數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能技術(shù)：生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與通信 課件匯 劉建偉 第1-4章 導(dǎo)論- PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)及應(yīng)用

第1章導(dǎo)論1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是工業(yè)自動化領(lǐng)域中的重要組成部分，其發(fā)展歷程與工業(yè)自動化的發(fā)展密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在不斷更新迭代，以便更好適應(yīng)和滿足不斷提升的工業(yè)控制需求。無線通訊技術(shù)未大面積普及的早期，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要采用有線通信方式，比較典型的如RS485、CAN總線等，這些技術(shù)在當(dāng)時的技術(shù)條件下很好地滿足了當(dāng)時的工業(yè)控制需求。隨著工業(yè)自動化程度需求的提高，工業(yè)控制對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)時性、可靠性和靈活性的要求越來越高，傳統(tǒng)的有線通信方式弊端愈發(fā)顯現(xiàn)出來，已經(jīng)逐漸無法滿足這些需求。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，核心支撐的以太網(wǎng)技術(shù)，也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，逐漸取代了傳統(tǒng)的低速有線通信方式。以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢在于其開放性和互操作性，使得不同廠商的設(shè)備可以方便地進(jìn)行互聯(lián)互通。同時，以太網(wǎng)技術(shù)的傳輸速率高，可以很好滿足高實(shí)時性的工業(yè)控制需求。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程工業(yè)控制和民用商用對網(wǎng)絡(luò)需求的差異性，也使得以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著一些挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在，以太網(wǎng)協(xié)議的確定性和實(shí)時性需求，以及以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和可擴(kuò)展性等。針對這些差異性進(jìn)行了相應(yīng)的研究，一些專用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，典型如PROFINET、EtherNet/IP等。這些協(xié)議通常是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，針對工業(yè)控制領(lǐng)域的特殊需求進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，其目的是提高以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用效果。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也開始與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合。通過將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，可以實(shí)現(xiàn)更加智能化的工業(yè)控制和管理，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備可靠性。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展大致可以經(jīng)過這樣幾個階段：1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.控制初期階段（1935年以前）：在這一階段，繼電器為代表的元件開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，實(shí)現(xiàn)電氣控制自動化，替代人工控制，此階段更多實(shí)現(xiàn)的是本地控制，遠(yuǎn)距離通信還未普及。2.理論革新時期（1935-1950）：這一時期一些工業(yè)控制理論及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)被創(chuàng)建。工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由四個美國組織所建立，核心思想就是從分散電路控制過渡到集中電路控制，此時更多體現(xiàn)的是集中模擬式控制。世界性戰(zhàn)爭是這一時期工業(yè)控制系統(tǒng)理論與技術(shù)蓬勃發(fā)展的重要原因。有了戰(zhàn)時技術(shù)與理論的積累，工業(yè)控制系統(tǒng)在百廢待興的戰(zhàn)后時期在。進(jìn)行了大規(guī)模的更新?lián)Q代，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)更加耐用、精密，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)效率更高、更具實(shí)時性，以及中央控制機(jī)構(gòu)的操作更加直觀、簡單。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程3.數(shù)字化控制時期（1950-1980）：數(shù)字化控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)息息相關(guān)。1950年，斯佩里-蘭德公司造出了第一臺商業(yè)數(shù)據(jù)處理機(jī)UNIVAC，工業(yè)控制系統(tǒng)正式全面與通信系統(tǒng)及電子計(jì)算機(jī)結(jié)合，開啟了工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)字化的新領(lǐng)域。數(shù)年后，全球第一個數(shù)字化工業(yè)控制系統(tǒng)建設(shè)完成。此階段最大的特點(diǎn)是，各類數(shù)字化控制設(shè)備的廣泛應(yīng)用。4.以太網(wǎng)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展（1980年代中期至今）：該階段以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及以太網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域?yàn)闃?biāo)志。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)也邁向了一個新的階段。以太網(wǎng)通過使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和電纜，實(shí)現(xiàn)了高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。這使得工業(yè)自動化系統(tǒng)可以更加靈活地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。隨后，隨著工業(yè)控制需求的不斷增加，一些專用的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相繼出現(xiàn)。例如，ModbusTCP和PROFINET等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它們在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上對實(shí)時性、可靠性和安全性進(jìn)行了優(yōu)化，更適合工業(yè)自動化應(yīng)用的特殊需求。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程5.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合發(fā)展：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)也開始與物聯(lián)網(wǎng)相融合。萬物皆可連，工業(yè)現(xiàn)場的物料移動、工序過程、生產(chǎn)需求都可以利用物聯(lián)網(wǎng)和原有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的相結(jié)合。將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)測，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展歷程是一個從硬件到軟件、從集中到分散、從模擬到數(shù)字、從獨(dú)立到互聯(lián)的演進(jìn)過程。這個過程不斷推動著工業(yè)自動化系統(tǒng)的進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.1模擬信號控制系統(tǒng)模擬信號控制系統(tǒng)是一種早期的工業(yè)控制系統(tǒng)，其信號傳輸和處理采用模擬信號技術(shù)。在模擬信號控制系統(tǒng)中，傳感器將各種物理量，例如溫度、壓力、流量等，通過傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過模擬電路傳輸?shù)娇刂破??？刂破鲗邮盏降哪M信號進(jìn)行處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法計(jì)算出控制信號，再通過模擬電路輸出到執(zhí)行器。執(zhí)行器根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，此階段信號的傳輸、處理過程運(yùn)算放大器起到了核心作用。模擬信號控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、可靠性高、穩(wěn)定性好。但是，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，模擬信號控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來，如精度低、調(diào)試?yán)щy、擴(kuò)展性差等。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)的先天優(yōu)勢更突出地顯示出來，相比模擬信號處理技術(shù)具有更高的精度、更強(qiáng)的抗干擾能力、更好的靈活性和可擴(kuò)展性等等。因此，工業(yè)控制系統(tǒng)越來越普遍采用數(shù)字信號處理技術(shù)，模擬信號控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被淘汰。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.1模擬信號控制系統(tǒng)模擬信號控制系統(tǒng)也并不是毫無價(jià)值，在某些特定的應(yīng)用場景中，它仍然具有一定的應(yīng)用價(jià)值。例如，在一些需要高穩(wěn)定性和可靠性的場合，模擬信號控制系統(tǒng)可能仍然是首選方案。此外，在一些老舊設(shè)備的改造升級中，也可能需要使用模擬信號控制系統(tǒng)。因此，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，模擬信號控制系統(tǒng)的應(yīng)用仍然具有一定的市場和需求。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)是一種早期的工業(yè)控制系統(tǒng)，也就是采用一臺中心計(jì)算機(jī)來控制整個系統(tǒng)的所有對象和完成所有功能。在控制系統(tǒng)中，中心計(jì)算機(jī)是核心，所有的控制任務(wù)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理都是由它完成。具體包括數(shù)據(jù)的輸入輸出、實(shí)時數(shù)據(jù)的處理和保存、實(shí)時數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)處理和保存、人機(jī)界面的處理、報(bào)警和日志處理、系統(tǒng)本身的監(jiān)督管理等。計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)具有一定的優(yōu)點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)集中度高、數(shù)據(jù)庫容易管理、容易保證數(shù)據(jù)的一致性、硬件成本較低、控制結(jié)構(gòu)簡單、便于信息的采集和分析、易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制以及整體性與協(xié)調(diào)性較好。早期工業(yè)控制需求相對簡單，計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)體現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)越性，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的增加，計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)逐漸暴露出一些缺點(diǎn)。例如當(dāng)被控對象發(fā)生變化或增加時，系統(tǒng)的運(yùn)行效率會下降，并且維護(hù)也變得愈發(fā)復(fù)雜。更重要的是，由于該控制系統(tǒng)更多依賴于核心計(jì)算機(jī)，如果它出現(xiàn)問題，就可能會引發(fā)全局性癱瘓的惡性影響。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)目前，計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用收到了限制，多用在在小規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模應(yīng)用中已經(jīng)被分布式控制系統(tǒng)（DCS）所取代。