工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)講義第1章

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（集散系統(tǒng)與現(xiàn)場總線）參考書目：《現(xiàn)場總線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》

夏繼強等，北航出版社，2005.5《現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》

雷霖，電子工業(yè)出版社，2004.4《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》(2)

陽憲惠，清華大學(xué)出版社，2008《集散控制與現(xiàn)場總線》劉國海，機械工業(yè)出版社，

2006《現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用》

甘永梅等，機械工業(yè)出版，2004.5《現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編》(上下冊)

鄔寬明，北航出版社，2003.1名詞與技術(shù)術(shù)語1、DDC:DirectDigitalControl

直接數(shù)字控制2、DCS:DistributedControlSystem

分散（布）控制系統(tǒng)3、TDCS:TotalDistributedControlSystem

集散控制系統(tǒng)4、CRT:Cathode-RayTube

陰極射線管顯示技術(shù)5、PLC:ProgrammableLogicController

可編程邏輯控制器名詞與技術(shù)術(shù)語6、OEM:OriginalEquipmentManufacturer

原設(shè)備制造商7、HART:HighwayAddressableRemoteTransducer

可尋址遠程傳感器高速公路8、CPU:CentralProcessingUnit

計算機中心處理裝置9、FCS:FieldbusControlSystem

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)10、IEC:InternationalElectrotechnicalCommission

國際電工委員會0區(qū)：爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所；

1區(qū)：在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的場所；

2區(qū)：

在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，如果出現(xiàn)也是偶

爾發(fā)生并且僅是短時間存在的場所。名詞與技術(shù)術(shù)語11、本安防爆：本質(zhì)安全防爆技術(shù)是一種以抑制電火花和熱效應(yīng)能量為防爆手段的“安全設(shè)計”技術(shù)。目前，就世界范圍內(nèi)被普遍接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)措施有：隔爆（Exd）、增安（Exe）、本安（Exi）、正壓（Exp）和澆封（Exm）等。12、IT:InformationTechnology

信息技術(shù)（泛指計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)）13、ISO:InternationalStandardizationOrganization

國際標(biāo)準化組織14、OSI:OpenSystemInterconnection

開放系統(tǒng)互聯(lián)名詞與技術(shù)術(shù)語15、LAN:LocalAreaNetwork

計算機局域網(wǎng)16、MAC:MediumAccessControl

通信介質(zhì)通路（訪問）控制17、拓撲結(jié)構(gòu)：計算機網(wǎng)絡(luò)的重要特征，也稱為體系結(jié)構(gòu)。18、Ethernet:以太網(wǎng)19、PA:ProcessAutomation

連續(xù)型流程生產(chǎn)自動控制拓撲結(jié)構(gòu)所謂拓撲，是一種研究與大小、形狀無關(guān)的線和面特性的方法。拓撲—topological，是音譯，可以理解為分布、排列、順序、結(jié)構(gòu)等。從拓撲學(xué)觀點來看，計算機可以互連成星型、環(huán)形、總線結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)和不規(guī)則形狀的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲學(xué)研究各類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的基本特性。以太網(wǎng)總線結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)是最流行的局部計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)之一，特別受到人們的重視，這種網(wǎng)最著名的先驅(qū)者是Ethernet。以太（Ether）是傳播電磁波和光的介質(zhì)，是無源的，所以該網(wǎng)就把作為通信介質(zhì)的總線稱為以太。在Ethernet中，以太是供各計算機用戶共用的傳輸介質(zhì)，它在網(wǎng)中的作用和以太傳播電磁波類似，這就是Ethernet得名的原因。Ethernet網(wǎng)絡(luò)是在美國ALOHA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，于1976年由美國Xerox公司研制成功。它是采用局域網(wǎng)標(biāo)準，其最高數(shù)據(jù)傳遞速率為10Mb/s，以太網(wǎng)擴展的最高速率可達100Mb/s。發(fā)展到今天已有千兆以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。名詞與技術(shù)術(shù)語20、ARC:AtlanticResearchCorporation

美國大西洋研究公司21、CFFC:ChinaInstrumentsManufactureAssociationFeilebusFoundationCommittee

中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會現(xiàn)場總線專業(yè)委員會22、SIPAI:上海工業(yè)自動化儀表研究所23、MIS：ManagementInformationSystem

