工业控制网络与人机界面组态技术PPT完整全套教学课件.pptx

1、工 业 控 制 网 络,第1章+工业控制网络概述第2章+数据通信基础,第3章+计算机网络的体系结构第4章+以太网技术第5章+网络互联设备第6章+RS232串行通信及其应用第7章+工业现场总线第8章+工业以太网技术与应用,课程介绍,本课程旨在学习网络的含义、网络通信的 基本原理、工业控制网络的类型、特点、应用、组网方法、网络协议、网络的组态、调试等。,几点希望,希望：学习不仅仅是为了考试，而是为学到一门技能而不懈努力。大学阶段是短暂而重要的，这个阶段我衷心地希望同学们在学习、工作和为人处世等方面都有很多收获。人生是一个过程，不要只计较结果。充实度过每一天希望成为你们生活的准则。,问题：,为什么学

2、习这门课程工业控制网络为什么学？目的通过这门课程能学到什么？学什么？内容怎样学习这门课程？怎样学？方法,计算机网络与工业控制网络的关系,计算机与通信技术结合产生了计算机网络后，企业管理部门间通信都以网络为中介，实现了信 息与资源共享。同时，信息技术的发展也引起了 自动化结构的变革，逐步形成以网络集成自动化 系统为基础的企业信息系统。现场总线(Fieldbus)就是顺应这一形势发展起来的新技术，它是计算机网络与控制系统结合的必然产物，它 的出现标志着工业控制领域又一个新时代的开始。,为什么学？,背 景工业控制网络现场总线是自动化及电气工程领域当前和今后的发展热点。对于电气工程领域：在现代电机驱动

3、与控制装置（如变频器）中在数字化变电站配电系统/继电保护装置中在智能电器中在楼宇自动化装置中对于国防领域：在航空航天设备、舰船、装甲车辆中均使用了现场总线系统。,背景与目的,为什么学？,背景与目的目 的掌握现场总线的概念。掌握通信与网络基本知识。学会阅读并理解现场总线协议/规范掌握典型现场总线系统的基本应用技术，并为进行现场总线系统设计和现场总线分析奠定一定的基础。,现场总线的概念、组成、特点、优点现场总线通信与网络基础知识国际标准现场总线及其它主流现场总线协议/规范现场总线节点设计以及现场总线系统应用技术基础几种常用的现场总线的组态和调试,学什么？内容,怎么学？,方法理论与实践相结合听课与自

4、学相结合课程特点：知识点多、交叉性强课堂：基础、重点、难点自学：拓展知识面、接触其他具体现场总线,第 1 章 绪 论,现场总线的概念现场总线系统的组成与体系结构现场总线的技术特点及优点现场总线应用领域现场总线标准现场总线发展历程与发展趋势,1.1现场总线的概念,什么是现场总线,1.1现场总线的概念,国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义是：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的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。,1.1 现场总线的概念,第2版（Ed2.0）IEC61158-2用于工业控制系统中的现场总线标准第2部分：物

5、理层规范（Physical Layer Specification）与服务定义（Server definition）又进一步指出：现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如变送器（transducers）、执行器（actuators）和本地控制器（local controllers）之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。,1.1 现场总线的概念,对现场总线概念的理解和解释还存在一些不同的表述。现场总线一般是指一种用于连接现场设备，如传感器（sensors）、执行器以及像PLC、调节器（regulators）、驱动控制器等现场控制器的网络；,1.1 现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述

6、：现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络；,1.1 现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（现场设备）之间以及更高层次自动控制领域的自动化控制设备（车间级设备）之间的联系；,1.1 现场总线的概念,对现场总线概念的不同的表述：现场总线是连接控制系统中现场装置的双向数字通信网络；现场总线是从控制室连结到现场设备的双向全数字通信总线；,1.1 现场总线的概念,现场总线一般应被看作是一个系统、一个网络或一个网络系统，它应用于现场，以

7、测量和/或控制为目的，通常被称为现场总线现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）现场总线系统现场总线网络现场总线网络系统现场总线网络控制系统网络控制系统NCS（Network Control System）,1.2 现场总线系统的组成与体系结构,现场总线系统的组成现场总线控制系统的体系结构,1.2.1 现场总线系统的组成,图1 现场总线系统的组成,硬件：总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介质）。连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。,1.2.1 现场总线系统的组成,软件包括：系统平台软件：为系统

8、构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件。系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。,1.2.1 现场总线系统的组成,软件包括：组态工具软件为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台并按现场总线协议/规范（Protocol Specification）与组态通信软件交换信息的工具软件，如 RSNetWorx for DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP。组态通信软件为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设