DCS是一種新型的控制系統(tǒng)，它將控制功能分散到多臺計(jì)算機(jī)中，每臺計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)一部分控制任務(wù)，各計(jì)算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。DCS具有可靠性高、靈活性和擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.3分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，簡稱DCS）也稱集散控制系統(tǒng)，顧名思義就是對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。DCS核心思想是控制分散，操作和管理集中，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，其最大特點(diǎn)是集中管理和分散控制。DCS采用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想，分而制之和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，具有層次分明的體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要由過程控制單元（PCU）、數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）、CRT操作站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)高速公路（HW）五部分組成。該系統(tǒng)綜合計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等方面技術(shù)，被稱為4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.3分布式控制系統(tǒng)集散式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于克服了常規(guī)儀表功能單一、人機(jī)聯(lián)系差以及單臺微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)性高的缺點(diǎn)，既在管理、操作、顯示三方面進(jìn)行集中，又在功能、負(fù)荷和危險(xiǎn)性等三方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分散。它綜合繼承了常規(guī)儀表分散控制和計(jì)算機(jī)集中的優(yōu)點(diǎn)，采用先進(jìn)的控制技術(shù)使得控制器中預(yù)先存儲算法到ROM中，每一種算法代表一種功能，使得設(shè)計(jì)和定義功能更方便。通常稱各種算法為功能塊，功能塊的總稱為能塊庫。DCS系統(tǒng)主要包括以下四大部分：1.I/O接口卡件：通過它與現(xiàn)場儀表連接，實(shí)現(xiàn)A/D、D/A的轉(zhuǎn)換及部分的輸入輸出處理，采集來自檢測儀表的信號，同時輸出模擬或數(shù)字信號至執(zhí)行器；2.控制器：完成現(xiàn)場I/O信號的輸入輸出處理，運(yùn)用各種控制算法，完成連續(xù)的PID調(diào)節(jié)、順序控制、邏輯控制及先進(jìn)的過程控制等功能。通過串行接口，可以實(shí)現(xiàn)與PLC子系統(tǒng)的單向或雙向的通訊；1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.3分布式控制系統(tǒng)3.過程控制網(wǎng)：控制器、操作站均是過程控制網(wǎng)的一個節(jié)點(diǎn)，過程控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制器與控制器之間，控制器與操作站之間，操作站與操作站之間的點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊；4.人機(jī)交互：指的是控制網(wǎng)的操作站，操作站的主要功能就是從控制器讀取過程采集來的數(shù)據(jù)，同時把在操作站設(shè)定的數(shù)據(jù)寫到控制器里。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，簡稱FCS）是一種全數(shù)字串行、雙向通信系統(tǒng)，主要用于連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)。它采用數(shù)字通信協(xié)議，使得測量和控制設(shè)備如探頭、激勵器和控制器可以相互連接、監(jiān)測和控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的觀念引入工業(yè)控制領(lǐng)域，形成一種數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)；2.現(xiàn)場設(shè)備互連：系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的互連，主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題；1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)3.互操作性：系統(tǒng)支持不同制造商的設(shè)備之間的互操作性，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性；4.分散的功能塊：系統(tǒng)的功能塊可以分散到不同的設(shè)備中，這樣可以更好地適應(yīng)工業(yè)控制的需求，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性；5.通信線供電：系統(tǒng)可以通過通信線為設(shè)備提供電源，從而簡化了布線，降低了維護(hù)成本；6.開放型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)可以與Internet互連，構(gòu)成不同層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，代表了今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種方向。在工廠網(wǎng)絡(luò)的分級中，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既可作為過程控制，例如PLC和應(yīng)用智能儀表，包括變頻器、閥門、條碼閱讀器等的局部網(wǎng)，1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)又具有在網(wǎng)絡(luò)上分布控制應(yīng)用的內(nèi)嵌功能。國際上已知的現(xiàn)場總線類型有四十余種，比較典型的現(xiàn)場總線有FF、Profibus、LONworks、CAN、HART、CC-LINK等。由于其廣闊的應(yīng)用前景，眾多國外有實(shí)力的廠家競相投入力量進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.5工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通。相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)具有更高的通信帶寬和更遠(yuǎn)的通信距離，支持更多的設(shè)備連接和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢包括：1.高可靠性和穩(wěn)定性：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時性；2.易于擴(kuò)展和維護(hù)：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)備連接數(shù)量和通信距離都得到了極大的擴(kuò)展，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展和維護(hù)，能夠滿足不同規(guī)模和復(fù)雜度的工業(yè)自動化控制需求；1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展歷程1.5工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容3.豐富的設(shè)備選擇：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)支持多種不同類型的設(shè)備連接，包括傳感器、執(zhí)行器、人機(jī)界面等，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)靈活的自動化控制；在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容4.高效的數(shù)據(jù)傳輸：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的通信帶寬較高，可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速傳輸和處理，提高了自動化控制系統(tǒng)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性；工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的需求，促進(jìn)工業(yè)自動化的發(fā)展。5.易于集成和互操作：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)采用開放的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，易于與其他系統(tǒng)集成和互操作，能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠商設(shè)備之間的互通和協(xié)作。2現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線具有簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視?，F(xiàn)場總線具有現(xiàn)場控制設(shè)備和通信功能，構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)，并且通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互操作性。2現(xiàn)場總線概述2.1現(xiàn)場總線的特點(diǎn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)等多種技術(shù)的集成，是應(yīng)用現(xiàn)場的智能設(shè)備相互連接，實(shí)現(xiàn)測控設(shè)備之間以及測控設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞，從而構(gòu)成一個綜合的、分布式的、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字化測控網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)上述的功能，現(xiàn)場總線具有以下幾個方面的特點(diǎn)：1.通信方式：總線上可連接多臺儀表，雙向傳輸多個信號，導(dǎo)線數(shù)量減少，成本降低；2.傳輸方式：采用串行數(shù)字傳輸方式，結(jié)合數(shù)字校驗(yàn)技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，傳輸精度高；3.控制功能：控制功能分散到現(xiàn)場變送器或執(zhí)行器，現(xiàn)場設(shè)備間可以實(shí)行雙向通信，并可構(gòu)成控制回路；4.互操作性：不同廠家的現(xiàn)場儀表滿足一定的協(xié)議規(guī)范，便可互換，并且不同品牌的儀表都可以連接到同一個網(wǎng)絡(luò)上，組態(tài)方法統(tǒng)一，即可互聯(lián)操作；2現(xiàn)場總線概述2.1現(xiàn)場總線的特點(diǎn)5.開放性：可與同層網(wǎng)絡(luò)、不同層網(wǎng)絡(luò)、不同廠家生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享；6.智能化與功能自治性：現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；7.分散性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；8.適應(yīng)性：對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。2現(xiàn)場總線概述2.2現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型建立的。OSI參考模型共分七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一層的功能以及對上一層所提供的服務(wù)?，F(xiàn)場總線根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用的具體情況，簡化了模型，只采用了OSI的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層、第七層應(yīng)用層，同時考慮到現(xiàn)場裝置控制功能和具體應(yīng)用需求還增加了用戶層?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有很多種類，通常是由國家、企業(yè)聯(lián)盟組織等提出，針對工業(yè)現(xiàn)場的具體應(yīng)用，從設(shè)備的物理連接、數(shù)據(jù)傳輸與交互、數(shù)據(jù)格式、命令代碼等等制定出具體的細(xì)節(jié)，用戶按這些規(guī)范應(yīng)用。例如丹麥國家標(biāo)準(zhǔn)DSF21906、德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245、法國國家標(biāo)準(zhǔn)FIPC46601-607、WorldFIP、日本JEMA標(biāo)準(zhǔn)CC-Link、美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/NEMA以等同方式支持的ISA/IEC標(biāo)準(zhǔn)草案等。這些標(biāo)準(zhǔn)都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，但它們都遵循現(xiàn)場總線的基本原理和OSI參考模型。2現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線協(xié)議有幾百種版本，包括開放式標(biāo)準(zhǔn)，缺乏一種通用標(biāo)準(zhǔn)。