工业控制网络技术

1. 工业控制网络技术 任课教师：周勇 E-mail: yzhou@cumt.edu.cn

2. 课程的性质及目标 • 工业控制网络是计算机网络理论研究的重要组成部分，随着信息时代的来临，各种新的计算机技术争先发展，而工业控制网络技术代表着自动控制理论与技术发展的重要方向。 • 通过本课程的学习使学生了解工业控制网络的技术基础和典型的现场总线，以及控制网络系统的集成技术和其构建实现方法。

3. 课程要求 • 按时上课，认真听讲 • 积极参与课堂讨论，认真完成作业 • 成绩评定： • 平时成绩 10% • 实验成绩 20% • 期末考试 70%

4. 课程的主要内容和重点难点 • 主要内容：工业控制网络和现场总线的技术基础，控制网络系统的集成技术以及如何构建和实现控制网络系统。 • 课程重点和难点：各种现场总线的特点和协议规范、如何构建实现控制网络系统和其集成技术。

5. 问题 • 工业控制的需求是什么？ • 问什么要研究工业控制网络？

6. 工业控制的需求

7. 2. 问什么要研究工业控制网络？

8. 节省成本的潜力 安装 节省 电线 PLC I/O板 安装元件（Ex-/电流隔离器等） 排列机架 空间 减少错误 减少安装时间

9. 第一章 工业控制网络概论 1.1 概述 1.2 典型工业企业网 1.3 工业控制网络 1.4 工业以太网

10. 1.1 概述 1.1.1 工业控制网络的发展 工业控制网络技术是在工业生产的现代化要求情况下提出来的，与计算机技术、控制技术和网络技术 的发展密切相关。 随着网络技术的发展，Internet正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础上，传统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展，形成了新的控制网络。

11. 1.1.2 工业控制网与企业网 工业控制网络是网络技术在工业控制领域中的具体应用，是工业企业网中的一个重要组成部分。工业网络的结构一般可以分为上层的信息网和下层的控制网。有如下三种常见的体系结构： • 信息网络与控制网络统一组网，再与现场总线互联构成工业企业网。如图1-1所示。

12. 现场设备的控制采用嵌入式系统加以实现，该嵌入式系统具有网络通信能力的接口，能够实现与控制网的信息交换，而控制网与信息网统一构建组网形成工业企业网。如图 1-2所示。

13. 现场总线与内联网集成。在该方案中，动态数据库一方面根据现场信息，动态地修改自身的数据；另一方面接收监控站的控制信息对其进行处理并送往现场。同时，为了保证控制的实时性，控制信息也可直接下送至现场。如图 1-3所示。

14. 1.2 典型工业企业网 • 1.2.1 工业企业网的产生和发展背景 • 工业企业网的产生和发展是需求拉动和技术推动的结果。 • 从需求上来说，作为企业信息基础设施的企 业网越来越被企业所重视，企业的需求呼唤着 企业网的产生和发展。 • 从技术上来说，飞速发展的计算机技术、网 络与通信技术和控制技术推动着企业网技术的 产生和发展。工业企业网正是这3种技术在企 业中的融合和应用。

15. 1.2.2 工业企业网的基本概念和特性 • 工业企业网（Enterprise Network）目前尚无统一定义。一般是指在一个工业企业范围内将实现信号检测、控制以及数据传递、处理与计算的设备、装置或系统连接在一起，以实现企业内的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业外的信息资源，使得各项事务协调运作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境。 • 工业企业网有很多的特性，如：范围确定性、集成性、安全性以及相对开放性等等。

16. 1.2.3 工业企业网的发展历程 工业企业网的发展有三个阶段： • 20世纪 70年代中期开始，企业网只是指企业中传统的分时共享中心主机及其各终端所构成的网络，基本上只限于作业处理，其功能和应用是有限的。 • 随着局域网技术的发展，企业内不仅中小型计算机而且微型计算机也能够被连入网络，共享信息与资源，其功能有了很大的扩展。而且由于工业以太网、集散控制系统以及可编程序控制器的产生和发展，工业企业内的现场控制设备也被集成到一起，使得企业网发展到了一个新阶段。

17. 工业企业网的发展有三个阶段(续) • 从 20世纪 90年代开始，由于 Internet技术的成熟和迅速推广，出现了 Intranet的概念，进而在 Intranet的基础上又出现了 Extranet（外联网）和基础网的概念，而且现场总线技术也越来越为人们所接受，并被普遍用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等系统之中，于是便分别以Infranet或Extranet技术和现场总线技术（或工业以太网）为信息网络和控制网络的依托，形成了当前意义上的企业网概念。

18. 补充：几个比较重要的概念： • 什么是Extranet、Intranet、Infranet？ Extranet（外联网）是一个使用Internet/Intra-net技术使企业与其客户、其他企业相连来完成其共同目标的合作网络。它通过存取权限的控制，允许合法使用者存取远程公司的内部网络资源，达到企业与企业间资源共享的目的。 Intranet（企业内部网）与Internet相比，Inter-net是面向全球的网络，而Intranet则是Internet 技术在企业机构内部的实现,它能够以极少的成本和时间将一个企业内部的大量信息资源高效合理地传递到每个人。Intranet为企业提供了一种能充分利用通讯线路、经济而有效地建立企业内联网的方案

19. Infranet（基础网）是一个通用的、公共的、数据包交换网络补充设施，为企业和高要求的私人用户提供一个高安全性、灵活性和高质量服务的网络环境。 Internet与Intranet及Extranet的比较：

20. 1.2.4 控制网络与信息网络的互连 1）必要性 • 可以建立实时信息库有利于决策。 • 可以及时交换控制信息和生产信息，有利于了解生产情况。 • 建立分布式数据库有利于保证数据的一致性完整性和互操作性。 • 可以对控制网络进行远程操作，节省资源。 • 为企业提供完善的信息资源。

