課件通訊技術(shù)第1章概述

1、第 1 章 概 述1自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展1集散式控制系統(tǒng)2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)2全集成自動化2企業(yè)對自動化系統(tǒng)的需求2全集成自動化3全集成自動化中的通訊4SIMATIC NET 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)4工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)41 3.2 SIMATIC NET 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案51.3.3 通訊技術(shù)說明6第 1 章概述近些年來，隨著自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息管理系統(tǒng)的覆蓋范圍正逐漸的從傳統(tǒng)的經(jīng)營、管理信息擴展到工廠的主控信息及現(xiàn)場的控制信息，對于企業(yè)而言，將整個工廠的生產(chǎn)流程和自動化控制系統(tǒng)納入到的信息管理上已不再是一個夢想。借助于強大的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)的信息管理不僅可以對市場信息

2、和管理信息進行處理，還可以囊括從原料采購、生產(chǎn)加工到成品儲運的全部生產(chǎn)流程，這意味著，通過與工廠中強大的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的集成，企業(yè)的信息管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對生產(chǎn)、物流、銷售和管理信息的網(wǎng)絡(luò)與的境界。集成處理，為企業(yè)管控功能的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。強大的工業(yè)通訊的結(jié)合徹底改變了傳統(tǒng)的信息管理方式，將企業(yè)的生產(chǎn)管理帶入到一個全新1.1 自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展縱觀自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)，自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展和工業(yè)通訊技術(shù)的不斷成熟是相輔相成的。自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展給工業(yè)通訊提出了新的要求；反過來，工業(yè)通訊技術(shù)的進步也極大地了自動化控制系統(tǒng)的性能，為用戶帶來了巨大的收益。簡單的說，自動化控制系統(tǒng)

3、的歷史大致可分為三個階段：集中式控制系統(tǒng)20 世紀 50 年代前后，現(xiàn)場的儀表和自動化設(shè)備提供的都是模擬信號，這些模擬信號送往集中控制室的控制盤上，操作員可以在控制室中集中觀測生產(chǎn)流程各處的狀況。但是，模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變化緩慢，計算速度和精度都難以保證，信號傳輸?shù)哪芰σ埠懿睿瑐鬏斁嚯x也比較短。為了解決模擬信號的這些缺點，一部分模擬信號被數(shù)字信號所取代，這些數(shù)字信號和模擬信號都接入到主控室的中算機上，由中算機進行監(jiān)視和處理。通過使用數(shù)字技術(shù)，克服了模擬技術(shù)的缺陷，延長了通訊距離，提供了信號的精度。不過，由于當(dāng)時計算機技術(shù)的限制，中算機并不可靠，一旦中算機出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致

4、整個系統(tǒng)的癱瘓。1.1.1 集散式控制系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機的可靠性不斷提高，價格也大幅度的下降，出現(xiàn)了可編程控制器PLC 及多個計算機遞階的集中與分散相結(jié)合的集散式控制系統(tǒng)（Distributed ControlSystem,）。集散式控制系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)了集中控制，分散處理。這種系統(tǒng)在功能、性能上較集中式控制系統(tǒng)有了很大進步。實現(xiàn)了控制室與控制站或 PLC 之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，減少了控制室與現(xiàn)場之間的電纜數(shù)目。但是在現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器與控制站之間仍然是一個信號一根電纜的傳輸方式，電纜數(shù)量很多，信號傳送過的干擾問題仍然很突出。而且，在以實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的互操作

5、。系統(tǒng)形成的過，各廠商的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，難1.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)隨著智能技術(shù)的發(fā)展成熟，設(shè)備的智能程度越來越高，成本在不斷下降，因此，在智能設(shè)備之間使用基于開放標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建的自動化系統(tǒng)逐漸成熟。通過標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通訊接口，現(xiàn)場的 I/O 信號、傳感器及變送器的設(shè)備可以直接連接到現(xiàn)場總線上，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通過一根總線電纜傳遞所有數(shù)據(jù)信號，替代了原來的成百上千根電纜，大大減輕了布線的成本，提高了通訊的可靠性?，F(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了自動化控制系統(tǒng)的面貌，正是在這個階段，工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的概念逐漸深入人心。覆蓋全廠范圍的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)逐漸成形。由于功能強大的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使得對

