第01章工业网络技术及简介

1、工 业 网 络 技 术授 课：郑 凯2013.08 大连海事大学 信息科学技术学院 副教授副教授( (硕导硕导) )2009.072013.07 大连海事大学 信息科学技术学院 讲师讲师2004.092009.04 哈尔滨工业大学 控制科学与工程 工学博士工学博士 导师:姚郁教授、申铁龙教授姚郁教授、申铁龙教授( (日本上智大学日本上智大学) )2005.112008.02 日本上智大学 机械工学科 共同研究员共同研究员 导师:申铁龙教授申铁龙教授( (日本上智大学日本上智大学) )2002.092004.07 哈尔滨工业大学 控制科学与工程 工学硕士工学硕士 导师:姚郁教授姚郁教授1998.

2、092002.07 哈尔滨工业大学 控制科学与工程 工学学士工学学士DC/DC buck converter0100020003000400050006000700080002.833.23.43.63.844.2tElectric potential (V) L=10 mL=50 mL=90 mL=130 mL=190 m0100020003000400050006000700080002.62.833.23.43.63.844.2tElectric potential (V) L=90 mL=100 mL=120 mL=140 mL=160 m01000200030004000500060

3、00700080002.62.833.23.43.63.844.2tElectric potential (V) L=100 mL=140 mL=180 mL=220 mL=260 m0100020003000400050006000700080002.833.23.43.63.844.2tElectric potential (V) r=10 mr=11 mr=12 mr=13 m工业网络技术课程及安排参考教材n工业通信网络技术和应用，许勇 主编，西安电子科技大学出版社n工业控制网络技术，赵新秋 主编，中国电力出版社n现场总线技术及其应用，阳宪惠 主编，清华大学出版社n现场总线及其应用技术，

4、李正军 编著，机械工业出版社 其他参考书，感兴趣的同学可以上网上购买。成绩分配n考试70分(开卷)n平时20分n实验10分(1次大实验课，实验6分，报告4分)课程安排n第一章 工业网络技术概述n工业网络技术的概念及特点n介绍几种典型的工业网络及总线n企业信息集成系统n工业现场总线技术分发展趋势nZigbee技术课程安排n第二章 数据通信基础n通信系统的组成n数据编码技术n通信系统的性能指标介绍n信道n网络拓扑结构n网络传输介质n介质访问控制n差错控制方法课程安排n第三章 控制网络基础n控制网络与计算机网络n网络互联通信的参考模型n几种典型控制网络的参考模型n网络互联设备课程安排n第四章 串行通

5、信技术n串行通信基础nRS-232C串行通信接口nRS-422/485串行通信接口n基于51单片机的串行通信接口设计课程安排n第五章 ModBus协议nModBus协议概述nModBus协议规范nModBus协议的实现课程安排n第六章 工业以太网技术nTCP/IP体系结构介绍n以太网的物理连接n以太网的帧结构n网际协议IPn运输层n工业以太网课程安排n第七章 CAN总线技术nCAN总线技术简介nCAN总线接口设计nCANOPEN协议简介课程安排n第八章 Zigbee技术nZigbee技术特征nZigBee的适用条件和应用前景nZigBee无线通信协议简介第一章 工业网络技术概述1.1 工业网络

6、概念及特性感性认识工业网络n工业网络技术是在现场总线框架现场总线框架下的集智智能传感能传感、控制控制、计算机计算机以及数据通信数据通信为主要内容的综合网络技术。它已成为工业自动化技术发展的热点，并将导致工业自动化系统结构和设备的深刻变革。 可以说，现代工业网络技术就是工业现场总线技术的一种体现。汽车测控系统实例1.1.1 控制系统发展n把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代；n把420mA等电气模拟信号控制系统称为第二代；n把数字计算机集中式控制系统称为第三代；n而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代；n把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS现场总线控制系统。

7、1.1.2 现场总线定义n现场总线 (Fieldbus)：是一种应用于生产现场，在现场仪表设备间或仪表设备与控制装置间实行双向、串行、多节点的数字通信技术。1.1.3 FCS与传统DCS的比较n分布式控制系统(DCS Distributed Control System)：由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。1

8、.1.3 FCS与传统DCS的比较传统控制系统模型传统控制系统模型1.1.3 FCS与传统DCS的比较1.1.3 FCS与传统DCS的比较（a）传统智能仪表模型）传统智能仪表模型（b）现场总线智能仪表模型）现场总线智能仪表模型1.1.4 现场总线的特点n1、系统具有高度的开放性、系统具有高度的开放性开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。n2、互可操作性与互用性、互可操作性与互用性实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 1.1.4 现场总线的特点

9、n3、现场设备的智能化与功能自治性、现场设备的智能化与功能自治性。将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能。随时诊断设备的运行状态。 1.1.4 现场总线的特点n4、系统结构的高度分散性、系统结构的高度分散性由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 1.1.4 现场总线的特点n4、系统结构的高度分散性、系统结构的高度分散性1.1.4 现场总线的特点n5、对现场环境的适应性、对现场环境的

