工业数据通信与控制网络.ppt

1、工业数据通信与控制网络,研究简介,实验室简介,研究简介与追梦,研究简介：http:/ http:/ 请有意愿从事相关研究，并且有梦想的同学与王老师联系，燃烧你的青春和岁月，我们一起实现你的梦想。,问题：,为什么学习这门课程？ 为什么学？ 目的通过这门课程能学到什么？学什么？ 内容怎样学习这门课程？怎样学？ 方法,为什么学？,工业控制网络是自动化领域当前和今后的发展热点，被誉为自动化领域的计算机局域网。 数字化设备开发 自动化设备（如PLC、智能仪表）使用 自动化系统集成,目的,掌握现场总线、工业以太网的概念。学会选择现场总线应用。学会设计现场总线节点。推动新型的现场总线（中国几家公司已经提出相

2、关的工业以太网方案）。,工业控制网络的概念、组成、特点、优点 Modbus现场总线的标准及应用 PROFIBUS现场总线的标准及应用 CAN总线标准及应用 DeviceNet现场总线的标准及应用 CANopen现场总线的标准及应用 工业以太网标准及应用,内容,理论与实践相结合 理论40学时 课下动手实践 听课与自学相结合 课程特点：知识点多、交叉性强 课堂：基础、重点、难点 课程设计：设计实现 自学：拓展知识面、接触其他具体现场总线,方法,网络化控制系统现场总线技术 阳宪惠 清华大学出版社 现场总线技术及其应用（第2版） 阳宪惠 清华大学出版社 现场总线及其应用技术 李正军 机械工业出版社 现

3、场总线工业控制网络技术夏继强，刑春香 北京航空航天出版社 现场总线控制系统的设计和开发邹益仁，马增良，蒲维 国防工业出版社,参考书：,教材：工业控制网络王振力 人民邮电出版社,平时：30 考试：70,作业：20,小作业：完成课程相关内容任务,出勤、提问：10,考试（闭卷）,课堂测试,考试内容：教材+PPT，全部为讲过的内容； 规则：凡是发现作弊，直接判0分。,考核方式：,编号,目标,第1章 绪论,1.1 工业自动控制系统历史 1.2 工业控制网络特点 1.3 传统控制网络现场总线 1.4 现代控制网络工业以太网 1.5 常用工业控制网络介绍 1.6 工业控制网络发展趋势,1.1 工业自动控制系

4、统历史,工业化大生产 “工业革命” 一、 模拟仪表控制系统（ACS）从20世纪50年代，模拟仪表和继电器进入工业生产领域。基地式仪表主要对单闭环系统实现较为简单的控制；继电器控制电路主要完成逻辑顺序控制。,1.1 工业自动控制系统历史,二、直接数字控制系统（DDC）20世纪60年代，计算机用到工业控制。,1.1 工业自动控制系统历史,直接数字控制系统缺点： 中心计算机的负担太重，当系统规模扩大时，实时性不能保证，所以系统规模不能很大； 模拟信号传输，抗干扰能力差； 系统功能集中，危险也集中，相当脆弱。,1.1 工业自动控制系统历史,三、集散控制系统（DCS）20世纪70年代，又名分布式计算机控

5、制系统。核心：“分散控制，集中管理”它既不同于分散的模拟仪表控制系统，又不同于集中式直接数字控制系统。具备通用性、系统组态灵活、控制功能完备、显示操作集中、人机界面友好、运行安全可靠的显著特点。,1.1 工业自动控制系统历史,1.1 工业自动控制系统历史,集散控制系统目前被广泛地应用，取得了良好的效果，但是它并未达到完美的程度。 从结构上看，在系统的一个局部，或者子系统，基本上还是集中式控制，系统分散得不够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从根本上得到解决。 现场仍采用模拟信号，电缆较多，成本较高。 各公司的DCS各有各的标准，不能实现互联。,1.1 工业自动控制系统历史,四、现场总线控制系统

6、（FCS）20世纪90年代，采用现场总线作为系统的底层控制网络，沟通生产过程现场仪表、控制设备及其与更高控制管理层次之间的联系，相互间可以直接进行数字通信。,1.1 工业自动控制系统历史,FCS特点：1）FCS的信号传输实现了全数字化2）FCS系统结构是全分散式3）FCS的现场设备具有互操作性4）FCS的技术和标准实现了全开放5）FCS的环境适应性与总线供电,1.1 工业自动控制系统历史,1.1 工业自动控制系统历史,现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开放性远未达到。 将以太网应用于工业自动控制系统的呼声越来越高，也就是使得控制和管理系统中的信息无缝衔接，真正实现“一网到底”。 工业以太

