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通信与接口. 谈英姿 tanyz@seu.edu.cn 东南大学自动化学院. 通信与接口. 通 : 从辵 (chuò), 甬 (yǒng) 。本义 : 没有堵塞 , 可以通过 信 : 从“人”，从“言”。意谓人言为信，诚也 . 通信 (communication) ：按照达成的协议，信息在人、地点、进程和机器之间进行的传送。 接：从手 , 妾声。本义 : 两手交叉 口：出入通过的地方； 接口 (interface) ： 两个不同系统 ( 或子程序 ) 交接并通过它彼此作用的部分. 课 程 简 介. 课程要求 教学内容 考查方式. 课程基本要求.
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通信与接口 谈英姿 tanyz@seu.edu.cn 东南大学自动化学院
通信与接口 • 通 : 从辵(chuò),甬(yǒng) 。本义:没有堵塞,可以通过 • 信: 从“人”，从“言”。意谓人言为信，诚也. • 通信(communication)：按照达成的协议，信息在人、地点、进程和机器之间进行的传送。 • 接：从手,妾声。本义:两手交叉 • 口：出入通过的地方； • 接口(interface)：两个不同系统(或子程序)交接并通过它彼此作用的部分
课 程 简 介 • 课程要求 • 教学内容 • 考查方式
课程基本要求 • 了解工业通信网络模型; • 掌握现场总线技术的概念、标准及其发展趋势; • 掌握工业以太网技术的概念及其应用; • 了解工业控制网络互联的接口技术; • 掌握OPC接口技术; • 了解RockWell集成架构技术及其工业自动化领域的发展趋势.
教学内容 • 工业控制网络 • 工业通信局域网技术 • 现场总线技术 • 工业以太网技术 • OPC技术 • Rockwell网络集成平台 • XML语言技术 • 数据库技术的应用
教材及主要参考书 • 1.《工业通信网络与系统集成》 • 冯冬芹等编 科学出版社 2005 • 2.《深入浅出NetLinx网络架构》 • 黄允凯 机械工业出版社 2009
绪论 • 工业自动化控制系统 • 工业通信网络模型 • 现场总线 • 工业以太网
工业自动化控制系统 什么样的技术，以何种方式实现什么样的目标和性能？
50’s 60’s 70’s 80’s 90’s 21cn 3-15 PSI 20-100 KPa 现场总线 无线仪表 10-50 mA 0-20 mA 4-20 mA 智能型 信号与协议 IEC无线HART ISA100.11a IEC 61158 HART DE BRAIN 气动仪表 特征与功能 电子仪表 模数混合仪表 全数字仪表 无线数字仪表 隔爆型仪表/本质安全型仪表/无火化型仪表 现场调校 远程调校 仪表依赖不同的协议 良好的互操作性 良好的扩展性 工业自动化仪表及控制系统发展进程 电动单元组合仪表 DCS DCS/FCS DCS/FCS/WCS 气动单元组合仪表 气动电动 电Ⅲ型 模拟量模拟量 混合型数字型 无线数字型
电子商务时代制造业面临的挑战： e-Manufacturing The Emerging e-Business Enterprise Suppliers e-Manufacturing Customers Seamless Coupling Seamless Coupling Build-to-Order Deliver with Speed & Accuracy Minimize Cycle Times Maximize Efficiency
罗克韦尔 自动化 Complete Automation 控制及MES 集成平台 传统工业自动化到 e-Manufacturing JD Edwards ERP/ SCM / CRM MES 制造执行系统 历史数据分析、设备效率评估、物料跟踪、质量跟踪、排产、信息发布等等 顺控&联锁/ 定位/ 同步/ 故障安全/ 远程采集/ 过程控制 消费品、汽车制造、水处理、电力、冶金以及石化等各行各业 • 纵向集成： • 标签一次定义，即可直接被控制编程、上位监控及MES使用。 • 模块化MES平台：提供数据分析、质量跟踪、排产以及网络化信息发布；与信息管理系统的无缝集成。 • 无须附加编程，可对所有控制设备网进行远程诊断和维护。 企业信息 管理系统 制造 执行系统 各种自动 控制系统 Factory Automation Process Automation 横向集成： 统一的控制引擎、统一的开发环境实现全厂范围内所有控制任务 Motion 伺服控制 Machine Safety SCADA RTU 传动 控制 PLC ESD DCS Batch 不同应用中 的控制要求 用户