6、全廠信息的和管理成為可能，自動化控制系統(tǒng)開始向更高的層級邁進，控制信息與企業(yè)經(jīng)營管理信息的對接成為流行的趨勢，這就對自動化控制系統(tǒng)提出了更高的要求，全集成自動化（Totally物。egrated Automation， TIA）就是這個流行趨勢的產(chǎn)1.2 全集成自動化作為全球領(lǐng)先的自動化系統(tǒng)提供商，西門子在 1996 提出了全集成自動化的概念，在工廠信息化的浪潮中再次成為市場的領(lǐng)先者。1.2.1 企業(yè)對自動化系統(tǒng)的需求隨著市場競爭的逐漸激烈，企業(yè)在市場上越來越大的競爭壓力。對市場的需求，企業(yè)要能夠及時響應(yīng)，同時還要控制成本、保證質(zhì)量。因此，您需要的是一個完整的從現(xiàn)場級到工廠管理級的自動控制解決

7、方案，幫助工廠降低管理，從而提高自身在市場上的競爭力。而傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)大多是以單元生產(chǎn)設(shè)備為能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)更好的供應(yīng)鏈進行檢測與控制，生產(chǎn)設(shè)備之間易形成“自動化孤島效應(yīng)”。這種“自動化孤島效應(yīng)”式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產(chǎn)過程的管理，已現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。為了提高企業(yè)的市場競爭力，實現(xiàn)其最佳經(jīng)濟效益的目標(biāo)，必須將自動化控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacture Execute System, MES）和企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（Ent）三者完美的整合在一起。rise Resource Planning,1.2.2 全集成自動化在這樣一個大背景下，西門子提出了全集成自動化的概念。西

8、門子全集成自動化順應(yīng)了自動化的趨勢，將公司的供應(yīng)鏈、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場和管理層無縫的整合在一起，實現(xiàn)了企業(yè)信息系統(tǒng)的橫向和縱向集成，對提高投資回報率并降低運營成本起決定性作用。不管是過程自動化還是生產(chǎn)自動化，全集成自動化提供了一個通用的可以覆蓋自動化的所有方面。，圖 1-1 全集成自動化如圖 1 所示，全集成自動化是一個覆蓋了從原料儲運、生產(chǎn)加工到成品發(fā)送整個生產(chǎn)過程的集成。通過系統(tǒng)導(dǎo)向的工程環(huán)境、開放的通訊以及智能的選項，工廠可以在生產(chǎn)系統(tǒng)的整個生命周期的所有階段獲益。事實上，到今天為止，西門子提供的基于集成制系統(tǒng)是全球唯一一家既可以用于工廠自動化也可以用于過程自動化的控制系統(tǒng)。的控1.2.3 全

9、集成自動化中的通訊全集成自動化采用的集成通訊技術(shù)，完美的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)橫向與縱向集成，覆蓋整個公司所的實時數(shù)據(jù)可及時、準(zhǔn)確、可靠、無間隙的與 MES的通訊需求，確保了生產(chǎn)控制過系統(tǒng)保持通訊，為企業(yè)經(jīng)營管理信息與生產(chǎn)控制信息的整合提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。在通訊協(xié)議的選擇方面，全集成自動化采用國際公認的開放協(xié)議，如 PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)、PROFINET、ASI 等，因此，全集成自動化系統(tǒng)具有極強的兼容性。例如：基于國際標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.3 的工業(yè)以太網(wǎng)可以方便的與辦公網(wǎng)絡(luò)相連，使得ernet 技術(shù)可以用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。西門子自動化系統(tǒng)對當(dāng)前及未來的新技術(shù)、新工具都是開放的。不僅在自動化系