7、网,1.2 工业控制网络特点,工业控制网络是3C技术即计算机、通信和控制（Computer,Communication and Control）发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化、智能化网络发展到现场的结果。 应用于工业现场 网络节点多为专业设备 传输测控数据任务 满足对控制的实时性要求 满足工厂监控要求,1.3 传统控制网络现场总线,一、现场总线的定义国际电工委员会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。,1.3 传统控制网络现场总线,二、现场总线的发展历程 1983年，德国Bosch公司研究CAN

8、总线协议； 1984年，美国仪表学会ISA/SP50开始制定现场总线标准； 1985年，国际电工委员会 开始制定现场总线体系结构与标准； 1986年，德国开始制定PROFIBUS； 1992年，ISP（可互操作系统规划）组织，以德国标准PROFIBUS 为基础制定现场总线标准；,1.3 传统控制网络现场总线,二、现场总线的发展历程 1993年，WordFIP组织，以法国标准FIP为基础制定的现场总线； 1994年，ISPF和WordFIP握手言和，成立了现场总线基金会（Fieldbus Foundation）组织 ，推出了低速总线H1和高速总线H2。 1999年底，包含8种现场总线标准在内的国

9、际标准IEC61158开始生效，除FF H1、H2和PROFIBUS外，还有WorldFIP、Interbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet等五种。,1.3 传统控制网络现场总线,1.3 传统控制网络现场总线,诞生于不同领域的总线技术往往对某一特定领域的适用性就好一些。 PROFIBUS适合于工厂自动化 CAN适用于汽车工业 FF总线适用于过程控制 LonWorks适用于楼宇自动化 SwiftNet适用于飞机制造 P-NET适用于农业,1.3 传统控制网络现场总线,三、现场总线国际标准 ISO11898和ISO11519 ISO11898：道路交通工具（Road Vehi

10、cle）数字信息交换（Interchange of digital information）用于高速通信（For high-speed communication）的控制器局域网（CAN） ； ISO11519：低速CAN和VAN的标准。,1.3 传统控制网络现场总线,2. IEC61158 国际电工委员会/国际标准协会（IEC/ISA）自1984年起现场总线标准工作，但统一的标准至今仍未完成。 技术原因。目前尚没有一种现场总线对所有应用领域在技术上都是最优的。 利益驱动。导致自动化行业形成多种总线技术标准并存现状。,1.3 传统控制网络现场总线,IEC61158第2版的现场总线有以下8种类型

11、：,1.3 传统控制网络现场总线,3. IEC62026IEC62026为低压开关设备和控制设备的现场总线。 （1）IEC62026-1-2007 总则； （2）IEC62026-2-2008 执行器传感器接口(AS-i)； （3）IEC62026-3-2008 DeviceNet； （4）IEC62026-7-2010 混合网络。LonWorks、SDS和Seriplex现已作废。,1.3 传统控制网络现场总线,1.4 现代控制网络工业以太网,一、工业以太网定义 应用于工业自动化领域的以太网技术 以太网（Ethernet）由Xerox、DEC、Intel联合推出的局域网物理层与数据链路层规范

12、。电子电气工程师协会在此基础上制定了局域网标准IEEE802.3，已成为信息网络的实际标准。 工业以太网一般是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计、材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。,1.4 现代控制网络工业以太网,二、工业以太网的优势 应用广泛 成本低廉 通信速率高 软硬件资源丰富 可持续发展能力强 易于实现管控一体化,1.4 现代控制网络工业以太网,三、工业以太网存在的不足 实时性问题 可靠性问题 安全性问题 总线供电问题,1.4 现代控制网络工业以太网,四、工业以太网标准IEC/SC65C在IEC61158的基础

13、上制定的实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2 PAS文件。 （1） Ethernet/IP 美 罗克韦尔 （2） PROFINET 德 西门子 （3） P-NET on IP 丹麦 Process Data （4） Interbus TCP/IP 德 菲尼克斯 （5）VNET/IP 日 横河,1.4 现代控制网络工业以太网,（6）TCnet 日 东芝 （7）EtherCAT 德 倍福 （8） Ethernet Powerlink 奥地利 B&R（开源） （9） EPA 中 浙大中控 （10） Modbus-RTPS 法 施耐德&IDA （11） SERCOS-III 运动控制国际标准