開放性標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)勢在于對大規(guī)模集散控制系統(tǒng)(DCS)和可編程序控制系統(tǒng)的支持和使用，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)開發(fā)和后期維護(hù)的效率。針對特定系統(tǒng)的總線協(xié)議，面向小規(guī)模，具有專有、封閉的特點(diǎn)，只局限于運(yùn)用在它們支持的設(shè)備中，這種應(yīng)用缺乏普適性，也不便于大規(guī)模特別是多廠家協(xié)調(diào)。人們希望執(zhí)行一種統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，雖然國際電工委員會很早就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，但至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。雖然現(xiàn)場總線并非一個全球標(biāo)準(zhǔn)，但它正逐漸被歐洲一些國家所接受，且成為基金會現(xiàn)場總線規(guī)范的構(gòu)成部分。新型現(xiàn)場總線的創(chuàng)新速度在逐漸減慢，但近來多種新型的開放性現(xiàn)場總線已生產(chǎn)上市，如工控網(wǎng)的過程現(xiàn)場總線和基金會現(xiàn)場總線。過程現(xiàn)場總線和基金會現(xiàn)場總線在生產(chǎn)實(shí)際中，已經(jīng)在大量設(shè)備投入應(yīng)用作為基礎(chǔ)，兩者都不會被淘汰。過程現(xiàn)場總線已開始吸收采用基金會基礎(chǔ)現(xiàn)場總線的一些特性，但要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一還是非常困難的。過程現(xiàn)場總線和基金會現(xiàn)場總線將繼續(xù)發(fā)展，以后二者可能服務(wù)于同一應(yīng)用程序。2現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線系統(tǒng)功能整合現(xiàn)場總線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌?，與其它系統(tǒng)進(jìn)行整合非常重要。雖然基金會現(xiàn)場總線和過程現(xiàn)場總線都提供了允許系統(tǒng)整合的接口文件和互用策略，最好的方式為二者主要協(xié)議相融。畢竟這兩種協(xié)議有著相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括一種高速鏈路聯(lián)接較低速的PA和H1現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)?；饡F(xiàn)場總線目前已將對H2高速總線的研發(fā)轉(zhuǎn)向利用高速以太網(wǎng)。即使用高速以太網(wǎng)為綜合現(xiàn)場總線提供了最靈活的多種解決方案。過程現(xiàn)場總線傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)是RS485雙絞線或光纖，這一技術(shù)已經(jīng)非常成熟。過程現(xiàn)場總線采用的整合方法并不是最優(yōu)的，過程現(xiàn)場總線允許循環(huán)設(shè)備通過GSD文件存取，使得運(yùn)轉(zhuǎn)過程更加復(fù)雜化。此外，過程現(xiàn)場總線的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和參數(shù)設(shè)定也是弱項(xiàng)，常需多種外部軟件工具支持協(xié)助。2現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線維修維護(hù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)通過提供關(guān)于現(xiàn)場設(shè)備狀況和維修條件的及時信息來節(jié)約操作費(fèi)用。設(shè)備類型管理器運(yùn)行方法以明確的語言表述設(shè)備配置和狀態(tài)信息，使同級別的信息隨設(shè)備維修條件而傳遞。當(dāng)某一設(shè)備狀態(tài)存在異常，資源監(jiān)控器會預(yù)先自動提醒操作者，使其提前做好準(zhǔn)備。就某種程度而言，這就要視設(shè)備和系統(tǒng)的特性而定。既然可以以這種方式獲得診斷、維修信息，那么，那些附加標(biāo)準(zhǔn)就可以將診斷、維修信息碼改譯成明確、清楚的指令或指示，從而使可獲資源最大化，且減少不必要的預(yù)防性維修。編制加載準(zhǔn)確的設(shè)備文件可縮短查找故障時間。對隱藏的設(shè)備故障進(jìn)行診斷，系統(tǒng)需要查找到正確的文件才能夠?qū)崿F(xiàn)維護(hù)設(shè)備的有效性，而這些則是最困難的工作。2現(xiàn)場總線概述總線元件的遠(yuǎn)程尋址可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道設(shè)備提供一定的維修信息，并能遠(yuǎn)程獲取設(shè)備配置及支持，這與我們已經(jīng)討論過的現(xiàn)場總線協(xié)議相似。在可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議情況下，各設(shè)備間用4~20mA模擬信號通訊，盡管能夠通過合適的工具和組成成分獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，但其速度緩慢?？蓪ぶ愤h(yuǎn)程傳感器高速通道信息，上傳到主機(jī)系統(tǒng)的功能變得愈加普遍。資源監(jiān)控器應(yīng)用軟件，被用來最大化可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道設(shè)備的可用性。這一點(diǎn)，類似于基金會現(xiàn)場總線設(shè)備和過程現(xiàn)場設(shè)備中資源監(jiān)控器的功能。可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道設(shè)備類型管理器，也可以為所有既得特性提供全方位設(shè)備支持。2現(xiàn)場總線概述FF現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是八十年代末在國際上發(fā)展起來的用于過程自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。在眾多的現(xiàn)場總線技術(shù)中，由現(xiàn)場總線基金會組織（FieldbusFoundation，即FF）開發(fā)的基金會現(xiàn)場總線（以下簡稱“FF現(xiàn)場總線”）在過程自動化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。FF現(xiàn)場總線以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并，該總線在過程自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。2現(xiàn)場總線概述FF現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundationFieldbus）是一種以ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模式為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線技術(shù)。它取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達(dá)1900m，可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距離為750m和500m，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符號IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。2現(xiàn)場總線概述FF現(xiàn)場總線FF現(xiàn)場總線在低速H1網(wǎng)段上掛接多個現(xiàn)場總線設(shè)備，完成現(xiàn)場的智能化儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分散I/O等設(shè)備間的數(shù)字通信以及與控制系統(tǒng)間的信息傳遞。完整的H1網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成部件有現(xiàn)場總線接口、終端器、總線電源、本質(zhì)安全柵、現(xiàn)場設(shè)備、中繼器、網(wǎng)橋、傳輸介質(zhì)等，每個分支通過鏈路設(shè)備連接到FF總線HSE高速網(wǎng)段，數(shù)據(jù)通過HSE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)場總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)工程要求，可采用不同的形式，比如點(diǎn)對點(diǎn)、樹型、分支或組合拓樸結(jié)構(gòu)，不建議采用鏈拓樸形式。2現(xiàn)場總線概述HART現(xiàn)場總線HART總線是Rosemount公司于1993年開發(fā)的一種應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊總線。HART是英文“HighwayAddressableRemoteTransducer”的縮寫，意為“可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路”。它是一種面向事務(wù)的通信服務(wù)協(xié)議，用于過程控制設(shè)備，旨在增強(qiáng)傳統(tǒng)的4-20mA模擬信號傳輸。HART協(xié)議與其他現(xiàn)場總線有所不同，比較特殊，它并不真正意義上的現(xiàn)場總線，而是一種過渡協(xié)議，在4-20mA模擬電流信號到數(shù)字信號之間起到了過渡作用。HART協(xié)議在傳統(tǒng)的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號上疊加上頻移鍵控的數(shù)字信號，可以讓原有的電流模擬信號設(shè)備繼續(xù)使用，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號信息傳輸。二十世紀(jì)八十年代中期，羅斯門特推行發(fā)布了HART協(xié)議，用于規(guī)定多功能儀表設(shè)備和控制主機(jī)之間各層的通信規(guī)范。2現(xiàn)場總線概述HART現(xiàn)場總線HART總線的數(shù)據(jù)信號傳輸方法是在4-20mA信號上疊加一個電流調(diào)頻信號。其中，邏輯“1”用1200Hz信號表示，邏輯“0”用2200Hz信號表示，波特率為1200bps。這種傳輸方式使得HART總線可以利用原有的4-20mA信號線同時傳輸數(shù)字信號，無需再進(jìn)行額外的布線，節(jié)省現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通訊線，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊無疑是經(jīng)濟(jì)的選擇。HART協(xié)議中包含幾十到上百種命令，要使這些命令發(fā)揮最大作用，就需要讓HART主從機(jī)之間建立長期穩(wěn)定的聯(lián)接。如果僅僅使用上位機(jī)或HART手操器與從機(jī)儀表之間進(jìn)行偶爾的通信和參數(shù)調(diào)整，無法完全發(fā)揮HART儀器儀表的最大價(jià)值。HART總線主機(jī)與現(xiàn)場總線儀表連接保持長期穩(wěn)定，具有以下幾個方面的特點(diǎn)：2現(xiàn)場總線概述簡化總線網(wǎng)絡(luò)和分布設(shè)備的調(diào)試HART儀表內(nèi)置的指令回復(fù)中包含了儀表本身的信息，包括儀表的型號、量程上下限、生產(chǎn)廠家、儀器ID等，所以工作人員從上位機(jī)直接獲取儀表信息，進(jìn)而核實(shí)各儀表是否被正確使用，不需要再到每一個儀表的位置進(jìn)行核查。HART儀表還能對主機(jī)要求的量程等組態(tài)信息進(jìn)行反饋。調(diào)試現(xiàn)場設(shè)備過程中，將現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)參數(shù)設(shè)置到合適的值，使其與分散控制網(wǎng)絡(luò)相配合是很重要的一環(huán)。當(dāng)儀表的組態(tài)設(shè)置與分散控制系統(tǒng)的所需設(shè)置不匹配，控制策略就不能正常發(fā)揮作用，甚至引起錯誤報(bào)警。用戶只需要在主機(jī)遠(yuǎn)程對從機(jī)發(fā)起詢問，就能夠知道某個特定儀表當(dāng)前的設(shè)置信息，并能直接在主機(jī)對從機(jī)的設(shè)置發(fā)起修改。另外，調(diào)試過程中使用者還可以借助HART指令控制現(xiàn)場設(shè)備輸出特定的模擬信號，從中觀察系統(tǒng)，進(jìn)而核查控制網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)是否正確。2現(xiàn)場總線概述高效的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理HART設(shè)備中存儲有生產(chǎn)廠家、型號、裝配號和序列號等信息，工作人員能夠時常調(diào)取查看，增強(qiáng)對總線網(wǎng)絡(luò)上每個不同HART設(shè)備的了解，解決了舊式模擬儀表難以分析問題的弊端，增強(qiáng)了儀表網(wǎng)絡(luò)管理的便捷性，節(jié)省了人力資源。并且，HART儀表報(bào)錯后，能夠?qū)x表的具體問題進(jìn)行查詢，能遠(yuǎn)程知悉儀表的問題，在前往現(xiàn)場之前做好維修準(zhǔn)備，避免了舊式儀表先現(xiàn)場查看再準(zhǔn)備維修條件的資源、時間浪費(fèi)。對于有損耗的儀器設(shè)備如泵和閥門等，HART設(shè)備可提供日期信息，方便使用者計(jì)算儀器使用期限，定期進(jìn)行維修和處理。如HART泵能夠統(tǒng)計(jì)泵的總運(yùn)行時間，當(dāng)累計(jì)時長接近生產(chǎn)廠家指定的使用壽命時，則說明需要維修器件。借助這種方式，能讓HART儀器的使用者有規(guī)劃地對儀器設(shè)備進(jìn)行維修和準(zhǔn)備備用方案，提高了生產(chǎn)效益和工作效率。2現(xiàn)場總線概述減少系統(tǒng)意外故障HART通訊技術(shù)不僅可以幫助運(yùn)行人員判斷是否有儀表引起異常，還可以提供更為詳細(xì)的診斷信息，方便運(yùn)行人員進(jìn)行故障排查。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，無論是儀表本身的問題還是生產(chǎn)過程中遇到的異常情況，都可能會引起系統(tǒng)運(yùn)行中的異常報(bào)警。