工业控制网络讲义第1章

工业控制网络（集散系统与现场总线）参考书目：《现场总线工业控制网络技术》

夏继强等，北航出版社，2005.5《现场总线控制网络技术》

雷霖，电子工业出版社，2004.4《现场总线技术及其应用》(2)

阳宪惠，清华大学出版社，2008《集散控制与现场总线》刘国海，机械工业出版社，

2006《现场总线技术及其应用》

甘永梅等，机械工业出版，2004.5《现场总线技术应用选编》(上下册)

邬宽明，北航出版社，2003.1名词与技术术语1、DDC:DirectDigitalControl

直接数字控制2、DCS:DistributedControlSystem

分散（布）控制系统3、TDCS:TotalDistributedControlSystem

集散控制系统4、CRT:Cathode-RayTube

阴极射线管显示技术5、PLC:ProgrammableLogicController

可编程逻辑控制器名词与技术术语6、OEM:OriginalEquipmentManufacturer

原设备制造商7、HART:HighwayAddressableRemoteTransducer

可寻址远程传感器高速公路8、CPU:CentralProcessingUnit

计算机中心处理装置9、FCS:FieldbusControlSystem

现场总线控制系统10、IEC:InternationalElectrotechnicalCommission

国际电工委员会0区：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所；

1区：在正常运行时可能出现爆炸性气体环境的场所；

2区：

在正常运行时不可能出现爆炸性气体环境，如果出现也是偶

尔发生并且仅是短时间存在的场所。名词与技术术语11、本安防爆：本质安全防爆技术是一种以抑制电火花和热效应能量为防爆手段的“安全设计”技术。目前，就世界范围内被普遍接受的电气设备防爆技术措施有：隔爆（Exd）、增安（Exe）、本安（Exi）、正压（Exp）和浇封（Exm）等。12、IT:InformationTechnology

信息技术（泛指计算机网络通信技术）13、ISO:InternationalStandardizationOrganization

国际标准化组织14、OSI:OpenSystemInterconnection

开放系统互联名词与技术术语15、LAN:LocalAreaNetwork

计算机局域网16、MAC:MediumAccessControl

通信介质通路（访问）控制17、拓扑结构：计算机网络的重要特征，也称为体系结构。18、Ethernet:以太网19、PA:ProcessAutomation

连续型流程生产自动控制拓扑结构所谓拓扑，是一种研究与大小、形状无关的线和面特性的方法。拓扑—topological，是音译，可以理解为分布、排列、顺序、结构等。从拓扑学观点来看，计算机可以互连成星型、环形、总线结构、层次结构和不规则形状的网络。网络拓扑学研究各类网络构型的基本特性。以太网总线结构的计算机网络是最流行的局部计算机网络的拓扑结构之一，特别受到人们的重视，这种网最著名的先驱者是Ethernet。以太（Ether）是传播电磁波和光的介质，是无源的，所以该网就把作为通信介质的总线称为以太。在Ethernet中，以太是供各计算机用户共用的传输介质，它在网中的作用和以太传播电磁波类似，这就是Ethernet得名的原因。Ethernet网络是在美国ALOHA网络的基础上，于1976年由美国Xerox公司研制成功。它是采用局域网标准，其最高数据传递速率为10Mb/s，以太网扩展的最高速率可达100Mb/s。发展到今天已有千兆以太网和光纤以太网。名词与技术术语20、ARC:AtlanticResearchCorporation

美国大西洋研究公司21、CFFC:ChinaInstrumentsManufactureAssociationFeilebusFoundationCommittee

中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会22、SIPAI:上海工业自动化仪表研究所23、MIS：ManagementInformationSystem