工业通信网络模型 • 现场控制网络 • 过程控制/监控网络 • 管理信息网络
罗克韦尔自动化：面向未来的 Logix FCS 控制方案 RSVIEW SE Remote Clients RSVIEW SE Work Stations Ethernet Redundant Server Industry PC based on Win2000/CE ControlNet Redundant 或 EtherNet/IP ControlLogix DeviceNet 或 ControlNet 或 RIO Fieldbus Foundation Starter FLEX I/O PanelView Sensor/ Switch Drive FLEX Ex I/O One control architecture, one company with the right solution for your application
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。 • 现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。 • 现场总线技术可促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，是工业领域技术发展趋势。
典型工业现场 DCS Proprietary Bus 4 - 20 mA 4 -20 mA 4 -20 mA
M 当今的通信 Proprietary Interfaces Distributed Control System Network Computer PLC Programmable Controller (PLC) Networks PLC - DCS Controller PLC PLC PLC Motor Drives Proprietary Busses Remote I/O cards & terms Remote I/O 4-20mA or proprietary digital Electrical Signals Simple Sensors & Switches Two wire Transmitters & Control Elements Many different types of proprietary digital communications- Limited information from the field available to the control room.
A Plant with Fieldbus Maintenance DCS High Speed Fieldbus (100 Mbits/s)* *Fast Ethernet Low Speed Fieldbus (31.25 Kbits/s) Interoperable devices
BEFORE 256 I/O
AFTER 4,000 Fieldbus ‘I/O’
目前现场总线标准（20种） 2007年出版，有效期至2012年
EPA国际标准制定 • 2002年初， “十一五”863重点项目： “基于高速以太网技术的现场总线控制设备”启动，开始了EPA技术的研发； • 2002年10月，《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准》列入国家标准制修订项目； • 2003年年初，SAC/TC124向国家标准委领导作了EPA技术进入国际标准的工作汇报，得到了国家标准委领导的大力支持； • 2003年5月19日，德国西门子公司和美国罗克韦尔公司联合向IEC/SC65C提交了新工作项目65C/306/NP“测量和控制数字数据通信 实时应用中基于ISO/IEC8802-3的通信网络行规（RTE）”，明确指出行规仅包含IEC61784涉及的七个通信行规集，这实际上已将包括EPA在内的一些基于实时以太网的解决方案拒之门外。 2014/10/13 24
突破封锁 • 2003年7月，SAC/TC124通过中国IEC国家委员会向IEC/SC65C 推荐四名EPA专家组专家参加306/307项目。 • 2003年8月28日至8月29日，IEC/SC65C/WG11工作组会议（RTE第1次会议）在西班牙马德里召开，中国代表团的三名专家参加了本次会议。在本次会议上，我国专家向工作组介绍了EPA协议的结构框架，并联合了法国、加拿大、日本、澳大利亚、意大利等国的专家们对RTE项目的范围提出了质疑，经过艰苦努力，最终使项目发起公司做出了让步，在标准范围中加入了如下两点：a)标准定义RTE第1、2层，同时定义集中子层（映射，接口等），以便使高层协议和服务可以访问ISO/IEC8802 系统；b)标准包含必要的RTE管理实体。从而使EPA协议加入国际标准成为可能。 25 2014/10/13