HART通訊技術(shù)能夠在每次傳輸中攜帶儀表狀態(tài)信息，如工作狀態(tài)、傳感器健康狀況和電池電量等，正是因?yàn)檫@一特性，它能夠幫助運(yùn)行人員準(zhǔn)確地判斷是否存在異常情況。此外，HART通訊技術(shù)支持雙向通信，這使得運(yùn)行人員不僅可以獲取儀表信息，還可以通過遠(yuǎn)程操作進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精細(xì)控制。HART通訊技術(shù)可以及時傳輸儀表的狀態(tài)信息，運(yùn)行人員能夠準(zhǔn)確判斷哪些儀表存在異常情況，從而能夠?qū)⒆⒁饬性诳赡艽嬖趩栴}的儀表上進(jìn)行監(jiān)測，縮小監(jiān)視范圍。HART協(xié)議設(shè)備還具有核查自身輸出信號的功能，可以將輸出信號與自身內(nèi)部要發(fā)出的數(shù)字信號進(jìn)行比較，來確定信號是否轉(zhuǎn)化正確。HART協(xié)議設(shè)備還可以直接連接到安全系統(tǒng)中，設(shè)備發(fā)出的故障信息可以直接為安全系統(tǒng)所用，引發(fā)相應(yīng)程序措施，避免等待報(bào)警門檻而引發(fā)的麻煩，提高了系統(tǒng)總體的穩(wěn)定性。2現(xiàn)場總線概述多掛接和多過程變量可簡化控制網(wǎng)絡(luò)比于舊式模擬儀表，HART儀表能夠測量更多變量，最多可輸出四種被測量的值。利用這一特點(diǎn)，可以大大減少儀表的使用量，同時還減少了主機(jī)設(shè)備的掛載負(fù)擔(dān)。如果用在對數(shù)據(jù)時效性要求不高的測量系統(tǒng)中，還可以借助多掛接的辦法節(jié)約供電資源。3工業(yè)以太網(wǎng)概述3.1工業(yè)以太網(wǎng)的由來工業(yè)以太網(wǎng)一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，在實(shí)時性、可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，是一種典型的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種直接面向生產(chǎn)過程的特殊網(wǎng)絡(luò)。肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)一線的測量與控制信息傳輸?shù)娜蝿?wù)，它通常應(yīng)滿足強(qiáng)實(shí)時性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性等特殊要求。工業(yè)控制網(wǎng)發(fā)展經(jīng)歷了DCS、FCS，工業(yè)以太網(wǎng)等幾個階段。DCS是工業(yè)控制系統(tǒng)的第一代主力軍。隨后，F(xiàn)CS取而代之，開創(chuàng)了控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新局面。FCS的具有較高的可靠性、實(shí)時性和抗干擾能力，并且結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、節(jié)省設(shè)備投資，這些使它在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是由于FCS協(xié)議種類繁多，實(shí)現(xiàn)兼容與操作十分困難?，F(xiàn)場總線開始轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)，以太網(wǎng)在工業(yè)企業(yè)信息化系統(tǒng)中的管理層、監(jiān)控層得到了廣泛應(yīng)用，向下延伸應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。3工業(yè)以太網(wǎng)概述3.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)工業(yè)以太網(wǎng)價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高。此外，PLC控制器上的工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器也支持這種技術(shù)。然而，工業(yè)以太網(wǎng)和普通以太網(wǎng)在應(yīng)用場景、可靠性要求和協(xié)議特性等方面存在差異。工業(yè)以太網(wǎng)主要應(yīng)用于工業(yè)控制和自動化領(lǐng)域，如制造業(yè)、能源、交通運(yùn)輸?shù)?，需要滿足更高的可靠性要求，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和實(shí)時性。同時，工業(yè)以太網(wǎng)也支持通用的以太網(wǎng)協(xié)議，如TCP/IP和UDP等，以實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和通信。它的具體優(yōu)勢如下：3工業(yè)以太網(wǎng)概述應(yīng)用廣泛工業(yè)以太網(wǎng)性價(jià)比較高而倍受關(guān)注，得到廣泛的技術(shù)支持，最典型的應(yīng)用技術(shù)是Ethernet+TCP/IP+Web。該類技術(shù)為所有的編程語言所支持。軟硬件資源豐富，易與Internet連接實(shí)現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫集成。3工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)級電源和總線供電技術(shù)工業(yè)級電源輸出功率大，濾波功能完善，抗干擾能力強(qiáng)，電源采用冗余結(jié)構(gòu)，可靠性高。采用總線供電技術(shù)減少了網(wǎng)絡(luò)線纜，降低了安裝復(fù)雜性和投入資金，以提高了網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的易維護(hù)性。3工業(yè)以太網(wǎng)概述傳輸速率快目前，工業(yè)以太網(wǎng)的速率是10Mbit/s，100Mbit/s的快速以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用，1000Mbit／s工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，10Gbit／s的工業(yè)以太網(wǎng)也正在研究。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，這意味著網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率大大下降。3工業(yè)以太網(wǎng)概述實(shí)時性工業(yè)以太網(wǎng)采用了全雙工通信、交換機(jī)技術(shù)，使得接受和發(fā)送過程同時進(jìn)行。此外同步分散實(shí)時時鐘協(xié)議以及高速通道協(xié)議等新技術(shù)的應(yīng)用，也使實(shí)時性問題得到很好的解決。3工業(yè)以太網(wǎng)概述工業(yè)適應(yīng)性更強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)在沒計(jì)時，提高了設(shè)備的可靠性，添加了速度更高的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)算法。采用智能管理系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)視和診斷、維護(hù)管理。并在主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖通信以提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。3工業(yè)以太網(wǎng)概述網(wǎng)絡(luò)安全性安全上采用兩級防火墻，分別從外部和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行非法訪問的屏蔽與限制。此外還利用登陸控制、數(shù)據(jù)加密、等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全管理。目前市場上已經(jīng)有比較成熟的針對工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)安全軟件，如PROFIsafe、CIPSafety等。3工業(yè)以太網(wǎng)概述本質(zhì)安全當(dāng)前以太網(wǎng)應(yīng)用的現(xiàn)場設(shè)備，通過增安、氣密、澆封等多種防爆措施，來避免設(shè)備發(fā)生故障時不會使電火能量外泄，同時盡量采用低功耗的現(xiàn)場設(shè)備和交換機(jī)從根源上保障系統(tǒng)的安全性。3工業(yè)以太網(wǎng)概述后續(xù)功能擴(kuò)展性好目前的工業(yè)以太網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸，人機(jī)界面(HMT)以及觸摸屏都得到了及時應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)以太網(wǎng)還將開發(fā)出更多的應(yīng)用。3工業(yè)以太網(wǎng)概述3.3工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。由IEEE組織的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了物理層連接、電子信號和介質(zhì)接入層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)現(xiàn)在是最流行的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了令牌環(huán)、FDDI、ARCNET等其它局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)是世界上使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。日常生活中的網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)，通常說的交換機(jī)，專業(yè)名稱應(yīng)該叫以太網(wǎng)交換機(jī)，通常的光纖交換機(jī)也使用以太網(wǎng)技術(shù)，只是傳輸介質(zhì)由網(wǎng)線改為光纖。雖然工業(yè)以太網(wǎng)也符合國際標(biāo)準(zhǔn)，即IEC61784里的標(biāo)準(zhǔn)，但是工業(yè)以太網(wǎng)不都是符合標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。即這些工業(yè)以太網(wǎng)并不都是符合IEEE802.3U的標(biāo)準(zhǔn)，這其中只有Modbus-TCP和EtherNet/IP是符合IEEE802.3U，只有符合IEEE802.3U標(biāo)準(zhǔn)的，才能與IT和以太網(wǎng)將來相兼容。工業(yè)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議，并與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，但在應(yīng)用層會根據(jù)實(shí)際控制需求加入各自特有的協(xié)議。它是一種針對工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高速、可靠、實(shí)時的數(shù)據(jù)傳輸和通信。3工業(yè)以太網(wǎng)概述3.3工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)相較于傳統(tǒng)的工業(yè)通信協(xié)議，工業(yè)以太網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度、更強(qiáng)的互聯(lián)性與可擴(kuò)展性，能夠?qū)⒉煌愋偷脑O(shè)備和系統(tǒng)連接在同一網(wǎng)絡(luò)中，從而提高生產(chǎn)效率和管理水平。這些工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)各有特點(diǎn)，適用于不同的工業(yè)自動化應(yīng)用場景。在選擇適合的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)時，需要考慮具體的應(yīng)用需求、設(shè)備兼容性、通信速率、實(shí)時性要求等因素。對與那些不符合IEEE802.3U標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)，它們根據(jù)工業(yè)控制的實(shí)際需求，從硬件或軟件上對以太網(wǎng)進(jìn)行了修改，因此已經(jīng)不是以太網(wǎng)了，也就不滿足以太網(wǎng)的基本標(biāo)準(zhǔn)了。3工業(yè)以太網(wǎng)概述3.4主流工業(yè)以太網(wǎng)介紹工業(yè)環(huán)境中使用的網(wǎng)絡(luò)不僅需要具有以太網(wǎng)的通用性和靈活性，同時還對實(shí)時性、可靠性、耐用性和抗干擾性提出了較高的要求。目前主流的幾種主要工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能很好適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的需求，提供高性能、可靠的通信應(yīng)用較為廣泛。3工業(yè)以太網(wǎng)概述EtherCATEtherCAT也就是以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)，這是一個以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開放架構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。EtherCAT名稱中的CAT為ControlAutomationTechnology，也就是控制自動化技術(shù)首字母的縮寫。它具有高速、靈活和確定性等特點(diǎn)，適用于各種工業(yè)自動化應(yīng)用，目前應(yīng)用較為廣泛。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，主站（Master）負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)，而從站（Slave）則執(zhí)行具體的任務(wù)，如傳感器讀取、執(zhí)行器控制等。