14、工业以太网主要分为与现场总线配合使用、公司专用、行业专用等类型。,1.5 常用工业控制网络介绍,一、基金会现场总线FF 现场总线基金会FF的目标是促进产生一个单一的国际现场总线标准。 FF发布了低速总线H1、高速总线H2两个标准。 FF在OSI模型之外增加了一个用户层，使该标准超过一项通信标准，成为一项系统标准，这也是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,二、PROFIBUSPROFIBUS协议能够提供制造业自动化、工程自动化、楼宇自动化以及电力自动化完整解决方案的唯一的现场总线系统。AS-i被公认为是一种最好的、最简单的和成本

15、最低的底层现场总线，它通过高柔性和高可靠性的单电缆把现场具有通信能力的传感器和执行器方便地连接起来，组成AS-i网络。,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,三、CIP CIP（Commmon Industrail Protocol通用工业协议）是一种为工业应用开发的应用层协议， 被DeviceNet、ControllNet、EtherNet/IP三种网络所采用，因此这三种网络相应地统称为CIP网络。 一般设备层网络为DeviceNet，控制层网络为 ControlNet、信息层网络为 EtherNet/IP。,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,

16、四、ModbusModbus是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，它是于1979年由莫迪康（Modicon）公司发明的。Modbus标准完全开放，用户可以免费使用。 Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485、以太网等。,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,五、CAN总线 CAN是Controller Area Net的缩写，即控制器局部网，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。 CAN是由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的。 CAN已经成为一种国际标准（ISO-11898），是几种最有前途的现场总线之一。 用CAN做工

17、程最大的特点，就是启动成本低。,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,六、LONWORKSLON是Local Operating Network的缩写，即局部操作网络。LONWORKS为美国Echelon公司推出，它是一种功能全面的控制网络，对于工厂及车间的环境、安全、保卫、报警过程、动力分配、给水控制、库房或材料管理等等，可以用LONWORKS组建一个综合性、分布式测控网络。,1.5 常用工业控制网络介绍,LONWORKS的技术特点： (1) 开放性，网络协议开放，对任何用户平等。 (2) 通讯介质开放，可在任何通讯介质下通讯。 (3) 互

18、操作性，通讯协议LONTalk是符合国际标准化组织(ISO)定义的开放系统互连(OSI)模型。 (4) LONWORKS网络通讯采用了“网络变量”，使网络通讯的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。 (5) 通信的每帧有效字节数，可以从0到228自定义。,1.5 常用工业控制网络介绍,(6) 通信速度可达1.25Mbit/s此时有效距离为130m。一个测控网络上的节点数，可达32000个。直接通信距离长达2700m（双绞线，78Kbit/s）。 (7) LONWORKS的基本元件叫做Neuron（神经元芯片），这个芯片中有3个8位CPU：第一个CPU为介质访问控制处理器；第二个CPU为网络

19、处理器，处理LONTalk协议第三到第六层；第三个CPU是应用处理器，它执行由用户编写的代码及用户的代码所调用的操作系统。,1.5 常用工业控制网络介绍,1.5 常用工业控制网络介绍,七、HART总线 HART（Highway Addressable Remote Transducer）可寻址远程传感器高速数据通道。 HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信。 HART协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层。,1.5 常用工业控制网络介绍,主要特征： (1) 物理层：采用基于Bell202通信标准的FSK技术。 (2)

20、数据链路层：数据帧长度不固定，最长25个字节。寻址范围015。 (3) 应用层：规定了三类命令，第一类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。,1.6 工业控制网络发展趋势,（1）提高通信的实时性 （2）提高通信可靠性 （3）提高通信安全性 （4）多现场总线集成 （5）无线网络应用,应用案例简介,应用案例简介,应用案例简介,研制的多种型号航空蓄电池系统性能检测维护设备、工况模拟设备，已在中国飞行试验研究院、国营132厂、国营611所和国营756厂等单位应用；,研制的48VAGV车BM

21、S模块、5A双向多通道主动均衡BMS系统，已应用于国营756厂、韩国企业；,本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽控制与网络方面的知识面 课程的教学环节 课堂学习、自学、讨论、设计、报告总结、考试 课堂学习网络与通信基础、现场总线的技术特点、应用系统 进行PROFIBUS、工业以太网、组网通信等设计 课程几个教学环节考查结果的综合,小结：,作业：,名词解释：现场总线、工业以太网。 诞生于不同领域的总线技术对特定领域的适用性描述。 模拟仪表控制系统、直接数字控制系统、集散控制系统及现场总线控制系统的英文全称及简写。 简答：常用工业控制网络与简介。 撰写自己的梦想与实现计划，标题为“我的梦想与实现计划-*”（网上提交，http:/ http:/