9、备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx。,1.2.1 现场总线系统的组成,软件包括：监控组态软件运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。监控组态软件可使用户通过简单形象的组态工作即可实现系统的监控功能。监控组态软件亦称上位机监控组态软件，如RSView32。,1.2.1 现场总线系统的组成,软件包括：设备编程软件为系统应用软件提供编程环境的平台软件。当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位

10、基于Windows的梯形图逻辑编程软件）、RSLogix5000（用于Logix平台所包括的各种控制器（如Control LogixTM）的编程软件）。,1.2.1 现场总线系统的组成,软件包括：系统用户程序软件根据系统的工艺流程或功能及其他要求而编写的系统级的用户应用程序。该程序一般运行于作为主站的控制器中或计算机中。设备接口通信软件根据现场总线协议/规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件。设备功能软件使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件。,1.2.1 现场总线系统的组成,1.2.2 现场总线控制系统的体系结构,离散量/模拟量输入/输出设备,检测开关,状态指

11、示输入操作命令 执行器，输出设备,变送器,指示灯：光电传感器：操作员接口：阀和交流驱动器：（传感器）,：输入设备,控制器：,主站、从站,人机界面：输入/输出设备,参数、命令、显示,1.2.2 现场总线控制系统的体系结构,：执行器,控制、网关条形码识别器：输入设备智能速度控制器,上位机：监控,与三层网络 相连,远程访问路由设备,显示工作站,信息量减少,图3 罗克韦尔推出的现场总线控制系统,1.2.2 现场总线控制系统的体系结构,图4 FF HSE 网络架构（体系结构）,链接设备：核心网桥、网关时间发布 链路调度器,31.25kbps,主机系统,以太网交换机100Mbps,高速以太网,组态、监控,

12、现场信息控制信息,1.2.2 现场总线控制系统的体系结构,执行器（输出设备）；,控制器；,变送器传感器（输入设监控监视计算机；备）；,网桥网关/中继器/集线器/交换机/路由器（网络互联设备）；,其他现场总线设备（HMI）。,在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类：,1.3 现场总线的技术特点及优点,现场总线的作用现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，将对传统的工业自动化带来革命，从而开创工业自动化的新纪元。现场总线控制系统必将逐步取代传统的独立控制系统、集中采集控制系统和集散控制系统DCS（Distributed Control System），成为本世纪自动控制系统的主流。,1.3.1

13、 现场总线的技术特点,现场总线（系统）有以下特点：现场通信网络特点1现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；现场总线完全适应于工业现场环境，因为它就是为此而设计的。,1.3 现场总线的技术特点及优点,现场总线在技术上的产生现场总线是当今3C技术，即通信（Communication）、计算机（Computer）、控制（Control）技术发展的结 合点。现场总线是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点。现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现。现场总线是信息技术、网络技术发展到现场的结果。,1.3.1

14、现场总线的技术特点,数字通信网络 特点2现场底层的变送器传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中上层的控制器、监控监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；各层设备之间的信息交换均用数字信号。传统的DCS(distributed control system)的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪表与控制站中的输入输出单元之间采用的是一对一的模拟信号传输。,1.3.1 现场总线的技术特点,开放互连网络特点3现场总线标准、协议规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。,1.

15、3.1 现场总线的技术特点,现场设备互连网络特点4用一根通信线直接互连N个现场设备，从而构成了现场设备的互连网络。,1.3.1 现场总线的技术特点,结构与功能高度分散的系统特点5现场总线的系统结构具有高度分散性；现场总线的系统功能实现了高度分散，现场设备由分散的功能模块构成。现场总线废弃了DCS的控制站及其输入输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底分散控制。,1.3.1 现场总线的技术特点,互操作性与互换性网络特点6互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；互换性：不同厂商的性能类

16、似的现场设备可以互相替换。现场总线中现场设备所具有的互操作性与互换性是DCS无法具备的。,1.3.2 现场总线的优点,现场总线所具有的现场适应性、数字化、开放性、分散性、设备互联性、互操作性与互换性等特点决定和派生了其一系列优点：导线和连接附件大量减少优点1一根总线电缆直接互接N台现场设备，电缆用量大大减少（原来DCS的几百根甚至几千根信号与控制电缆减少到现场总线的一根总线电缆）；端子、槽盒、桥架、配线板等连接附件用量大大减少。,1.3.2 现场总线的优点,仪表和输入输出转换器（卡件）大量减少优点2采用人机界面、本身具有显示功能的现场设备或监视计算机代替显示仪表，使仪表的数量大大减少；输入输出