每個從站都有唯一的標(biāo)識符，可以在一個EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中同時處理多個設(shè)備，實(shí)現(xiàn)同步和實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，支持大量節(jié)點(diǎn)的同時連接。它可以提供高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，適合需要快速響應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用，通過確定性通信機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性，由于其基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，使其易于與其它以太網(wǎng)設(shè)備集成，易于擴(kuò)展，可以方便地添加或移除設(shè)備。目前EtherCAT網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化場景，如機(jī)器人、機(jī)器工具、汽車制造、包裝機(jī)械等場合。3工業(yè)以太網(wǎng)概述Ethernet/IPEthernet/IP是一個面向工業(yè)自動化應(yīng)用的工業(yè)應(yīng)用層協(xié)議。EtherNet／IP得到了IAONA、IEA、CI、ODVA等組織的支持。EtherNet/IP采用以太網(wǎng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及TCP／IP協(xié)議。它建立在標(biāo)準(zhǔn)UDP/IP與TCP/IP協(xié)議之上，利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設(shè)備定義了一個應(yīng)用層協(xié)議。Ethernet/IP的優(yōu)勢在于其廣泛的應(yīng)用和開放的標(biāo)準(zhǔn)，使得不同廠商的設(shè)備可以無縫集成。EtherNet／IP最具特色的部分為其應(yīng)用層和用戶層的控制和信息協(xié)議CIP英文全稱為ControlAndinformationProtect。CIP由對象建模、信息協(xié)議、通信對象、對象庫、設(shè)備描述、設(shè)備配置方法和數(shù)據(jù)管理等部分組成。頂層公共規(guī)范CIP的功能組成如圖1-1所示。3工業(yè)以太網(wǎng)概述Ethernet/IP圖1-1頂層公共規(guī)范CIP的功能組成從圖1-1可以看到CIP包括了DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP的頂層公共規(guī)范，是獨(dú)立于物理媒體和數(shù)據(jù)鏈路層的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，可實(shí)現(xiàn)這3種不同網(wǎng)絡(luò)的互連，提供工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備如傳感器、執(zhí)行器和高端設(shè)備(控制器)之間的通信。3工業(yè)以太網(wǎng)概述Ethernet/IPCIP規(guī)范支持多處理器結(jié)構(gòu)，任何一個處理器既可“擁有”自己的I／O或設(shè)備，又可監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的輸入和輸出，與其它控制器進(jìn)行實(shí)時互鎖或?qū)Φ韧ㄐ?。CIP數(shù)據(jù)傳輸采用“生產(chǎn)者／消費(fèi)者”模式來提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率。EtherNet/IP具有3種最基本的功能：3工業(yè)以太網(wǎng)概述實(shí)時控制基于控制器或智能設(shè)備內(nèi)所存儲的組態(tài)信息，通過網(wǎng)絡(luò)通信中的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，可提供操作或過程中的實(shí)時工廠級數(shù)據(jù)交換。(2)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)通過總線既可實(shí)現(xiàn)對同層網(wǎng)絡(luò)EtherNet／IP的組態(tài)，也可實(shí)現(xiàn)對下層網(wǎng)絡(luò)DeviceNet和ControlNet的組態(tài)。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)可以在網(wǎng)絡(luò)啟動時進(jìn)行，而設(shè)備參數(shù)修改或控制器邏輯修改也可以在線通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。(3)數(shù)據(jù)采集可基于既定節(jié)拍或應(yīng)用需要來方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。所需要的數(shù)據(jù)通過人機(jī)接口顯示，包括趨勢和分析、配方管理和系統(tǒng)故障等。3工業(yè)以太網(wǎng)概述實(shí)時控制應(yīng)用于控制場合的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎糜性葱切屯負(fù)?0/100Mb/s，成組的設(shè)備采用點(diǎn)對點(diǎn)方式連接到以太網(wǎng)交換機(jī)。交換機(jī)是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心。EtherNet/IP現(xiàn)場設(shè)備具有內(nèi)置的webserver功能，不僅能夠提供www服務(wù)，還能提供諸如電子郵件等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，其模塊、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器獲得。EtherNet/IP的現(xiàn)有產(chǎn)品已能通過HTTP提供諸如讀寫數(shù)據(jù)、讀診斷、發(fā)送電子郵件、編輯組態(tài)數(shù)據(jù)等能力。3工業(yè)以太網(wǎng)概述PROFINET網(wǎng)絡(luò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)是由PROFIBUS國際組織PI英文全稱為PROFIBUSInternational推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFINET提供了實(shí)時通信、非實(shí)時通信和IT通信等多種服務(wù)，可以滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的不同需求。PROFINET是用于PROFINET縱向集成的、開放的、統(tǒng)一的完整系統(tǒng)解決方案，它能將現(xiàn)有的PROFINET網(wǎng)絡(luò)通過代理服務(wù)器Proxy連接到以太網(wǎng)上，從而將工廠自動化和企業(yè)信息管理自動化有機(jī)地融為一體。PROFINET采用組件對象模型COM／DCOM技術(shù)，通過優(yōu)化的通信機(jī)制來滿足實(shí)時通信的要求。以對象的形式表示的PROFINET組件根據(jù)對象協(xié)議交換其自動化數(shù)據(jù)。自動化對象COM對象作為協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU全稱為ProtocolDataUnit，3工業(yè)以太網(wǎng)概述PROFINET網(wǎng)絡(luò)以DCOM全稱為DistributedComponentObjectModel協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在現(xiàn)場總線上。連接對象活動控制ACC0確保已組態(tài)的互相連接的設(shè)備間通信關(guān)系的建立和數(shù)據(jù)交換。PROFINET構(gòu)成從它的I/O層直至以太網(wǎng)的基于組件的分布式自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方案。在該方案中，通過以太網(wǎng)TCP／IP訪問PROFINET設(shè)備是由Proxy使用遠(yuǎn)方程序調(diào)用和DCOM來實(shí)現(xiàn)的。Proxy既代表了PROFINET用戶，又代表了工業(yè)以太網(wǎng)上的其它PROFINET用戶?；谝蕴W(wǎng)的PROFINET三種通信應(yīng)用如圖1-2所示。3工業(yè)以太網(wǎng)概述PROFINET網(wǎng)絡(luò)圖1-2PROFINET三種通信應(yīng)用PROFINET網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個特點(diǎn)：1）TCP、UDP和IP，此時是非實(shí)時通訊，用于非時間緊要數(shù)據(jù)的傳輸，如參數(shù)分配和配置。3工業(yè)以太網(wǎng)概述PROFINET網(wǎng)絡(luò)2）軟實(shí)時SRT即SoftRealTime，此時用于工廠自動化等場合的時間緊要過程數(shù)據(jù)的傳輸。3）同步實(shí)時IRT即IsochronousReal-Time，此時用于運(yùn)動控制等特殊復(fù)雜的需求中。對于用戶而言，PROFINET可以使網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備組態(tài)、試運(yùn)行、操作和維護(hù)更為簡便。PROFINET能夠滿足向分布式自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，為日趨全球化和Internet日益普及的世界提供了一種靈活而且面向未來的自動化途徑。3工業(yè)以太網(wǎng)概述Modbus/TCPModbus/TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)備的MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。MODBUS/TCP因其簡單性和普及性，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Modbus/TCP是由Schneider公司于1999年公布的。Modbus/TCP基本上沒有對Modbus協(xié)議本身進(jìn)行修改，只是為了滿足控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性的需要，改變了數(shù)據(jù)的傳輸方法和通信速率。Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。3工業(yè)以太網(wǎng)概述Modbus/TCP圖1-3Modbus／TCP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖典型的Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)包括為連接到Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)上的客戶機(jī)和服務(wù)器，用于Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)和串行線子網(wǎng)互連的網(wǎng)橋、路由器或網(wǎng)關(guān)等互連設(shè)備。Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)以一種非常簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，在應(yīng)用層采用與常規(guī)的Modbus/RTU協(xié)議相同的登記方式。Modbus/TCP采用一種面向連接的通信方式，即每一個呼叫都要求一個應(yīng)答。這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus的主/從機(jī)制相互配合，使Modbus/TCP交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性。Modbus/TCP允許利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看控制網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的運(yùn)行情況。Schneider公司已經(jīng)為Modbus注冊了502端口，這樣就可以將實(shí)時數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)頁中。通過在設(shè)備中嵌入webserver，即可將web瀏覽器作為設(shè)備的操作終端。3工業(yè)以太網(wǎng)概述Modbus/TCP但是，Modbus/TCP本身尚存在一些缺陷，它不支持諸如基于對象的通信模型等一些正在被廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，沒有可供下載編程和配置的標(biāo)準(zhǔn)，用戶在使用的時候，不得不手工配置一些參數(shù)，比如信息數(shù)據(jù)類型、寄存器號等。另外，其通訊基于TCP/IP協(xié)議，頭部開銷較大，可能會占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，特別是對于大量小數(shù)據(jù)包的傳輸，效率不高。由于TCP的確認(rèn)機(jī)制，Modbus/TCP在數(shù)據(jù)傳輸過程中可能存在一定的延遲，這對于實(shí)時性要求高的工業(yè)控制應(yīng)用不夠理想。Modbus/TCP在數(shù)據(jù)傳輸時，如果出現(xiàn)丟包或者數(shù)據(jù)包錯誤，它依賴于應(yīng)用程序來處理這些異常情況，而不是在協(xié)議層面上進(jìn)行自動恢復(fù)。雖然可以添加SSL/TLS等加密手段增強(qiáng)安全性，但如果沒有加密，數(shù)據(jù)在傳輸過程中容易受到中間人攻擊，且默認(rèn)情況下Modbus/TCP不支持用戶認(rèn)證。盡管Modbus/TCP是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但不同廠商的設(shè)備實(shí)現(xiàn)可能有差異，可能導(dǎo)致兼容性問題。對于嵌入式設(shè)備，Modbus/TCP可能需要更多的處理器和內(nèi)存資源，對于資源有限的設(shè)備來說可能是個挑戰(zhàn)。3工業(yè)以太網(wǎng)概述高速以太網(wǎng)HSEHSE是現(xiàn)場總線基金會對FFH1的高速網(wǎng)段的解決方案。HSE的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層采用100Mb／s以太網(wǎng)規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，傳輸層采用TCP、UDP協(xié)議，而應(yīng)用層是獨(dú)具特色的現(xiàn)場設(shè)備訪問FDA也就是FieldDeviceAccess。