管理信息系统24、IPC:IndustrialProcessControl

工业程序控制（装置）第1章计算机网络与现场总线概述在社会资源中，信息是与物质和能源并列的第三大资源。信息交流的三大网络是电信网、电视网和计算机网络。任何一项新技术的产生都必须具备两方面的条件：一是社会的需求，二是相应基础技术的成熟。计算机网络技术的基础有两个：一是计算机技术，另一个是通信技术。在企业信息系统的层次上，整个企业信息网络可以分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营层等多个层次。工业控制网络是应用于现场控制层和过程监控层的网络通信技术。第1章计算机网络与现场总线概述1.1计算机网络的形成和发展1.2计算机网络中的基本概念1.2.1计算机网络的定义1.2.2计算机网络的结构与组成1.2.3计算机网络的拓扑结构1.2.4计算机网络的分类1.1计算机网络的形成和发展四个阶段第一阶段：计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络雏形。第二阶段：完成网络体系结构与协议研究，形成计算机网络。第三阶段：加速网络体系结构与协议国际标准化的研究与应用。第四阶段：网络计算的新时代。1.2计算机网络中的基本概念1.2.1计算机网络的定义计算机网络是一个不断发展的技术，在不同阶段人们的认识不同，对它的定义也不同。对计算机网络的定义，大致有三种观点：第一种是广义的观点（通信网络，以数据传输为目的，资源共享能力较弱。）第二种是资源共享的观点（主要目的是资源共享，网络中的计算机自治，遵循统一的网络协议，先登录后共享。）第三种是对用户透明的观点（分布式计算机系统，软件上有区别，网络对用户透明。）1.2计算机网络中的基本概念1.2.2计算机网络的结构与组成计算机网络从逻辑上可以分为资源子网和通信子网两个子网，分别实现数据处理和数据通信两个基本功能。1.2计算机网络中的基本概念1.2.3计算机网络的拓扑结构计算机网络拓扑结构主要有：星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑及网形拓扑。1.2计算机网络中的基本概念1.2.4计算机网络的分类按照网络覆盖地地理范围，可分为：广域网、局域网和城域网三种。按照网络使用的交换方式，可分为：电路交换网、报文交换网和报文分组交换网。按照不同用途，可分为：公共网、科研网、企业网、商业网等。还可以按照不同的传输介质、不同网络信道带宽及不同的网络技术等对计算机网络进行分类。第1章计算机网络与现场总线概述1.3现场总线简介1.3.1什么是现场总线1.3.2产生现场总线的基础条件1.4自动化发展的阶段1.4.1工业化时代的自动监控系统1.4.2自动化时代的自动监控系统1.4.3信息时代的自动监控系统1.3现场总线简介现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。