17、转换器（卡件）的数量大大减少。在DCS中所用的（420）mA线路只能获得一个测量参数，且与控制站中的输入输出单元一对一地直接相连，因此输入输出单元数量多。在现场总线系统中，一台现场设备可以测量多个参数，并将它们以所需的数字信号形式通过总线电缆进行传送，因此对单独的输入输出转换器（卡件）的需要少。,1.3.2 现场总线的优点,设计、安装和调试费用大大降低优点3原来DCS繁琐的原理图设计在现场总线中变得简单易行；安装和校对的工作量大大减少；可根据需要将系统分为几个部分分别调试，使调试工作变得灵活方便；强大的故障诊断功能使得调试工作变得轻松愉快。,1.3.2 现场总线的优点,维护开销大幅度下降优点4

18、系统的高可靠性使系统出现故障的机率大大减小；强大的故障诊断功能使故障的早期发现、定位和排除变得快速而有效，系统正常运行时间更长，维护停工时间大大减少。,1.3.2 现场总线的优点,系统可靠性提高优点5系统结构与功能的高度分散性决定了系统的高可靠性；现场总线协议规范对通信可靠性方面（通信介质、报文检验、报文纠错、重复地址检测等）的严格规定保证了通信的高可靠性。,1.3.2 现场总线的优点,系统测量与控制精度提高优点6在现场总线中，各种开关量、模拟量就近转变为数字信号，所有总线设备间均采用数字信号进行通信，避免了信号的衰减和变形，减少了传送误差。换言之，现场总线采用数字信号通信这一数字化特点，从根

19、本上提高了系统的测量与控制精度。,1.3.2 现场总线的优点,系统具有优异的远程监控功能优点7可以在控制室远程监视现场设备和系统的各种运行状态；可以在控制室对现场设备及系统进行远程控制。,1.3.2 现场总线的优点,系统具有强大的（远程）故障诊断功能优点8可以诊断和显示各种故障，如总线设备和连接器的断路、短路故障以及通信故障和电源故障等；可以将各种状态及故障信息传送到控制室中的监视监控计算机，大大减少了使用和维护人员不必要的现场巡视。当现场总线是安装在恶劣环境中时，这尤其具有重要意义。,1.3.2 现场总线的优点,设备配置、网络组态和系统集成方便自由优点9用户可以通过同层网络或上层网络对现场设

20、备进行参数设置，而不必到现场对每一个设备逐个进行配置；利用网络组态工具软件可以迅速而方便地组建现场总线网络，配置网络参数；由于现场总线的开放性、互操作性与互换性，用户可以自由地集成不同厂商、不同品牌的 产品和网络，从而构成所需的系统。,1.3.2 现场总线的优点,现场设备更换和系统扩展更为方便优点10现场设备具有互操作性和互换性，损坏的设备可用功能类似的任何厂家的设备替换，实现“即插即用”；当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上；系统扩展所需的组态时间大大减少。,1.3.2 现场总线的优点,为企业信息系统的构建创造了重要条件优点11企业信息系统由现场控制层、过程监控层

21、和企业经营管理层构成；现场总线或者构成了企业信息系统的现场控制层，或者构成了企业信息系统的基本框架；现场总线为总线设备及系统的各种运行状态和故障信息、各种控制信息进入（企业）公用数据网络创造了条件，使管理者能得到更多的决策依据，为管理者做出各种正确决策提供了有力的支持，从而可使企业获得较高的整体综合效益。,1.3.2 现场总线的优点,与传统的DCS方案相比，美国阿拉斯加West Sak ARCO油田（自然环境十分恶劣）采用某现场总线所带来的节省情况如下：减少接线端子84；减少I/O卡件数量93；减少控制仪表面板空间70；减少室内接线98；由于远程诊断而减少维护工作量（5080）；扩展油田所需组

22、态时间减少90；节省电缆费用69%。,1.4现场总线应用领域,现场总线可广泛应用于过程工业/工厂自动化、电力系统自动化、交通、家庭自动化等各领域，如,汽车工业半导体芯片和半导体产品制造,继电保护与电力监控水处理,机器人,智能楼宇,食品饮料制造物流业/搬运业制药业,包装业,石油与化工钢铁/冶金造纸业,暖通空调轨道交通/城市交通能源与环境监控及管理（煤矿）安全家庭用品,1.4现场总线应用领域,汽车总装生产线现场总线控制系统,1.4现场总线应用领域,1.4现场总线应用领域,大豆分离蛋白现场总线控制系统,1.4现场总线应用领域,基于现场总线的企业能源计量系统,1.4现场总线应用领域,上海世博园区配电网