HSE使用的用戶層與H1的相同，可實(shí)現(xiàn)模塊間的相互操作并可調(diào)用H1開發(fā)的模塊和設(shè)備描述。在FF的有關(guān)HSE的技術(shù)規(guī)范中，包括HSE高速以太網(wǎng)、以太網(wǎng)在線、現(xiàn)場設(shè)備訪問、HSE系統(tǒng)管理、HSE冗余、HSE網(wǎng)絡(luò)管理和HSE行規(guī)。值得指出的是，HSE不僅包括應(yīng)用層，還包括標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用過程。也就是說，HSE不僅定義了通信、數(shù)據(jù)類型和目標(biāo)結(jié)構(gòu)，也包括功能方塊圖編程語言，允許用戶組建控制方案，使不同制造商提供的設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)。HSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。3工業(yè)以太網(wǎng)概述高速以太網(wǎng)HSE圖1-4HSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)HSE的核心部分是鏈接設(shè)備即LinkingDevice，鏈接設(shè)備將31.25kb/s的HI網(wǎng)段與100Mb／s的HSE主干網(wǎng)連接起來，通過鏈接設(shè)備，主機(jī)系統(tǒng)可對連接到鏈接設(shè)備的子系統(tǒng)H1網(wǎng)段進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控。當(dāng)然，主機(jī)系統(tǒng)也需對連接到以太網(wǎng)交換機(jī)上的HSE設(shè)備如PLC、I/0等外設(shè)進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控。3工業(yè)以太網(wǎng)概述高速以太網(wǎng)HSE鏈接設(shè)備既有網(wǎng)橋，又有網(wǎng)關(guān)的功能。其網(wǎng)橋的功能是，能夠使連接在其上的不同H1網(wǎng)段的設(shè)備之間互相通信。另外，它可承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)中的時間發(fā)布和鏈路活動調(diào)度器的功能。其網(wǎng)關(guān)的功能是，能夠?qū)崿F(xiàn)H1網(wǎng)段的設(shè)備與HSE設(shè)備之間的互相通信。借助于鏈接設(shè)備的網(wǎng)關(guān)功能，現(xiàn)場總線基金會將HSE定位于使控制網(wǎng)絡(luò)集成到世界通信系統(tǒng)Internet的思想得以實(shí)現(xiàn)。鏈接設(shè)備一方面將遠(yuǎn)程H1網(wǎng)段的現(xiàn)場信息傳送到HSE主干網(wǎng)上，并進(jìn)一步送到企業(yè)的企業(yè)資源規(guī)劃ERP和管理系統(tǒng)，操作員可以在主控制室直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等工具查看現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況)，另一方面將控制信息從HSE主干網(wǎng)上送至H1的現(xiàn)場設(shè)備。在這里，鏈接設(shè)備完成封裝工作，并將H1地址轉(zhuǎn)換成IPv4/IPv6的地址或者相反。HSE的目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)離散/批量/混合控制，為此開發(fā)了專用的HSE功能模塊，3工業(yè)以太網(wǎng)概述高速以太網(wǎng)HSE即8通道模擬輸入輸出模塊、8通道離散輸入輸出模塊，同時還開發(fā)了柔性功能模塊。通過柔性功能模塊可實(shí)現(xiàn)高級控制，如驅(qū)動協(xié)調(diào)控制、監(jiān)督數(shù)據(jù)采集、批量順控、燃燒管理、PLC—PLC通信等，并可與非FF總線的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連接。HSE支持對交換機(jī)、鏈接設(shè)備的冗余配置與接線，也支持危險(xiǎn)環(huán)境下的本質(zhì)安全。主流工業(yè)以太網(wǎng)HSE、EtherNet/IP、Profinet、Modbus/TCP均有自己的底層網(wǎng)絡(luò)如H1、DeviceNet或／和ControlNet、Profibus-DP或／和Profibus-PA、Modbus。可以預(yù)計(jì)，工業(yè)以太網(wǎng)會與其底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展，并獲得越來越廣泛的應(yīng)用。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)面向工程實(shí)際，根據(jù)功能的差異性，需要滿足的參數(shù)特性也各有不同，但總起來說需要滿足以下幾個方面：1.實(shí)時性：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時性要好，一般為毫秒級到0.1秒級。這種實(shí)時性可確保工業(yè)控制系統(tǒng)能夠及時地響應(yīng)和處理各種事件。2.可靠性：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)需要能夠在工業(yè)控制現(xiàn)場穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。這包括耐沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及較好的電磁兼容性。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，它能夠在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。3.簡潔性：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)追求簡潔，以減小軟硬件開銷，從而降低設(shè)備成本，提高系統(tǒng)的健壯性。這種簡潔性有助于減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)4.開放性：工控機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量避免采用專用網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)的開放性和互操作性。這有助于實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級。此外工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)還強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)通信與實(shí)時響應(yīng)事件的配合，具有很高的數(shù)據(jù)完整性。在電磁干擾和有地電位差的情況下，網(wǎng)絡(luò)也能正常可靠地工作。這些特點(diǎn)使得工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在安全方面面臨一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。例如，由于網(wǎng)絡(luò)的開放性和實(shí)時性，工業(yè)控制系統(tǒng)可能更容易受到網(wǎng)絡(luò)威脅和攻擊。因此，在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，需要采取專門的安全防護(hù)措施，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述在工業(yè)控制領(lǐng)域，存在一個很大的現(xiàn)象，通信協(xié)議多種多樣，比如西門子的S7-200的S7PPI協(xié)議、S7-300PLC協(xié)議，S7-400、S7-1200等等，不同廠家的PLC通信協(xié)議不同，同一廠家的不同型號的PLC通信協(xié)議也不相同，現(xiàn)場設(shè)備，比如電表、水表、熱表、水泵、變頻器、各種控制器，只要是涉及到通信的，協(xié)議都不盡相同，相比較而言，只有Modbus通信協(xié)議，相對統(tǒng)一，但是這個協(xié)議也是一個通信框架，具體到不同廠家，其設(shè)備的通信點(diǎn)表也是不同的。所以在工業(yè)控制領(lǐng)域，就衍生了一種SCADA軟件，這種軟件最重要的功能就是集成了各種廠家設(shè)備的通信協(xié)議驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的通信。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，多協(xié)議類型不方便設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，所以亟需一種統(tǒng)一化的通信協(xié)議，OPCUA的目的就是提供一種統(tǒng)一的通信協(xié)議，方便系統(tǒng)集成，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述OPCUA其中OPC全稱為OLEforProcessControl，用于過程控制的OLE，UA全稱是Unifiedarchitecture，即統(tǒng)一架構(gòu)。是一種工業(yè)自動化下一代標(biāo)準(zhǔn)，代表了工業(yè)自動化領(lǐng)域的重大進(jìn)步，提供了一個完整、安全、可靠的跨平臺架構(gòu)，以獲取實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)以及時間信息。為了便于自動化行業(yè)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序能相互交換數(shù)據(jù)，定義了一個統(tǒng)一的接口函數(shù)，就是OPC協(xié)議規(guī)范。OPC是基于WINDOWSCOM/DOM的技術(shù)，可以使用統(tǒng)一的方式去訪問不同設(shè)備廠商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。簡單來說OPC就是為了用于設(shè)備和軟件之間交換數(shù)據(jù)。工業(yè)控制領(lǐng)域用到大量的現(xiàn)場設(shè)備，在OPC出現(xiàn)以前，軟件開發(fā)商需要開發(fā)大量的驅(qū)動程序來連接這些設(shè)備。即使硬件供應(yīng)商在硬件上做了一些小小改動，應(yīng)用程序也可能需要重新編譯。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述同時，由于不同設(shè)備甚至同一設(shè)備不同單元的驅(qū)動程序也有可能不同，軟件開發(fā)商很難同時對這些設(shè)備進(jìn)行訪問以優(yōu)化操作。為了消除硬件平臺和自動化軟件之間互操作性的障礙，建立了OPC軟件互操作性標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)OPC的最終目標(biāo)是在工業(yè)控制領(lǐng)域建立一套數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。OPCUA的出現(xiàn)為工業(yè)自動化領(lǐng)域帶來了許多變革。它不僅提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本。同時，OPCUA的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，OPCUA基于面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），使得系統(tǒng)更加模塊化和靈活。同時，OPCUA也遵循國際電工委員會（IEC）和電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的國際標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建提供了標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，1234工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述其目的是把PLC特定的協(xié)議例如Modbus，Profibus等抽象成為標(biāo)準(zhǔn)化的接口，作為“中間人”的角色把其通用的“讀寫”要求轉(zhuǎn)換成具體的設(shè)備協(xié)議，反之亦然，以便HMI/SCADA系統(tǒng)可以對接，通過使用OPC協(xié)議，終端用戶就可以毫無障礙地使用最好的產(chǎn)品來進(jìn)行系統(tǒng)操作。如此具有如下幾個顯著特點(diǎn)：1.平臺獨(dú)立性:OPCUA的設(shè)計(jì)不依賴于特定的操作系統(tǒng)、編程語言或硬件平臺，從而確保了其在各種環(huán)境中的廣泛適用性和互操作性;2.安全性：OPCUA提供了高級別的安全特性，包括數(shù)據(jù)加密、訪問控制和身份驗(yàn)證等，以確保工業(yè)自動化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行;4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述3.可靠性：OPCUA通過其強(qiáng)大的通信機(jī)制和錯誤處理能力，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性;4.擴(kuò)展性：OPCUA的架構(gòu)允許用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制和擴(kuò)展，從而滿足不斷變化的工業(yè)自動化需求;5.互聯(lián)網(wǎng)連接能力：OPCUA支持通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和數(shù)據(jù)交換，為工業(yè)自動化系統(tǒng)提供了更大的靈活性和便捷性。在過去，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備使用不同的通信協(xié)議，導(dǎo)致設(shè)備之間難以互相溝通。這給工業(yè)自動化帶來了許多挑戰(zhàn)，比如數(shù)據(jù)集成困難、系統(tǒng)復(fù)雜等。OPCUA應(yīng)運(yùn)而生，解決了這些問題，帶來了許多好處：4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容1.