1.3.1什么是现场总线现场总线是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的数字式、串行、多点通信的数据总线。（国际电工委员会IEC61158定义）现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（localcontrollers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。（第2版IEC61158-2）在自动化领域，“现场总线”一词是指安装在现场的计算机、控制器以及生产设备等连接构成的网络。1.3.2产生现场总线的基础条件产生现场总线的基础条件是3C技术：电子计算机（Computer）技术、控制（Control）技术与通信（Communication）技术，这些技术发展到今天的水平才有可能产生现场总线。因此，3C技术奠定了产生现场总线的物质基础。1.4.1工业化时代的自动监控系统（1）电气化1）20世纪40年代，3～5psi（压力单位，每平方英寸几磅）的标准气动信号体制,即第一代过程控制体系结构（PneumaticControlSystem，PCS）。信号的精度较低，难以远传。2）50年代，核冷战激化，通信、控制、计算机成为战略武器的中枢神经。（2）电子化1）60年代，4～20mA(1~5V)标准DC信号体制，模拟式电子仪表与电动单元组合的自动控制系统出现。出现总线概念，包括：并行、串行。在计算机、核与高能、导弹与航天领域中先行；2）60年代末，总线在工业自动化中得到发展，出现直接数字控制DDC，实现多回路控制、CRT显示。以后分成：通用、分离制造、连续过程三类自动化。1.4.2自动化时代的自动监控系统（1）70年代中后期，在“过程控制自动化”领域中实现了分布控制系统DCS，或集散控制系统TDCS。各现场设备通过星网汇总到中继站，再连到中控电脑。星网的拓扑电缆很多，制造商销售启钥（turnkey）大系统。（2）70年代，与DCS同时出现的PLC技术，出现在制造业自动化领域中，是带微处理器的智能仪表和执行端。与启钥大系统商品DCS相反，PLC是OEM销售的现场基层系统，由系统集成商或用户自己设计或开发系统。PLC与DCS在速度上各有侧重，网络、图形、编程功能均强。1.4.3信息时代的自动监控系统（1）80年代后期，出现兼容数字与模拟通信的可寻址远程传感器数据公路HART。1993年6月成立HCF（HARTCommunicationFoundation）。（2）80年代出现的现场总线控制系统FCS突破了DCS从上到下的树状拓扑结构，并把DCS与PLC结合起来；采取总线互通信的拓扑结构；进入开放、分散、可开发的体制与全数字化的体制。（3）90年代，自动控制领域最活跃的系统是小型灵活的工业PC＋ISA/PCI总线＋Windows/NT。IndustryStandardArchitecture工业标准结构PeripheralComponentInterconnect周边元件扩展接口1.4.3信息时代的自动监控系统（4）20世纪90年代，市场上出现高级FCS，如控制局域网络（CAN，ControlAreaNetwork）总线、基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus）、PROFIBUS（ProcessFieldbus）现场总线、ControlNet现场总线、DeviceNet现场总线、LonWorks总线、EtherNet/IP等。从此，现场总线技术趋于成熟并走向实用化。自动化发展从模拟量走向数字量，从单机走向集中，再从集中走向分散。每一次变化，都反映着进步和效能。第1章计算机网络与现场总线概述1.5现场总线系统的组成与体系结构1.5.1现场总线系统的组成1.5.2现场总线控制系统的体系结构1.6现场总线的技术特点及优点1.6.1现场总线的技术特点1.6.2现场总线的优点1.7现场总线的标准1.5.1现场总线系统的组成现场总线系统硬件软件总线电缆总线设备组态工具软件组态通信软件控制器编程软件用户程序软件设备接口通信软件设备功能软件监控组态软件硬件总线电缆 又称为通信介质（媒体）、通信线

总线设备 是指连接在通信线上的设备（又称为总线装置、节点、站点（主站、从站））

软件组态工具软件——为用计算机进行设备设置、网络组态提供平台并按现场总线协议／规范（Protocol／Specification）与组态通信软件交换信息的工具软件；

组态通信软件——为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件；

控制器编程软件——为用户程序提供编程环境的软件平台；用户程序软件——根据系统的工艺流程及其他要求而编写的PLC（控制器）应用程序；设备接口通信软件——根据现场总线协议／规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件；

设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件；监控组态软件——运行于监控计算机（通常也称为上位机）上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。1.5.2现场总线控制系统的体系结构图1-4～图1-6给出了几种现场总线控制系统的体系结构。其中，图1-4为由单一现场总线构成的现场总线控制系统，图1-5、图1-6均为有几种现场总线及EtherNet构成的完整的现场总线控制系统。

图1-4DeviceNet现场总线控制系统体系结构DeviceNet（设备网）为一种适用于工业控制底层的现场总线

指示灯（Light）可以根据需要给出相应的状态指示

光电传感器（PhotoelectricSensor）为一种检测用的开关

操作员接口（OperatorInterface）为现场直接输入操作命令提供了条件

变送器（Transducer）属于输入设备（如温度变送器、压力变送器等）

阀（Valve）和交流驱动器（ACDrive）为执行器（如电磁阀、变频器等），属于输出设备

人机界面（HMI—HumanMachineInterface）是一种复杂的输入／输出设备，可以接受各种参数及命令并给出所需的文字／数字或图形显示PLC1、PLC2均