管理信息系統(tǒng)24、IPC:IndustrialProcessControl

工業(yè)程序控制（裝置）第1章計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線概述在社會資源中，信息是與物質(zhì)和能源并列的第三大資源。信息交流的三大網(wǎng)絡(luò)是電信網(wǎng)、電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)。任何一項新技術(shù)的產(chǎn)生都必須具備兩方面的條件：一是社會的需求，二是相應(yīng)基礎(chǔ)技術(shù)的成熟。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)有兩個：一是計算機技術(shù)，另一個是通信技術(shù)。在企業(yè)信息系統(tǒng)的層次上，整個企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)可以分為現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、市場經(jīng)營層等多個層次。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于現(xiàn)場控制層和過程監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。第1章計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線概述1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的形成和發(fā)展1.2計算機網(wǎng)絡(luò)中的基本概念1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義1.2.2計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與組成1.2.3計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)1.2.4計算機網(wǎng)絡(luò)的分類1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的形成和發(fā)展四個階段第一階段：計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，形成計算機網(wǎng)絡(luò)雛形。第二階段：完成網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議研究，形成計算機網(wǎng)絡(luò)。第三階段：加速網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議國際標(biāo)準化的研究與應(yīng)用。第四階段：網(wǎng)絡(luò)計算的新時代。1.2計算機網(wǎng)絡(luò)中的基本概念1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義計算機網(wǎng)絡(luò)是一個不斷發(fā)展的技術(shù)，在不同階段人們的認識不同，對它的定義也不同。對計算機網(wǎng)絡(luò)的定義，大致有三種觀點：第一種是廣義的觀點（通信網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)據(jù)傳輸為目的，資源共享能力較弱。）第二種是資源共享的觀點（主要目的是資源共享，網(wǎng)絡(luò)中的計算機自治，遵循統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，先登錄后共享。）第三種是對用戶透明的觀點（分布式計算機系統(tǒng)，軟件上有區(qū)別，網(wǎng)絡(luò)對用戶透明。）1.2計算機網(wǎng)絡(luò)中的基本概念1.2.2計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與組成計算機網(wǎng)絡(luò)從邏輯上可以分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)兩個子網(wǎng)，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信兩個基本功能。1.2計算機網(wǎng)絡(luò)中的基本概念1.2.3計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有：星形拓撲、總線拓撲、環(huán)形拓撲、樹形拓撲及網(wǎng)形拓撲。1.2計算機網(wǎng)絡(luò)中的基本概念1.2.4計算機網(wǎng)絡(luò)的分類按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋地地理范圍，可分為：廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)和城域網(wǎng)三種。按照網(wǎng)絡(luò)使用的交換方式，可分為：電路交換網(wǎng)、報文交換網(wǎng)和報文分組交換網(wǎng)。按照不同用途，可分為：公共網(wǎng)、科研網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、商業(yè)網(wǎng)等。還可以按照不同的傳輸介質(zhì)、不同網(wǎng)絡(luò)信道帶寬及不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對計算機網(wǎng)絡(luò)進行分類。第1章計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線概述1.3現(xiàn)場總線簡介1.3.1什么是現(xiàn)場總線1.3.2產(chǎn)生現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)條件1.4自動化發(fā)展的階段1.4.1工業(yè)化時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)1.4.2自動化時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)1.4.3信息時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)1.3現(xiàn)場總線簡介現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