開放性：OPCUA是一種開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用于不同的設(shè)備和系統(tǒng)。無論是傳感器、控制器還是各種工業(yè)設(shè)備，只要支持OPCUA，它們就可以相互通信，實(shí)現(xiàn)無縫集成。在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容2.統(tǒng)一架構(gòu)：OPCUA提供了一種統(tǒng)一的架構(gòu)和數(shù)據(jù)模型，使得不同設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠以統(tǒng)一的方式進(jìn)行表示和交換。這樣一來，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加簡單和可靠。OPCUA采用了現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，基于Web服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)之上。它使用了一種稱為“面向?qū)ο蟆钡姆绞絹砻枋鲈O(shè)備和系統(tǒng)之間的通信。OPCUA的連接原理如圖1-5所示。3.跨平臺和跨語言：OPCUA支持多種操作系統(tǒng)和編程語言。無論是Windows、Linux還是嵌入式系統(tǒng)，無論是C++、Java還是Python，都可以使用OPCUA進(jìn)行通信，降低了集成的復(fù)雜性。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述圖1-5OPCUA的連接原理圖在OPCUA中，每個設(shè)備和系統(tǒng)都被抽象為一個對象，這些對象有自己的屬性、方法和事件。通過讀取和寫入對象的屬性，調(diào)用對象的方法，以及監(jiān)聽對象的事件，設(shè)備和系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制操作。此外，OPCUA還提供了多種傳輸方式，如TCP/IP，HTTPS等，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇最適合的傳輸方式。同時，OPCUA還提供了安全機(jī)制，確保通信的安全性和可靠性。OPCUA廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，為各種行業(yè)帶來了許多好處，包括以下是典型的應(yīng)用場景：4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述1.數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控：通過OPCUA，可以方便地從不同設(shè)備和系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和分析。這對于工業(yè)過程的優(yōu)化和問題排查非常有幫助。2.設(shè)備集成和互操作：OPCUA使得不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備可以無縫集成。無論是機(jī)器人、傳感器還是控制系統(tǒng)，只要支持OPCUA，它們就可以相互協(xié)作，提高生產(chǎn)效率和靈活性。3.云平臺連接：通過OPCUA，工業(yè)設(shè)備可以與云平臺進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。這為遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等提供了非常大的便利，同時也為數(shù)據(jù)分析提供了更多的可0102034工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.2OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)概述能性。OPCUA作為一種開放、統(tǒng)一的通信協(xié)議，在工業(yè)自動化領(lǐng)域扮演著重要的角色。通過實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、統(tǒng)一架構(gòu)和跨平臺集成，OPCUA為工業(yè)系統(tǒng)的高效運(yùn)作和智能化提供了基礎(chǔ)。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，OPCUA將繼續(xù)推動工業(yè)自動化的進(jìn)步，為各行各業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和便利。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.3基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述物聯(lián)網(wǎng)就是通過一系列特定的裝置與通信手段，將人和物以及網(wǎng)絡(luò)緊密的聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)人對不同目標(biāo)對象比如整體的工業(yè)設(shè)備、以及設(shè)備上的信息傳感器等的指令下達(dá)，以及這些對象對人的數(shù)據(jù)反饋。當(dāng)前，隨著各行各業(yè)對及時處理以及精確處理要求的不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個行業(yè)的嵌入形成了不可阻擋的趨勢。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備涉及的行業(yè)十分廣泛，設(shè)備終端采用的接口、技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議沒有統(tǒng)一規(guī)定，設(shè)備要上傳的數(shù)據(jù)類型和用戶要下發(fā)的命令往往也有很大差異，造成了異構(gòu)應(yīng)用場景的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備缺乏統(tǒng)一管理，還有管理平臺的可擴(kuò)展性差等問題；另外，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)備和用戶之間的對應(yīng)關(guān)系往往十分復(fù)雜，一對多和多對多的情況十分常見，造成了管理關(guān)系的混亂和實(shí)用性差。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.3基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述MQTT通信協(xié)議是以Publish/Subscribe即發(fā)布/訂閱的方式消息傳遞模式為主的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，具有簡單易實(shí)現(xiàn)、支持可調(diào)QOS(服務(wù)質(zhì)量)以及跨平臺使用的優(yōu)點(diǎn)，通過MQTT通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)平臺與設(shè)備端之間的通信。圖1-6為MQTT通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)平臺與設(shè)備端連接原理。圖1-6基于MQTT通信協(xié)議平臺與設(shè)備端連接原理4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.3基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述MQTT通信協(xié)議自IBM于1999年發(fā)布以來至今，已經(jīng)在醫(yī)療儀器、智能家電、衛(wèi)星鏈路通信傳感器等方面擁有了大量使用實(shí)例，在某些不適合人類工作的環(huán)境中，MQTT協(xié)議適用于高延時、低帶寬的特點(diǎn)，使它對于機(jī)器與機(jī)器(MachinetoMachine)M2M通信和物聯(lián)網(wǎng)(loT)通信有著更為重要的作用，MQTT協(xié)議具有以下特點(diǎn)：1.使用發(fā)布/訂閱消息模式，能夠?qū)崿F(xiàn)一對多發(fā)布消息，避免應(yīng)用程序耦合現(xiàn)象；2.能夠?qū)崿F(xiàn)對消息訂閱者接收的消息內(nèi)容做出一定屏蔽；3.使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接，能夠兼容大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；4.支持消息發(fā)布和訂閱服務(wù)質(zhì)量的動態(tài)調(diào)整：Qos0(至多一次)：消息可能會丟失或重復(fù)發(fā)送；Qos1(至少一次)：可能需要重復(fù)發(fā)送來保證消息到達(dá)；Qos2(只有一次)：確保發(fā)送的消息能夠一次到達(dá)，耗費(fèi)帶寬最大；4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.3基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述5）屬于小型傳輸，占用帶寬很小(單次消息的幀頭長度為2字節(jié))，最簡化協(xié)議交換，減少流量開銷；6）提供遺囑機(jī)制和心跳機(jī)制，當(dāng)有客戶端連接異常終斷時，能夠發(fā)出提醒。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)4.45G技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用概述5G移動通信技術(shù)的全稱是第五代移動通信技術(shù)，作為在4G移動通信技術(shù)之上的延伸和升級優(yōu)化成果，在理論研究中發(fā)現(xiàn)，其運(yùn)行速度可以達(dá)到10GB/s，下載速度能夠達(dá)到1．25GB／s，相比于4G移動通信技術(shù)，其運(yùn)行參數(shù)有了大幅度提升，進(jìn)一步優(yōu)化了相關(guān)性能的同時，提高了整體的數(shù)據(jù)傳輸速度，同時保證傳輸過程的穩(wěn)定性和安全性，能夠有效避免以往4G移動通信網(wǎng)絡(luò)存在的延遲問題。不僅如此，還能夠有效降低在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中所消耗的能源，進(jìn)而降低整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行所要支出的成本，為更大規(guī)模設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了有力支持和技術(shù)環(huán)境保障。5G通信技術(shù)應(yīng)用場景包括以下幾種：4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)工業(yè)智能制造工業(yè)發(fā)展水平?jīng)Q定著國家綜合實(shí)力，也是科技文明與人類社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著社會生產(chǎn)力水平的不斷提高，需要更先進(jìn)智能的工業(yè)制造實(shí)力來滿足廣大人類生存與發(fā)展的需要。第三次工業(yè)技術(shù)革命的到來，締造了數(shù)字化與智能化的時代新技術(shù)，而5G通信技術(shù)起著重要支撐作用，其中，最突出的就是5G技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上，有著超越無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)以及藍(lán)牙的傳輸技術(shù)，使工業(yè)生產(chǎn)過程中的移動通信質(zhì)量更高。在智能化制造工業(yè)生產(chǎn)場景的多元化發(fā)展過程中對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的延時性提出了更高的要求，5G技術(shù)很好地解決了工業(yè)智能制造場景下的傳感器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)問題，提高了工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行精度水平，可以預(yù)見5G移動通信技術(shù)在工業(yè)智能制造上廣闊應(yīng)用前景。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)智慧城市建設(shè)當(dāng)前，我國城市化建設(shè)水平的不斷提高，逐步促成了智慧城市體系的建設(shè)，作為復(fù)雜多元的體系，離不開云平臺、智能硬件和各類移動應(yīng)用發(fā)揮功能，才能垂直管理智慧城市的不同模塊，例如交通、監(jiān)控、門禁等。在智慧城市的建設(shè)和實(shí)際運(yùn)行中，各個模塊的獨(dú)立運(yùn)行需要保持較強(qiáng)的互聯(lián)水平，這就需要借助5G移動通信技術(shù)，不斷提高智慧城市的建設(shè)水平3．VR／ARVR/AR技術(shù)基本功能的實(shí)現(xiàn)離不開低延時無線網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)，還要保證有效控制傳輸成本，例如頭部運(yùn)動跟蹤、語音識別、手勢感應(yīng)等功能的應(yīng)用。將5G移動通信技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增加現(xiàn)實(shí)的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，不僅能夠提升虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用水平，還能有效擴(kuò)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范圍，將其更好地應(yīng)用在遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)、舞臺技術(shù)以及視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)等場景中。4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)人工智能5G技術(shù)與人工智能技術(shù)之間的關(guān)系是相互促進(jìn)、相輔相成的，就人工智能來說，隨著5G技術(shù)的應(yīng)用水平不斷提高，進(jìn)一步提升了人工智能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的響應(yīng)速度，很大程度上擴(kuò)充了人工智能的應(yīng)用范圍，使內(nèi)容更豐富，為客戶提供了更優(yōu)良的使用體驗(yàn)?？