技术准备 • 2003年12月，应SC65C总协调人PHINNEY的要求，在充分调研和广泛征求专家意见的基础上，我国先后向国际上提交了两个工作建议：EPA建议和安全建议。这两个建议将在法国召开的工作组会议上进行讨论。并将EPA协议英文版提交给65C秘书长和WG11发起人。 • 组织准备 • 2003年，6-12月间，国家标准委有关领导在国内会见各大自动化公司领导层时，多次就EPA的工作与他们进行了卓有成效的沟通。 • 2003年，11-12月间，国家标准委高新技术部、仪表所和全国工业过程测量和控制标准化技术委员会组团访问美国、加拿大，在此期间分别与：65C主席、秘书长、加拿大国家委员会、SC65C总协调人、MODBUS协会负责人、施耐德公司负责人、罗克韦尔公司代表等进行了卓有成效的会谈，争取到他们对EPA提案的支持。 26 2014/10/13
取得成果 • 2004年1月19日～22日，IEC/SC65C联合工作组第2次会议在法国召开，会议一致通过在2004年11月以前，将包括我国自主开发的工业控制网络协议EPA在内的6种目前非国际标准以太网技术作为IEC的PAS文件出版； • EPA成为目前IEC正在制定的国际标准IEC61784-2的9种子集之一，编号为CPF14，将EPA协议纳入到正式国际标准中； • 中国代表团为与会各大总线公司的技术代表做了EPA技术及其安全策略的专题讲座，并回答专家提问，取得了良好效果，扩大EPA技术的国际影响； • 中国专家在WG13会议上所作的安全策略和方法报告得到WG13各位专家的重视，我国专家承担了IEC61784-4的部分标准编写工作； • 会上与我们的合作伙伴达成一致，共同推进实时以太网的国际标准化工作，为EPA将来的PAS文件投票和纳入正式国际标准打下了良好基础； • 2007年，列入国际标准IEC61784-2和IEC61158。 27 2014/10/13
工业以太网 • 在技术上与商用以太网international standard IEEE 802.3 (Ethernet)兼容，在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网络。 • 工业以太网的特性： • 通信确定性与实时性 • 稳定性与可靠性
应用实例 冶金行业- 大型高炉控制 高炉煤气 • 高炉控制系统特点 • 罗克韦尔自动化全新的 Logix FCS控制系统 • -- LogixStation 控制站 • -- Logix FCS 服务器及软件包 • Logix FCS 高炉控制系统解决方案 高炉 铁矿石 竖炉 BF-gas holder 石灰 煤 球团 CP-gas 烧结 烧结分部 焦炭 焦化厂 喷煤 Stoves (3) 热风 Oxygen 1100 °C Air 氧气厂 脱硫 矿渣 0.5 Mt/a 铁水 2.4 Mt/a 高炉煤气 发电站
高炉控制系统特点1 • 复杂的高炉工艺系统本身，决定了高炉控制系统中有多个子系统（槽下及上料、热风炉、喷煤、高炉本体及煤气清洗控制、炉顶、水渣及液压站等等）以及相关辅助系统，包含大量输入输出点（1000～4000AI/AO、4000~8000DI/DO），同时涉及到复杂的多回路过程控制和大量的顺序/联锁控制。
典型要求 • 传统方法:仪表和电气专业人员分别选择DCS和PLC共同实现高炉控制。 • （ PLC特点: 离散控制响应快速- 毫秒级、梯形图编程以及简单廉价的远程网络。 • DCS特点：过程控制回路响应要求并不快 - 几十甚至几百ms，但能保证模拟信号的周期性采样和处理，以获得稳定的高精度控制；功能块图编程等。) • 当前，简单地选择由传统知名PLC或DCS厂商提供的新一代集成控制系统：单一系统方便维护并且减少备品备件。
注意事项 • 选用PLC厂商方案：如何保证稳定并且高精度的过程控制?画面点数限制？ • 选用DCS：能否提供对于称重及变频器等网络的通讯接口？能否提供可集成炼铁厂甚至整个钢铁厂内其他系统如烧结等的一体化实时数据库？
高炉控制系统特点2 • 较大范围内的大量现场设备要求高炉控制系统应更易于实施和维护。 • 典型要求： • 国际标准的开放工业现场总线技术，不仅减少接线、采集更多的现场信息，还能实现现场设备的网络化集中组态、诊断和维护。 • 注意事项： • 从过程仪表（如压力变送器等等）到电气现场设备（如变频器等等）是否全面支持？是否集成简单易用的网络组态及维护软件工具，并且在线组态引起的相关信息传递不应对系统实时控制有任何影响？在任何一点均可对系统内设备进行编程组态？面向未来的可扩展性及无缝集成？
高炉控制系统特点3 • 高炉对于连续生产的要求，决定了高炉控制系统的高可靠性和高可用性。 • 典型要求： • 热备冗余的控制站，冗余的现场总线和网络，冗余服务器的上位监控系统（Sever/Client结构时）。 • 考虑到高炉现场恶劣的工作环境，如粉尘、高温和各种电磁干扰，在选择先进的控制系统同时，还应保证对与控制系统相关的信号采集部分（如变送器、行程开关以及现场I/O站等）和执行机构部分都应采用同样高品质的产品。 • 注意事项： • 控制站能否保证无扰切换？网络切换速度？冗余服务器？？
高炉控制系统特点4 • 复杂的物理和化学反应过程，决定了高炉控制实际是相互紧密耦合的典型多输入多输出系统。为了真正降低焦比或能耗，提高炉龄，必须采用多个专家模型系统，根据实际生产运行数据进行运算，同时为基础自动化级的子系统的许多控制任务提出给定值要求。同时，工厂管理系统也需要相关的生产运行数据。 • 典型要求： • 高炉控制系统应能与不同专家模型系统紧密耦合，提供的实时数据和关系型数据库的双向接口。 • 注意事项： • 该接口是否完全双向？？是否稳定高速？？能够跨平台运行（对实时数据库能否提供OPC Sever或DDE Server的接入方式？？对关系型数据库能否提供针对SQL Sever或Oracle的最佳接口方式，保证数据的快速优化连接？？数据压缩功能？？）
Ethernet ControlNet FF H1 ControlNet ProfiBus DeviceNet LogixStation 控制站 • LogixStation 构成： • － LogixTM控制平台 • 单一平台同时支持顺序控制、传动控制、过程控制 • 模块化组合实现SCADA、DCS、PLC、分布式传动等不同系统 － NetLinxTM开放透明网络 • 国际标准现场总线（FF H1及FF HSE、ControlNet、DeviceNet、Profibus等）与信息管理网络无缝集成，全面满足制造自动化与过程自动化的需要 • 提供各种工业标准通讯方式的接口，实现多种异种网络的互联
Logix FCS高炉服务器软件- 统一的分布式开发环境 • RSView Studio • 单一的开发软件，既能进行操作员面板画面编程（任何运行RSView ME的现场操作员面板/Win CE/2000)；还能进行RSView SE编程。 • ME的应用程序可以直接导入到SE应用程序 “Bridging the gap between machine & supervisory level systems”
可扩展性：炼铁甚至全厂的数据采集监控 Raw Materials Prep & Processing Processing& Finishing Electric Furnace Cold Strip Hot Strip Temper Rolling Pickling Annealing Direct Reduction Pellets Welded Pipe Blast furnace Iron Ore Slab Scrap Continuous Process Lines Steel Plate Sinter Ladle Metallurgy Lime & Flux Cold Drawn Bars Hot Rolled Bars Limestone Crusher Rods Wire Billet Tube Rounds Seamless Pipe Oxygen Coal Structural Shapes Continuous Casting Oxygen Furnace Slag Molten Iron Coke Ovens Bloom Blast furnance Continuous Caster Bar&rod Mill Iron Making Rails
Logix FCS高炉服务器软件- 流程操作与控制一体化的“面板”功能 • ActiveX faceplates are provided for several instructions which are typically used by operator: • Alarm • Enhanced Select • Totalizer • Ramp • Discrete 2-State Device • Discrete 3-State Device • Enhanced PID • ActiveX faceplates may be dropped into any ActiveX container application, such as RSView or other operator interface products.
Logix FCS高炉服务器软件 - PIDE 自动整定和优化功能 1. Assign the autotune tag to the loop. 2. Configure the autotune parameters. 3. Run the autotuner and accept or modify the new values.