21. 2）特点 • 要求节点有较高的实时性。 • 容错能力强，有较高的可靠性和安全性。 • 控制网络协议实用、简单、可靠以及结构的分散性。 • 现场控制设备的智能化和功能自治性。 • 网络数据传输量小和节点处理能力需要减小。 • 性能价格比高。

22. 3）应用 • Internet对传统控制系统的影响 • Infranet和 Intranet与现场总线的结合 目前控制系统的设计思想已经趋向于网络化、分散化、开放性等。网络上的节点不仅有计算机、工作站，还有智能测控仪表。当传统DCS逐渐走向基于现场总线的Infranet之后，就可能建立Internet的新型网络结构，通过网络互连的控制系统功能将远远大于系统中独立个体功能的总和，我们把这种强大的网络结构称为“网络的网络”。

23. 1.2.5 工业企业网的体系结构 • 根据计算机集成制造开放系统结构（CIM-OSA）模型和普度（PUDU）模型，企业的控制管理层次大致可分为5层，如图 1-4所示。

24. 1）工业企业网的功能体系结构 在功能上，工业企业网的结构可分为信息网络和控制网络上下两层，其体系结构如图1-5所示。

25. 从图1-5中可以看出： • 信息网络位于工业企业网的上层，是企业数据共享和传输的载体。 • 控制网络位于工业企业网的下层，与信息网络紧密地集成在一起，服从信息网络的操作，同时又具有独立性和完整性，它的实现既可延用工业以太网，也可采用自动化领域的新技术--现场总线技术，又可以采用两者的结合。

26. 2）信息网络与控制网络互连的逻辑结构 信息网络与控制网络互连的逻辑结构如图1-6所示。 连接层负责将控制网络的信息表达成应用程序可以理解的格式，并将用户应用程序向下传递的监控和配置信息变为控制设备可以理解的格式。

27. 1.3 工业控制网络 工业控制网络一般用来处理现场实时的测控信息,是网络控制系统进行实时控制信息处理的数据流通道。它是工业企业网络的一个重要部分（另一部分是信息网络）。 按照工业自动化与信息化层次模型，控制网络可以分为两类： • 设备层网络，如 DeviceNet、Profibus等 • 面向自动化的主干控制网络

28. Profibus简介 Profibus是 Process Field Bus的简称，其产品的市场份额占欧洲首位，大约为40% ，是一种十分重要的有影响力的工业控制网络结构，它具有两层网络结构：

29. Profibus根据应用的特点分为 Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA 三个兼容版本。 • Profibus-FMS（现场总线报文规范）主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务。 • Profibus-DP（分布式外围设备）是一种经过优化的高速通信连接、专为自动控制系统和设备级分散 I/O之间的通信设计的，可用于分布式控制系统的高速数据传输。 • Profibus-PA（过程自动化）是专为过程自动化设计的，提供标准的本质安全的传输技术，一般用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。

30. 罗克韦尔自动化公司的3层网络结构简介 罗克韦尔自动化公司所提出的3层网络结构是十分典型的一类网络结构形式。这种3层网络主要由设备层、控制层和信息层构成网络结构体系，信息层使用的是以太网 /工业协议（Ethernet/IP），而控制层和设备层网络分别采用 ControlNet与 DeviceNet规范，它们的应用层均使用控制与信息协议（CIP）。 • 在信息层的以太网，连接数据高速公路、远程 I/O 和厂区通信网络，执行 TCP/IP。 • 控制层使用 ControlNet现场总线技术。ControlNet是基于改型的控制器局域网CAN总线技术，用于 PLC与计算机之间的通信网络。 • 设备层使用 DeviceNet现场总线技术。DeviceNet是基于 CAN 总线技术、用于 PLC 与现场设备之间的通信网络。

31. 在这个3层网络的体系中，数据可以双向流通，层与层之间可以进行交换数据，对于某一具体的应用，可以选择其中某层或者某几层网络。3层网络既有其共同点，对每一层来讲，又有不同的功能要求。在这个3层网络的体系中，数据可以双向流通，层与层之间可以进行交换数据，对于某一具体的应用，可以选择其中某层或者某几层网络。3层网络既有其共同点，对每一层来讲，又有不同的功能要求。 3层网络的共同特点是： • 从底层到高层全部是开放的 • 具有扁平结构 • 所有层之间实现了完全桥接

32. 1.4 工业以太网 • 工业以太网的概念 工业以太网，就是指在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种新的工业网络，是为了简化网络结构、方便设备互联而提出来的。 以前，以太网一般是在商业应用中作为办公网络用的，目前以太网在工业应用中的使用已经成为热点，将来工业以太网有可能成为工业控制网络结构的主要形式，形成一网到底的网络结构。

33. 工业以太网的特点 在工业领域中使用以太网会会带来很多好处： • 使用以太网要比其他现场总线容易 • 以太网产品的价格比较低廉，使用以太网会降低成本 • 以太网技术发展迅速，其技术之先进、功能之 强大是其他现场总线所无法比拟的 • 信息集成更加方便 • 在工业应用中使用以太网，符合自动化系统的 网络结构扁平化的必然趋势

34. 工业以太网的缺点及其解决方法 工业应用中广泛采用以太网也面临问题： • 以太网的确定性不高 对其进行改进，使它能够进行确定性的通信，并适应恶劣的工业环境 • 以太网不提供标准的面向工业应用的应用层协议 • 把现有的工业应用层协议与以太网、TCP/IP集成在一起。 • 在以太网和现有的工业网络之间安装网关，进行协议转换。 • 重新开发应用层协议