10、統(tǒng)中，在連接 IT 世界的通訊網(wǎng)絡(luò)中亦如此。1.3 SIMATIC NET 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)SIMATIC NET 是西門子的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案的統(tǒng)稱。1.3.1 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般而言，企業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)可劃分為三級：企業(yè)級、車間級和現(xiàn)場級。如圖 2 所示。1.企業(yè)級通訊網(wǎng)絡(luò)企業(yè)級通訊網(wǎng)絡(luò)用于企業(yè)的上層管理，為企業(yè)提供生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等數(shù)據(jù)，通過信息化的方式優(yōu)化企業(yè)的資源，通過企業(yè)的管理水平。在這個層次的通訊網(wǎng)絡(luò)中，IT 技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，如ernet 和ranet。2. 車間級通訊網(wǎng)絡(luò)車間級通訊網(wǎng)絡(luò)介于企業(yè)級和現(xiàn)場級之間。主要任務(wù)是解決車間內(nèi)各需要協(xié)調(diào)工作的不同工藝段之間的通訊，從通訊需求角

11、度來看，要求通訊網(wǎng)絡(luò)能夠高速傳遞大量信息數(shù)據(jù)和少量控制數(shù)據(jù)，同時具有較強的實時性。對車間級通訊網(wǎng)絡(luò)，所使用的主要解決方案是工業(yè)以太網(wǎng)。3. 現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設(shè)備，包括 I/O 設(shè)備、傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動等裝置，由于連接的設(shè)備千變?nèi)f化，因此所使用的通訊方式也比較復(fù)雜。而且，由于現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)直接連接現(xiàn)場的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上傳遞的主要是控制信號，因此，對網(wǎng)絡(luò)的實時性和確定性有很高的要求。對現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS 是主要的解決方案。同時，SIMATIC NET 也支持諸如 AS-I、EIB 等總線技術(shù)。圖 1-2 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)1.3.

12、2 SIMATIC NET 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案對于上述三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般而言，企業(yè)級通訊網(wǎng)絡(luò)屬于工廠的信息管理層，主要管理企業(yè)的經(jīng)營和管理信息，覆蓋企業(yè)的辦公機構(gòu)。因此，SIMATIC NET 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案主要針對車間級和現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)?？紤]到車間級網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)的不同通訊需求，以及現(xiàn)場控制信號的可靠傳輸，對現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)，主要選擇PROFIBUS 總線解決方案，對車間級通訊網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)解決方案。選擇工業(yè)以太在圖 1-3 中，給出了一個標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC NET 網(wǎng)絡(luò)配置方案。在該配置方案中，對現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)，使用 PROFIBUS-DP 連接現(xiàn)場的 I/O、控制屏和變頻器，每個工藝

13、段使用 S7-400 作為主 PLC，負責(zé)該工藝段的控制任務(wù)，I/O、控制屏和變頻器都通過 PROFIBUS-DP 接口連接到 PROFIBUS 總線上。對車間級通訊網(wǎng)絡(luò)，主 PLC 和上層 WinCC 服務(wù)器之間、各主 PLC 之間的通訊通過工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)，西門子特有的冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)保證了通訊的可靠性，而且，借助于集成的網(wǎng)絡(luò)管理功能，用戶可以在上層網(wǎng)絡(luò)中很方便的實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的。圖 1-3 SIMATIC NET 配置方案1.3.3通訊技術(shù)說明在 SIMATIC NET 解決方案的范疇內(nèi)使用了許多通訊技術(shù)，除了上面提到的工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS 之外，在通訊、組態(tài)、編介紹。還需要使用其他

14、一些通訊技術(shù)，下面逐一進行簡要1. MPI（多點接口協(xié)議，Multi-Poerface）MPI 通訊用于小范圍、小點數(shù)的現(xiàn)場級通訊。MPI 是為 S7/M7 和 C7 系統(tǒng)提供的多點接口，它設(shè)計用于編程設(shè)備的接口，也可以用來在少數(shù)CPU 之間傳遞少量數(shù)據(jù)。2. PROFIBUSPROFIBUS 符合國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158，是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，并以其獨特的技術(shù)特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，成為現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解決方案，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)已突破 1000 萬個，在現(xiàn)場總線領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。 PROFIBUS 協(xié)議包括三個主要部分：PROFIBUS DP ： 主站和從站之間采用輪詢的通訊方式，支持高速的循環(huán)數(shù)據(jù)通訊，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中現(xiàn)場級的通訊PROFIBUS PA ： 電源和通訊數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中本質(zhì)安全要求的防爆場合PROFIBUS FMS ： 定義了主站和從站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中車間級的數(shù)據(jù)交換3.工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE