计算机网络及现场总线技术概述

1、工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系WWW.OUC.EDU.CNWWW.OUC.EDU.CNOCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-4现场总线工业控制网络技术现场总线工业控制网络技术 计算机网络与现场总线概述刘兰军刘兰军工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-42课程公共邮箱fcs_, 登录2010123456工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF

2、 CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-43计算机网络与现场总线概述本章学习目标1）了解现场总线与计算机网络的关系2）了解计算机网络的发展过程3）掌握计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构4）掌握工业自动化的发展过程5）掌握现场总线的定义、现场总线控制系统的特点6）了解各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-44计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、

3、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-45计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络1. 网络资源流通传统网络：交通运输网：物质与人员流通，铁路、公路、水路、航空 能源网：能源流通，煤炭、石油、天然气、电力信息是与物质、能源并列的第三大资源电信网：语音信号数据、文件、视频电视网：多媒体信号数据、文件、视频计算机网络：数据、文件多媒体信号工程学院工程学院 自动化及测控系自动化

4、及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-46计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络2. 计算机网络技术的发展基础计算机技术：处理器技术、存储技术等通信技术：编码技术、数据交换技术、信道共享技术、差错控制技术、传输介质等工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-47计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络3. 企业信息网络企业信息化需求计算机网络技术应用于企业现场自动控制、生产调度、经营管

5、理、办公自动化、市场营销等企业信息网络市场营销层生产管理层过程监控层现场控制层因特网工业控制网络工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-48计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络4. 工业控制网络又称现场总线，是应用于企业信息网的现场控制层与过程监控层的网络通信技术。企业底层运行信息工业控制网络（现场总线）工业现场设备工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022

6、-5-49计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络4. 工业控制网络现场总线：控制技术、通信技术、计算机技术的融合计算机网络技术在工业现场的具体应用工厂底层网络工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-410计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络5. 工业控制网络（现场总线）的特点1）现场设备的多样性：产品多样性、加工过程工艺多样性2）网络接口开放性：实现单元设备仪表间互连、互操作、互换3）高度的实时性、可靠性：产品质量保证工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控

7、系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-411计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-412计算机网络与现场总线概述 计算机网络的形成与发展1. 计算机网络雏形阶段20世纪50年代、60年代，计算机技术与通

8、信技术结合美国半自动地面环境防空系统美国航空公司订票系统组成：一台中心计算机+若干终端（终端不具备自主处理能力）远程联机系统或面向终端的计算机网络工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-413计算机网络与现场总线概述 计算机网络的形成与发展2. 完成网络体系结构与协议研究、计算机网络形成阶段20世纪70年代，软件资源、硬件资源、数据资源共享的需求美国国防部高级研究计划局 ARPA 网公共数据网 PDN局部网 LN (环网、以太网（Ethernet）)ARPA网：计算机网络的定

9、义、分类；提出了资源子网和通信子网两级网络的体系结构；研究了报文分组交换的数据交换方法；采用了层次结构的网络体系结构与协议体系。（因特网从ARPA网发展而来）百家争鸣，网络体系结构和协议不统一，限制了发展。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-414计算机网络与现场总线概述 计算机网络的形成与发展3. 网络体系结构与协议标准化阶段20世纪80年代1）国际标准化组织（ISO）颁布了ISO/IEC7498国际标准，即开放系统互连参考模型 OSI RM；ISO与CCITT(国际电

10、话电报咨询委员会)为OSI各层制订标准协议，成为CCITT建议，包括X.21、X.29、X.75。2)ARPA网发展成为因特网，遵循TCP/IP协议，同样具有层次性结构和开放性，TCP/IP协议成为事实上的国际标准。3）局域网中Ethernet发展迅速，形成了网络结构化布线技术，z在办公自动化领域应用广泛。4）光线传输介质在高速和主干网络中获得广泛应用，网络通信带宽获得长足发展。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-415计算机网络与现场总线概述 计算机网络的形成与发展4.

11、 网络计算时代20世纪90年代以来1）计算机网络高速化趋势发展强劲： 广域网（64K2M2.5G）；局域网（10M100M1G10G）。2）计算机网络功能：数据、文字语音、图像、视频3）三网融合：电信网、有线电视网、计算机网络。4）网络计算：网格、云计算等。5）计算机网络的扩展：无线传感器网络、物联网等。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-416计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现

12、场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-417计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念1. 计算机网络的定义广义观点：以传输信息为主要目的，用通信线路将多个计算机连接起 来的计算机系统的集合。资源共享观点：以能够相互共享资源的方式连接起来，并各自具有独 立功能的计算机系统的集合。用户透明观点：计算机网络是一个对用户透明的、大的计算机系统， 该系统存在一个能自动为用户管理资源的网络操作系 统，由它调用完

13、成用户任务的资源，又称为分布式计 算机系统。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-418计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念1. 计算机网络的定义资源共享观点：以能够相互共享资源的方式连接起来，并各自具有独 立功能的计算机系统的集合。主要特点：1）资源共享，软件、硬件、数据 2）计算机具有自治特点，无主从之分 3）网络中计算机遵循统一的网络协议工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERS

14、ITY OF CHINA2022-5-419计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念2. 计算机网络的结构与组成资源子网 + 通信子网资源子网：主计算机系统、终端、软件资源与数据资源 负责数据处理业务，向用户提供资源和网络服务主机、终端：源节点、宿节点，端节点 主机：提供网络资源服务，支持上网 终端：用户访问网络的界面工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-420计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念2. 计算机网络的结构与组成资源子网 + 通信子网通信子网：网

15、络通信控制处理机、通信线路、其他通信设备 负责数据传输、存储转发等业务通信控制处理机：网络节点、转接节点、中间节点工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-421计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念3. 计算机网络的拓扑结构拓扑：实体点，连接实体的线路线，研究点、线、面关系网络拓扑结构的研究内容：网络节点之间的连通关系，即通信子网的 连通关系。网络拓扑结构设计的重要性：与网络性能、可靠性、费用密切相关，是网络设计的关键。网络拓扑结构设计的目的：在考虑主机和终端位置、保

16、证一定的响应时间、吞吐量、可靠性的前提下，通过选择合适的线路、线路容量、连接方式、流量分配，使整个网络结构合理、便于维护、易于扩展、成本经济。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-422计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念3. 计算机网络的拓扑结构1）星形拓扑中央节点：负责通信控制，可与网络中任何节点通信非中央节点：非中央节点不能直接通信，需通过中央节点交换数据优点：（1）控制简单，便于管理：相当于集中管理 （2）便于维护，故障隔离容易缺点：（1）中央节点风险大，

17、负担重，一旦故障，全网瘫痪 （2）不能均衡合理的发挥网络的最大作用 （3）网络节点之间单独连线，安装费用高工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-423计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念3. 计算机网络的拓扑结构2）总线拓扑存在一条公共传输媒体，各节点均经总线接口并联在该总线上优点：（1）结构简单，节点通信负担均衡 （2）易于扩充，可靠性高 （3）广播信息，易于同步 （4）电缆少，安装费用低缺点：（1）信号衰减，通信距离受限，远距离需加中继 （2）一旦某节点出现故

18、障，不易隔离 （3）需要媒体访问控制、地址识别，带来额外软硬件开销工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-424计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念3. 计算机网络的拓扑结构3）环形拓扑每个节点均有一个输入口和输出口，各节点依次相连，数据单向传输优点：（1）结构简单，节点通信负担均衡 （2）传输延迟确定，适合于有特定时间要求的场合 （3）增加或减少节点方便 （4）电缆少，安装费用低缺点：（1）一旦某节点出现故障，全网瘫痪 （2）需要一定的环维护工作，带来额外软硬件开

19、销工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-425计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念3. 计算机网络的拓扑结构4）树形拓扑同层次节点不能直接通信，需通过高层次节点，是星形拓扑的扩展适合于统计等具有信息汇聚要求的场合工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-426计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念3. 计算机网络的拓扑结构5）网形拓扑（无规

20、则网）每个节点与相邻节点相连，线路连接高冗余优点：可靠性高缺点：（1）结构复杂，成本高 （2）节点需具有路由选择算法和流量控制算法在广域网中应用广泛（高可靠性）工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-427计算机网络与现场总线概述 计算机网络的基本概念4. 计算机网络的分类1）按网络拓扑结构：星形、总线、环形、树形、网形2）按网络覆盖范围：广域网WAN：远程网，几十至几千公里，国家、洲际局域网LAN：十公里以下，办公室、办公楼城域网MAN：介于WAN与LAN之间，城市中大型企

21、业、机关联网3）按网络使用的交换方式：电路交换网、报文交换网、报文分组交换网4）按照用途：公共网、科研网、企业网、商业网等工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-428计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNI

22、VERSITY OF CHINA2022-5-429计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程1. 人工控制阶段20世纪50年代前，基地式气动仪表控制系统1） 气动测量仪表，功能简单，安装在现场，无互连，仪表处于封闭 状态2） 操作人员直接在现场仪表上调整被控对象参数工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-430计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程2. 模拟控制阶段20世纪50年代，气动、电动单元组合式模拟仪表控制系统1） 现场仪表 + 集中控制室2） 现场：

23、气动、电动组合单元模拟仪表，模拟信号0.020.1MPa、420mA、15V3） 集中控制室：集中监控生产过程问题：模拟信号传输困难，抗干扰能力差，难满足速度、精度需求工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-431计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程3. 集中式数字控制阶段20世纪60年代至70年代中期，集中式数字控制系统直接数字控制（DDC）、集中型计算机控制、分层计算机控制1）DDC：由一台计算机替代一组模拟控制器，数字化，闭环控制2）集中型计算机控制：用一台计

24、算机替代控制室的所有仪表盘，实 现过程监视、数据收集、数据处理、数据存 储、报警等过程控制的全部功能工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-432计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程3. 集中式数字控制阶段2）集中型计算机控制：用一台计算机替代控制室的所有仪表盘，实 现过程监视、数据收集、数据处理、数据存 储、报警等过程控制的全部功能问题：风险集中、主机负担重、开发困难3）分层计算机控制：过程现场控制 + 集中显示操作过程现场控制：现场控制仪表独立工作，可接受上位计

25、算机的设 定值，可将现场信息送给上位计算机集中显示操作：显示参数，并进行优化计算，最优参数下传已具有了集散式控制系统的初步概念工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-433计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程4. 集散式数字控制阶段20世纪70年代中期，集散式数字控制系统 DCSDCS在逻辑结构上分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，体现了管理的集中性和控制的分散性。DCS：集中管理部分、分散控制监测部分、通信部分集中管理部分：工程师站（组态和维护）、操作站（监视

26、和操 作）、管理计算机（全系统信息管理和优化控制）分散控制监测部分：控制站、监测站、现场控制站通信部分：数据、指令、信息的传递DCS系统软件：实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软 件、组态软件、各种应用软件工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-434计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程4. 集散式数字控制阶段集散式控制系统 DCS 是一场革命，但仍存在问题：1）信息化问题：如集散式控制系统无法诊断现场仪表，影响了信息 完整性2）数字化问题：系统中仍有模拟

27、测量仪表3）互操作和互换性问题：各厂家产品协议不统一，产品不能互换、 互操作工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-435计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程5. 现场总线控制阶段20世纪80年代中期以后，现场总线控制系统 FCS1）全分布式系统：现场总线控制系统沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高管理层之间的联系：向下深入到每台仪表、执行机构，控制功能彻底下放到现场；向上连接到上产管理、企业经营的方方面面。2）全数字化系统：模拟仪表被符合现场总线标准的双向通信

28、全数字智能仪表代替。3）全开放性系统：现场总线协议的完全开放使不同生产厂家的产品之间可以互换、互操作。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-436计算机网络与现场总线概述 工业自动化的发展过程6. 工业控制系统发展的特点1）计算机技术在工业控制系统中的作用越来越大2）信息集成度越来越高3）控制功能越来越接近现场4）现场仪表的测控能力越来越强工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF

29、CHINA2022-5-437计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-438计算机网络与现场总线概述 现场总线、现场总线控制系统及其特点1. 现场总线定义国际电工委员会IEC61158标准定义：现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信

30、的数据总线。现场总线又称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-439计算机网络与现场总线概述 现场总线、现场总线控制系统及其特点2. 现场总线控制系统定义现场总线控制系统是指以现场总线为技术核心的工业控制系统，是一种新型网络集成式全分布控制系统。现场总线控制系统英文缩写 FCS（Fieldbus Control System）。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN

31、 UNIVERSITY OF CHINA2022-5-440计算机网络与现场总线概述 现场总线、现场总线控制系统及其特点3. 现场总线控制系统的特点现场总线控制系统结构 VS 传统控制系统结构传统控制系统：一对一设备连线现场总线控制系统：通过总线将各个设备简单串联工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-441计算机网络与现场总线概述 现场总线、现场总线控制系统及其特点3. 现场总线控制系统的特点1）现场设备具有智能自治特点：可测、执行、数据处理、控制。2）提高系统精度和自诊断

32、功能：可独立调节、数字信号传输精度高、 具有故障诊断和数据统计功能。3）降低了设计、安装费用和维护费用：减少了隔离器、端子柜、变送器、独立调节器、信号调理转换模块等；减少了复杂连线和校对；减小了控制室的占用面积等；故障自诊断方便了系统维护。4）组态和修改容易：总线拓扑，组态软件，系统易于扩展。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-442计算机网络与现场总线概述现场总线与计算机网络的关系计算机网络的发展过程计算机网络的定义、组成结构、拓扑结构工业自动化的发展过程现场总线的定义

33、、现场总线控制系统的特点各种具体现场总线技术、现场总线标准工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-443计算机网络与现场总线概述 几种现场总线技术简介、现场总线标准1. CAN总线控制器局域网络CAN（Controller Area Network），德国BOSCH公司推出，最初用于汽车总线。特点：1）采用短帧结构，抗干扰能力强；2）支持多主通信、优先级通信，采用非破坏性总线仲裁技术；3）通信速率高，通信距离远；4）仅定义了物理层、数据链路层协议1993年11月成为ISO国际

34、标准ISO11898，已广泛应用于道路交通运输工具和工业控制领域。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-444计算机网络与现场总线概述 几种现场总线技术简介、现场总线标准2. FF总线基金会现场总线 FF（Fieldbus Foundation），1994年FF基金会推出，是IEC61158标准总线中的一种。低速标准（H1）、高速标准（H2）、结合以太网技术的高速以太网HSEFF在化工、电力等连续流程工业生产过程中应用较广。工程学院工程学院 自动化及测控系自动化及测控系OCEAN UNIVERSITY OF CHINAOCEAN UNIVERSITY OF CHINA2022-5-445计算机网络与现场总线概述 几种现场总线技术简介、现场总线标准3. PROFIBUS总线由西门子公司等13家企业和5家科研机构联合研制。PROFIBUS-FMS:工厂、楼宇自动化中的单元级，用