1.3.1什么是現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。（國際電工委員會IEC61158定義）現(xiàn)場總線是一種用于底層工業(yè)控制和測量設(shè)備，如變送器（transducers）、執(zhí)行器（actuators）和本地控制器（localcontrollers）之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。（第2版IEC61158-2）在自動化領(lǐng)域，“現(xiàn)場總線”一詞是指安裝在現(xiàn)場的計算機、控制器以及生產(chǎn)設(shè)備等連接構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。1.3.2產(chǎn)生現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)條件產(chǎn)生現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)條件是3C技術(shù)：電子計算機（Computer）技術(shù)、控制（Control）技術(shù)與通信（Communication）技術(shù)，這些技術(shù)發(fā)展到今天的水平才有可能產(chǎn)生現(xiàn)場總線。因此，3C技術(shù)奠定了產(chǎn)生現(xiàn)場總線的物質(zhì)基礎(chǔ)。1.4.1工業(yè)化時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)（1）電氣化1）20世紀40年代，3～5psi（壓力單位，每平方英寸幾磅）的標(biāo)準氣動信號體制,即第一代過程控制體系結(jié)構(gòu)（PneumaticControlSystem，PCS）。信號的精度較低，難以遠傳。2）50年代，核冷戰(zhàn)激化，通信、控制、計算機成為戰(zhàn)略武器的中樞神經(jīng)。（2）電子化1）60年代，4～20mA(1~5V)標(biāo)準DC信號體制，模擬式電子儀表與電動單元組合的自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)。出現(xiàn)總線概念，包括：并行、串行。在計算機、核與高能、導(dǎo)彈與航天領(lǐng)域中先行；2）60年代末，總線在工業(yè)自動化中得到發(fā)展，出現(xiàn)直接數(shù)字控制DDC，實現(xiàn)多回路控制、CRT顯示。以后分成：通用、分離制造、連續(xù)過程三類自動化。1.4.2自動化時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)（1）70年代中后期，在“過程控制自動化”領(lǐng)域中實現(xiàn)了分布控制系統(tǒng)DCS，或集散控制系統(tǒng)TDCS。各現(xiàn)場設(shè)備通過星網(wǎng)匯總到中繼站，再連到中控電腦。星網(wǎng)的拓撲電纜很多，制造商銷售啟鑰（turnkey）大系統(tǒng)。（2）70年代，與DCS同時出現(xiàn)的PLC技術(shù)，出現(xiàn)在制造業(yè)自動化領(lǐng)域中，是帶微處理器的智能儀表和執(zhí)行端。與啟鑰大系統(tǒng)商品DCS相反，PLC是OEM銷售的現(xiàn)場基層系統(tǒng)，由系統(tǒng)集成商或用戶自己設(shè)計或開發(fā)系統(tǒng)。PLC與DCS在速度上各有側(cè)重，網(wǎng)絡(luò)、圖形、編程功能均強。1.4.3信息時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)（1）80年代后期，出現(xiàn)兼容數(shù)字與模擬通信的可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)公路HART。1993年6月成立HCF（HARTCommunicationFoundation）。（2）80年代出現(xiàn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS突破了DCS從上到下的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，并把DCS與PLC結(jié)合起來；采取總線互通信的拓撲結(jié)構(gòu)；進入開放、分散、可開發(fā)的體制與全數(shù)字化的體制。（3）90年代，自動控制領(lǐng)域最活躍的系統(tǒng)是小型靈活的工業(yè)PC＋ISA/PCI總線＋Windows/NT。IndustryStandardArchitecture工業(yè)標(biāo)準結(jié)構(gòu)PeripheralComponentInterconnect周邊元件擴展接口1.4.3信息時代的自動監(jiān)控系統(tǒng)（4）20世紀90年代，市場上出現(xiàn)高級FCS，如控制局域網(wǎng)絡(luò)（CAN，ControlAreaNetwork）總線、基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundationFieldbus）、PROFIBUS（ProcessFieldbus）現(xiàn)場總線、ControlNet現(xiàn)場總線、DeviceNet現(xiàn)場總線、LonWorks總線、EtherNet/IP等。從此，現(xiàn)場總線技術(shù)趨于成熟并走向?qū)嵱没Ｗ詣踊l(fā)展從模擬量走向數(shù)字量，從單機走向集中，再從集中走向分散。每一次變化，都反映著進步和效能。第1章計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線概述1.5現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)1.5.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成1.5.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.6現(xiàn)場總線的技術(shù)特點及優(yōu)點1.6.1現(xiàn)場總線的技術(shù)特點1.6.2現(xiàn)場總線的優(yōu)點1.7現(xiàn)場總線的標(biāo)準1.5.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成現(xiàn)場總線系統(tǒng)硬件軟件總線電纜總線設(shè)備組態(tài)工具軟件組態(tài)通信軟件控制器編程軟件用戶程序軟件設(shè)備接口通信軟件設(shè)備功能軟件監(jiān)控組態(tài)軟件硬件總線電纜 又稱為通信介質(zhì)（媒體）、通信線

總線設(shè)備 是指連接在通信線上的設(shè)備（又稱為總線裝置、節(jié)點、站點（主站、從站））

軟件組態(tài)工具軟件——為用計算機進行設(shè)備設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)提供平臺并按現(xiàn)場總線協(xié)議／規(guī)范（Protocol／Specification）與組態(tài)通信軟件交換信息的工具軟件；

組態(tài)通信軟件——為計算機與總線設(shè)備進行通信，讀取總線設(shè)備參數(shù)或?qū)⒖偩€設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)信息傳送至總線設(shè)備而使用的軟件；

控制器編程軟件——為用戶程序提供編程環(huán)境的軟件平臺；用戶程序軟件——根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程及其他要求而編寫的PLC（控制器）應(yīng)用程序；設(shè)備接口通信軟件——根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議／規(guī)范而編寫的用于總線設(shè)備之間通過總線電纜進行通信的軟件；

設(shè)備功能軟件——使總線設(shè)備實現(xiàn)自身功能（不包括現(xiàn)場總線通信部分）的軟件；監(jiān)控組態(tài)軟件——運行于監(jiān)控計算機（通常也稱為上位機）上的軟件，具有實時顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)、故障報警信息，并進行數(shù)據(jù)記錄、趨勢圖分析及報表打印等功能。1.5.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖1-4～圖1-6給出了幾種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。其中，圖1-4為由單一現(xiàn)場總線構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，圖1-5、圖1-6均為有幾種現(xiàn)場總線及EtherNet構(gòu)成的完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

圖1-4DeviceNet現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）為一種適用于工業(yè)控制底層的現(xiàn)場總線

指示燈（Light）可以根據(jù)需要給出相應(yīng)的狀態(tài)指示

光電傳感器（PhotoelectricSensor）為一種檢測用的開關(guān)

操作員接口（OperatorInterface）為現(xiàn)場直接輸入操作命令提供了條件

變送器（Transducer）屬于輸入設(shè)備（如溫度變送器、壓力變送器等）

閥（Valve）和交流驅(qū)動器（ACDrive）為執(zhí)行器（如電磁閥、變頻器等），屬于輸出設(shè)備

人機界面（HMI—HumanMachineInterface）是一種復(fù)雜的輸入／輸出設(shè)備，可以接受各種參數(shù)及命令并給出所需的文字／數(shù)字或圖形顯示PLC1、PLC2均