针对某一具体应用，可能要求支持I/O报文或状态突变的报文，也可能要求支持显式报文，诸如程序的上载/下载、诊

8、断信息等，那么应根据要求的数据类型的不同，考虑所选网络是否满足要求。 3.对网络性能要求的不同。可能要求网络主要处理高速离散量或者模拟量，对工业控制网络又特别要求确定性和可重复性，所以必须考虑所选网络是否满足实时性、可扩展性等性能要求。 （三）工业控制网络的体系结构实例 现场总线把分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们联结成可以互相沟通的信息，并可共同完成自控任务的网络系统与控制系统。如一种三层网络结构的工业控制网络体系，即设备层、控制层和信息层的体系，如图5-2所示。在这个体系中，数据可以双向流通，层与层之间可以交换数据，对于某一具体应用可以选择其中某层或者某几层。,图5-2三层网络体系的工业控制网络,1.信息层 信息层一般使用以太网技术，它是一个开放的、全球公认的用于信息层互连的标准。这一层网络关注的焦点是高速的报文传送和高容量的数据共享。以太网（Ethernet）联结数据高速公路、远程I/O和厂区通信网络，执行TCP/IP。 信息层利用成熟的以太网技术和数据库实现系统信息的集成。在信息层可以通过以太网TCP/IP连通可编程序控制器、网关、人机接口和软件至信息系统

9、。 2.控制层 控制层对网络的要求除了开放性以外，还包括如下几点：支持I/O报文、显式报文的传输和诊断功能；能够设置信息的优先级；支持多主机、广播式和点对点的通信方式。此层网络关注的焦点是高速I/O报文和显式报文的传送、有效地数据共享、确定性和可重复性。,控制层使用高速确定性网络现场总线技术，用于PLC与计算机之间的通信网络。它可联结串并行设备、PC、人机界面等，传输速率可达到几Mbit/s十几Mbit/s，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务，对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信、报文传送和编程操作，均具有相同的带宽。对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性功能。,3.设备层 设备层有类似于控制层的要求，对网络的要求是开放的技术，支持I/O报文、显式报文的传输等。设备层由于面向更底层的传感器和执行器等，所以强调降低安装费用、减小系统调试时间，对传输速率的要求就不像控制层那样高。 设备层使用开放的网络现场总线技术，是用于PLC与现场设备之间的通信网络。它可联结开关、变频器、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为达到几十kbit/s几百kbit/s，可挂接几十个节点。通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连。它允许用一根电缆去联结几百米以内的设备包括用户的可编程序控制器，无需用导线把每一个设备和一个I/O机架联结起来。,5.2 工业以太网络和EtherNet/IP,在工业应用中，使用以太网和TCP/IP的结果是多种工业以太网的开发成功，其中之一就是EtherNet/IP。EtherNet/IP名称中的“IP”是工业协议（Industrial Protocol）的缩写，它是一应用层使用CIP的工业以太网。 5.2.1 工业以太网 所谓工业以太网，就是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种工业网络，它符合IEEE802.3标准。目前，工业以太网的应用已经遍布全世界，覆盖各种不同的工业应用，无论需要多高的质量或完成多复杂的工业过程，工业以太网提供强有力的单元层网络。,目前，有影响的工业以太网有基金会现场总线高速以太网（Foundation Fieldbus High-Speed EthernetFFHSE）、EtherNet/IP

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