23、现场总线监控系统配置图,打印机,后台系统,站控单元,GPS,调度中心,间隔1保护测控单元,间隔2保护测控单元,间隔3保护测控单元,间隔n保护测控单元,其它 智能装置,CT PT,数字量,控制输出,CT PT,CT PT,CT PT,数字量,数字量,数字量,控制输出,控制输出,控制输出,1.4现场总线应用领域,低压开关柜传统方式与现场总线智能化方式的比较,1.4现场总线应用领域,基于以太网的CBZ-8000变电站自动化系统,1.4现场总线应用领域,基于现场总线的配电网自动化系统,思考题,1.现场总线的定义。,现场总线系统的组成。请列举4类现场总线设备。请说出现场总线的技术特点。请给出工业控制网络

24、的几个发展阶段,Thank you!,第2章 数据通信的基础知识,本章内容数据通信系统基本概念传输介质数据编码多路复用技术数据交换技术差错控制数据通信性能指标,2.1数据通信系统,源系统,源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。目的系统接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。传输系统可以是简单的物理通信线路也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备,噪声,信源,发送器,信道,接收器,信宿,源系统目的系统,数据通信的基本过程,5个阶段包含两项内容：

25、数据传输和通信控制,过程建立物理连接建立逻辑连接数据传输断开逻辑连接断开物理连接,与打电话比较 拨号，拨通对方互相确认身份 互相通话互相确认要结束通话双方挂机,*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。,2.2基本概念,数据与信号信道通信方式传输方式同步方式,2.2.1数据与信号,数据（Data）传递（携带）信息的实体。信息（Information）数据的内容或解释。信号（Signal）数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播,模拟信号,时间上连续，包含无穷多个信号值 数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号,t,a）模拟信号,t,b）数字信号

26、,周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）,t,T,TT,T,TT,周期信号,非周期信号,非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tt,t,信息编码：将信息用二进制数表示的方法,例如：ASCII编码、BCD编码等 数据编码：将数据用物理量表示的方法例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,01000001t,信息通过数据通信系统进行传输的过程,编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调：接收波形数字信号解码：数字信号原始数据,把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地 信息

27、和数据（二进制位）不能直接在信道上传输“A”01000001 01000001“A”信息数据信号在信信道道上传输信号数据信息,信息编码 数据编码调制,解调数据解码 信息解码,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据 数字数据,信号：模拟信号,数字信号,信道：模拟信道,数字信道,模拟传输和数字传输所使用的技术,语音,移频,调制,模拟,模拟,PCM编码,数字,数字编码,数字,模拟数据，模拟信号,数字数据，模拟信号模拟,数字数据，数字信号,模拟数据，数字信号,数字1010,数字1010,调制,编码与调制的区别,Encoder,Decoder,数字或模拟数据,数字信号,x(t),

28、g(t),数字或模拟数据,编码：用数字信号承载数字或模拟数据调制：用模拟信号承载数字或模拟数据编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),编码,解码,调制与解调,Modulator,Demodulator,数字或模拟数据,模拟信号,g(t)数字或模拟数据,s(t),g(t),载波,模拟信道,发送方,接收方,调制,解调制,2.2.2信道,信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道CATV、无线电广播、电话拨号线路,

29、数字通信与模拟通信,数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。,2.2.3 通信方式,单工数据单向传输（例：无线电广播）半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工数据可以双向同时传输（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。,发送器,接

30、收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同时,不可同时,基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输,2.2.4 传输方式,2.3数据编码,数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输

31、,1.数字数据的数字信号编码,不归零码（Non-Return to Zero，NRZ）二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用5V表示 1，5V表示 0；缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。,曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变高低的跳变代表0，低高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。,1.数字数据的数字信号编

32、码,差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1，有跳变代表0，无跳变代表1。,1.数字数据的数字信号编码,三种数字编码的波形图,课堂练习,画出01001110的曼彻斯特和差分曼彻斯特编码,图 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码,4、习题有一比特流：10101100011（10个数）,1)、画出它的曼彻斯特编码，2）、画出它的差分曼彻斯特编码解：1、它的曼彻斯特编码图为：,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1,1,2、它的差分曼彻斯特编码图为：,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1,1,2.

33、数字数据的调制,三种常用的调制技术：幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）频移键控FSK（Frequency Shift Keying）相移键控PSK（Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号 S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、初相位调制就是要使A、或 随数字基带信号的变化而变化,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和100110100010,ASKFSK PSK,3.模拟数据的数字信号编码,采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。,PCM编码：采样：按