10、适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的。支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等。具有较强的抗干扰能力。能采用两线制实现送电与通信。满足安全防爆要求等。 1.1.5 现场总线的优点 n1、节省硬件数量与投资、节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量。不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线。 1.1.5 现场总线的优点 n2、节省安装费用、节省安装费用一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少

11、。连线设计与接头校对的工作量也大大减少。预计可节约安装费用60%以上。 1.1.5 现场总线的优点 n3、节省维护开销、节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，用户可以通过数字通讯查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。系统结构简化、连线简单，从而减少了维护工作量。 n4、用户具有高度的系统集成主动权、用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。1.1.5 现场总线的优点 n5、提高了系统的准确性与可靠性、提高了系统的准确性与可靠性现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少

12、了传送误差。由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 1.2 典型现场总线简介 n1、基金会现场总线（FF）n前身美国Fisher Rousemount 公司为首的80几家公司与Honeywell公司为首的150几家公司在上世纪90年代联合制定。nH1的传输速率为31.125Kbps,通信距离可达1900m nH2的传输速率为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离为750m和500m。 n物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射 。1.2 典型现场总线简介 n

13、2、LonWorksn由美国Echelon公司推出并与Motorola、Toshiba共同倡导，在上世纪90年代推出。n通讯速率从300bps至15Mbps不等，78kbps时直接通信距离可达到2700m n支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质 1.2 典型现场总线简介 n3、Profibusn由德国siemens公司联合13家企业和5家科研机构，于上世纪80年代末联合推出。n由Dp、FMS、PA组成了Profibus系列。DP型适合于加工自动化领域的应用。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。PA型则是用于过程自动化的总线类型。n传输速率

14、为9612kbps时为1000m以上，15Mbps时为400m。最多可挂接 127个站点。 n传输介质为双绞线或光缆。1.2 典型现场总线简介 n4、CANn上世纪80年代初期由德国BOSCH公司提出。n数据传输距离最远可达10Km（速率小于5Kb/s）；传输速率高达1Mbps（距离小于40m）。可挂接设备最多可达110个 。n通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。1.2 典型现场总线简介 n5、RS-485n尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。n最高传输速率达到10Mb/s，100Kb/s时传输距离1200米左右，最多挂接128个节点。

15、1.2 典型现场总线简介 n6、 ZigBee网络nZigBee联盟所制定的无线网络协议，此联盟是由50多家公司联合发起的，于2005年开始制定标准。nZigBee是一种新兴的短距离短距离、低复杂度低复杂度、低功耗低功耗、低数据速低数据速率率、低成本的无线网络技术。n应用领域：工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。ZigBee的技术特点数据传输速率低：数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低速传输应用功耗低：功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容

16、量大：网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠网络的自组织、自愈能力强，通信可靠1.3 主要的现场总线比较1.3 主要的现场总线比较红外色谱扫描仪器传感器分析仪器单回路控制器驱动装置微驱动装置控制阀门马达启动器接触器 电磁阀ASI数据宽度：位字节数据流SeriplexCAN BaseNetworksINTER-BUSPROFI-BUS-DPPROFIBUSP-NETLON WorksFIPFOUNDATION Fieldbus各种现场总线的应用领域1.4 企业网络

17、信息集成系统现场总线控制网络内部网络Intranet互联网Internet过程控制层PCS制造执行层MES企业自资源规划层ERP1.4 企业网络信息集成系统1.4.1 过程控制层(PCS)nPCS : Process Control Systemn过程控制层就是用现场总线系统将自动化底层的现场控制器和智能仪表设备互联起来。n在现场总线控制网络模型中，过程控制层是整个网络模型的基础，只有确保现场总线设备可靠运行，才能保证上层网络获取信息实行监控功能。1.4.2 制造执行层(MES)nMES: Manufacturing Execution System nMES位于ERP与PCS之间的面向车间层

18、的管理信息系统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态。 MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。 n制造执行层的关键技术是以太网与现场总线所在的过程控制层的通信问题，包括协议转换、网络节点协调和接口技术等等。1.4.3 企业资源规划层(ERP)nERP: Enterprise Resource PlanningnERP利用计算机技术，把企业的物流、人流、资金流、信息流统一起来进行管理，把客户需要和企业内部的生产经营活动以及供应商的资源整合在一起，为企业决策层提供解决企业产品成本问题、提高作业效率、及资金的运

19、营情况一系列动作问题，使之成为能完全按用户需求进行经营管理的一种全新的行之有效的管理方法 。1.4.4 现场总线网络与办公局域网络的区别 n数据数据方面方面n局域网局域网一般发送频率相对比较低，对实时性没有苛刻的限制，要求以高数一般发送频率相对比较低，对实时性没有苛刻的限制，要求以高数据传送速度来传输比较大的文件。据传送速度来传输比较大的文件。n现场总线现场总线网络网络一般要求节点间高频率的发送大量比较小的数据包，实时性一般要求节点间高频率的发送大量比较小的数据包，实时性要求高。要求高。n确定性确定性和和可重复性可重复性方面方面n确定性确定性是指有限制的延迟和有保证的传送。是指有限制的延迟和有保证的传送。n可重复性可重复性是指网络的传输能力不受网络上节点的动态改变和网络负载的改是指网络的传输能力不受网络上节