梢哉f，人工智能領(lǐng)域應(yīng)用短板的補(bǔ)齊要?dú)w功于5G移動通信技術(shù)。人工智能技術(shù)的發(fā)展也同樣為5G技術(shù)提供了技術(shù)方面的理論與實(shí)踐支撐，在人工智能的應(yīng)用場景中有效地提升了5G技術(shù)的自動化水平和智能化水平，保證了5G移動通信技術(shù)的良好運(yùn)行狀態(tài)。5G技術(shù)作為在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的無線數(shù)據(jù)鏈路，得到了非常廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域主要體現(xiàn)在以下幾個方面：4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)人工智能1).數(shù)字化決策分析：基于5G網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)的采集和分析。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，企業(yè)可以根據(jù)需要對各個分廠的生產(chǎn)等進(jìn)行科學(xué)控制，從而達(dá)到減少生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的效果，還可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)的整體控制;123).機(jī)器視覺分析應(yīng)用：利用5G網(wǎng)絡(luò)以及機(jī)器視覺藝術(shù)，可以針對工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種細(xì)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，比如在生產(chǎn)過程中的打包、材料的使用、材料顆粒大小，工業(yè)設(shè)備鏈條的磨損情況等，還可以實(shí)現(xiàn)對禁入?yún)^(qū)的檢測，這有助于替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)，達(dá)到更好的檢測準(zhǔn)確度;32).大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用：借助于5G網(wǎng)絡(luò)的幫助，可以將企業(yè)原有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的生產(chǎn)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為提高生產(chǎn)質(zhì)量提供支撐，為提高生產(chǎn)的精確性和有效性打下基礎(chǔ)，減少生產(chǎn)過程中的誤差;4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和最新技術(shù)人工智能4).工業(yè)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)：通過5G網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接，使得設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)共享變得更加高效和可靠;015).遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制以及可視化：利用5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲特性，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和監(jiān)控，以及對工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。這可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性和效率;026).工業(yè)生產(chǎn)過程的現(xiàn)場巡檢：通過5G網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，從而及時發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)過程中的問題;037).物流的精準(zhǔn)追蹤：利用5G網(wǎng)絡(luò)的高速度和大連接特性，可以實(shí)現(xiàn)對物流信息的實(shí)時追蹤和更新，提高物流效率和準(zhǔn)確性。0401習(xí)題1ONE習(xí)題1011.簡述工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的幾個階段。022.什么是現(xiàn)場總線？簡述現(xiàn)場總線所具有的特點(diǎn)。033.簡述分布式控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)相比有哪些優(yōu)勢。044.列舉至少四種主流現(xiàn)場總線，敘述各自的技術(shù)特點(diǎn)。055.什么是OPCUA工業(yè)應(yīng)用技術(shù)？簡述該技術(shù)具有的特點(diǎn)。066.MQTT指的是什么？簡述其具有的特點(diǎn)。077.簡述5G通訊具有哪些優(yōu)勢及其應(yīng)用場合。088.簡述現(xiàn)場總線發(fā)展的現(xiàn)狀。第2章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)演講人1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.1數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)（data）是事實(shí)或觀察的結(jié)果，是對客觀事物的邏輯歸納，是用于表示客觀事物的未經(jīng)加工的原始素材。數(shù)據(jù)可以是連續(xù)的值，比如聲音、圖像，稱為模擬數(shù)據(jù)，也可以是離散的，如符號、文字，稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為兩大類：模擬數(shù)據(jù)也稱為模擬量，取值范圍是連續(xù)的變量或數(shù)值。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也稱為數(shù)據(jù)量，取值范圍是離散的變量或數(shù)值。數(shù)據(jù)在采集、傳輸、保存、處理過程中經(jīng)常會面對對其進(jìn)行編碼的過程。在數(shù)據(jù)長短距離傳輸過程中，為了使信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠在相應(yīng)信道上傳輸，在源系統(tǒng)端需要有信號變換設(shè)備，將信源產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合在信道上傳輸?shù)男盘?。同樣，為了使信宿能夠接收并處理信道上傳輸過來的信號，在目的系統(tǒng)端也需要信號變換設(shè)備，將信道上傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換為適合被信宿處理的數(shù)據(jù)。在上述過程中需要用到數(shù)據(jù)編碼技術(shù)。數(shù)據(jù)常見的幾種編碼轉(zhuǎn)換方式如圖2-1所示。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.1數(shù)據(jù)編碼技術(shù)圖2-1數(shù)據(jù)常見的幾種編碼轉(zhuǎn)換方式1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)模擬編碼該種編碼方式主要針對模擬信號，該類信號在時間上和幅值上均是連續(xù)的,在一定動態(tài)范圍內(nèi)幅值可取任意值。工程實(shí)際中的許多物理量都反應(yīng)的是模擬信號,例如聲音、壓力、溫度等均可通過相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為時間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)的電壓或電流。在早期的電信通信，多采用AM（幅度調(diào)制）、FM（頻率調(diào)制）等方式，將模擬信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行傳輸。這種轉(zhuǎn)換可通過硬件電路直接實(shí)現(xiàn)，但信號轉(zhuǎn)換和傳輸過程中對噪聲較敏感，易受干擾。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)數(shù)字編碼數(shù)字信號與模擬信號相對應(yīng)，時間和幅值均離散，不連續(xù)的信號。數(shù)字信號的特點(diǎn)是幅值只可以取有限值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字編碼的應(yīng)用越來越重要。計(jì)算機(jī)通訊編碼技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通信系統(tǒng)中，將原始數(shù)據(jù)例如文字、圖像、音頻或視頻等轉(zhuǎn)換為適合在物理媒介上傳輸?shù)男问降倪^程。這個過程包括將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以便于電子設(shè)備處理，并確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠準(zhǔn)確無誤地被接收。通過這些編碼技術(shù)，計(jì)算機(jī)可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，即使在存在干擾或錯誤的情況下也能盡可能地恢復(fù)原始信息。編碼在計(jì)算機(jī)通信中同樣扮演著關(guān)鍵角色，它確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準(zhǔn)確性和一致性，提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)字編碼方式非常靈活，基于強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)當(dāng)代廣泛采用的是數(shù)字編碼方式，通常先將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，然后再進(jìn)行相應(yīng)處理。常見的數(shù)字編碼處理方式如表2-1所示。1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)數(shù)字編碼表2-1常見數(shù)字編碼處理方式1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.2數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸，也稱為數(shù)據(jù)通信，是指按照一定的規(guī)程，通過一條或者多條數(shù)據(jù)鏈路，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端的過程。這個過程的主要目的是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的信息傳輸與交換。在當(dāng)今的信息時代，無論是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算還是大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸都是其核心基礎(chǔ)之一。數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵脑碓谟诶貌煌耐ㄐ艆f(xié)議和傳輸方式，確保數(shù)據(jù)能夠在不同的設(shè)備之間安全、可靠、高效地進(jìn)行傳輸。這其中涉及到許多技術(shù)細(xì)節(jié)，如數(shù)據(jù)的編碼方式、傳輸介質(zhì)的選擇、信號的處理等。數(shù)據(jù)傳輸是現(xiàn)代科技的核心，它支撐著我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，極大地提高了信息的獲取、處理和分享的效率。數(shù)據(jù)傳輸可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場景進(jìn)行分類，常見的數(shù)據(jù)傳輸分類如表2-2所示。表2-2常見的數(shù)據(jù)傳輸分類1數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)1.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)是一種在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不同設(shè)備或系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)的方法。它涉及到數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、處理和路由，確保信息從發(fā)送方準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)浇邮辗?。無論采用何種交換和數(shù)據(jù)傳輸都涉及到數(shù)據(jù)流的傳輸方式變化。數(shù)據(jù)交換過程中，數(shù)據(jù)的傳輸方式如表2-3所示。表2-3數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)交換技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化對于提高網(wǎng)絡(luò)通信速度、降低延遲、保證數(shù)據(jù)安全等方面有著重要作用。數(shù)據(jù)交換發(fā)生在不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備之間進(jìn)行信息的傳輸過程。在這個過程中，發(fā)送方將數(shù)據(jù)分割成若干個數(shù)據(jù)單元，這些單元被稱為數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)分組，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收方。接收方收到數(shù)據(jù)包后，再將其重新組裝成完整的原始數(shù)據(jù)。常見的數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括電路