課件通訊技術(shù)第1章概述

1、第 1 章 概 述1自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展1集散式控制系統(tǒng)2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)2全集成自動(dòng)化2企業(yè)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求2全集成自動(dòng)化3全集成自動(dòng)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(shuō)明6第 1 章概述近些年來(lái)，隨著自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、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(yíng)、管理信息擴(kuò)展到工廠的主控信息及現(xiàn)場(chǎng)的控制信息，對(duì)于企業(yè)而言，將整個(gè)工廠的生產(chǎn)流程和自動(dòng)化控制系統(tǒng)納入到的信息管理上已不再是一個(gè)夢(mèng)想。借助于強(qiáng)大的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)的信息管理不僅可以對(duì)市場(chǎng)信息

2、和管理信息進(jìn)行處理，還可以囊括從原料采購(gòu)、生產(chǎn)加工到成品儲(chǔ)運(yùn)的全部生產(chǎn)流程，這意味著，通過與工廠中強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。強(qiáng)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(gè)全新1.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展縱觀自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)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(dòng)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(lái)，工業(yè)通訊技術(shù)的進(jìn)步也極大地了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能，為用戶帶來(lái)了巨大的收益。簡(jiǎn)單的說(shuō)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)

3、的歷史大致可分為三個(gè)階段：集中式控制系統(tǒng)20 世紀(jì) 50 年代前后，現(xiàn)場(chǎng)的儀表和自動(dòng)化設(shè)備提供的都是模擬信號(hào)，這些模擬信號(hào)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(cè)生產(chǎn)流程各處的狀況。但是，模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變化緩慢，計(jì)算速度和精度都難以保證，信號(hào)傳輸?shù)哪芰σ埠懿?，傳輸距離也比較短。為了解決模擬信號(hào)的這些缺點(diǎn)，一部分模擬信號(hào)被數(shù)字信號(hào)所取代，這些數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)都接入到主控室的中算機(jī)上，由中算機(jī)進(jìn)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(zhǎng)了通訊距離，提供了信號(hào)的精度。不過，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，中算機(jī)并不可靠，一旦中算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致

4、整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。1.1.1 集散式控制系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的可靠性不斷提高，價(jià)格也大幅度的下降，出現(xiàn)了可編程控制器PLC 及多個(gè)計(jì)算機(jī)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(bǔ)了傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)的缺陷，實(shí)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(jìn)步。實(shí)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(chǎng)之間的電纜數(shù)目。但是在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器與控制站之間仍然是一個(gè)信號(hào)一根電纜的傳輸方式，電纜數(shù)量很多，信號(hào)傳送過的干擾問題仍然很突出。而且，在以實(shí)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)化系統(tǒng)逐漸成熟。通過標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口，現(xiàn)場(chǎng)的 I/O 信號(hào)、傳感器及變送器的設(shè)備可以直接連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上，現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，替代了原來(lái)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(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的面貌，正是在這個(gè)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(qiáng)大的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使得對(duì)

6、全廠信息的和管理成為可能，自動(dòng)化控制系統(tǒng)開始向更高的層級(jí)邁進(jìn)，控制信息與企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理信息的對(duì)接成為流行的趨勢(shì)，這就對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)提出了更高的要求，全集成自動(dòng)化（Totally物。egrated Automation， TIA）就是這個(gè)流行趨勢(shì)的產(chǎn)1.2 全集成自動(dòng)化作為全球領(lǐng)先的自動(dòng)化系統(tǒng)提供商，西門子在 1996 提出了全集成自動(dòng)化的概念，在工廠信息化的浪潮中再次成為市場(chǎng)的領(lǐng)先者。1.2.1 企業(yè)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的逐漸激烈，企業(yè)在市場(chǎng)上越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。對(duì)市場(chǎng)的需求，企業(yè)要能夠及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)還要控制成本、保證質(zhì)量。因此，您需要的是一個(gè)完整的從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到工廠管理級(jí)的自動(dòng)控制解決

7、方案，幫助工廠降低管理，從而提高自身在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。而傳統(tǒng)的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)更好的供應(yīng)鏈進(jìn)行檢測(cè)與控制，生產(chǎn)設(shè)備之間易形成“自動(dòng)化孤島效應(yīng)”。這種“自動(dòng)化孤島效應(yīng)”式的單機(jī)自動(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)其最佳經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)，必須將自動(dòng)化控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacture Execute System, MES）和企業(yè)資源計(jì)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(dòng)化在這樣一個(gè)大背景下，西門子提出了全集成自動(dòng)化的概念。西

8、門子全集成自動(dòng)化順應(yīng)了自動(dòng)化的趨勢(shì)，將公司的供應(yīng)鏈、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和管理層無(wú)縫的整合在一起，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)信息系統(tǒng)的橫向和縱向集成，對(duì)提高投資回報(bào)率并降低運(yùn)營(yíng)成本起決定性作用。不管是過程自動(dòng)化還是生產(chǎn)自動(dòng)化，全集成自動(dòng)化提供了一個(gè)通用的可以覆蓋自動(dòng)化的所有方面。，圖 1-1 全集成自動(dòng)化如圖 1 所示，全集成自動(dòng)化是一個(gè)覆蓋了從原料儲(chǔ)運(yùn)、生產(chǎn)加工到成品發(fā)送整個(gè)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(xiàng)，工廠可以在生產(chǎn)系統(tǒng)的整個(gè)生命周期的所有階段獲益。事實(shí)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(dòng)化也可以用于過程自動(dòng)化的控制系統(tǒng)。的控1.2.3 全

9、集成自動(dòng)化中的通訊全集成自動(dòng)化采用的集成通訊技術(shù)，完美的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)橫向與縱向集成，覆蓋整個(gè)公司所的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、無(wú)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(yíng)管理信息與生產(chǎn)控制信息的整合提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在通訊協(xié)議的選擇方面，全集成自動(dòng)化采用國(guó)際公認(rèn)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(dòng)化系統(tǒng)具有極強(qiáng)的兼容性。例如：基于國(guó)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(dòng)化領(lǐng)域。西門子自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前及未來(lái)的新技術(shù)、新工具都是開放的。不僅在自動(dòng)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(jí)：企業(yè)級(jí)、車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。如圖 2 所示。1.企業(yè)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)企業(yè)級(jí)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(yíng)、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(gè)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(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)車間級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)介于企業(yè)級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(lái)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(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。對(duì)車間級(jí)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(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)直接連接現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上傳遞的主要是控制信號(hào)，因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性有很高的要求。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)，PROFIBUS 是主要的解決方案。同時(shí)，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(duì)于上述三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般而言，企業(yè)級(jí)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(yíng)和管理信息，覆蓋企業(yè)的辦公機(jī)構(gòu)。因此，SIMATIC NET 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案主要針對(duì)車間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)。考慮到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的不同通訊需求，以及現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的可靠傳輸，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)，主要選擇PROFIBUS 總線解決方案，對(duì)車間級(jí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC NET 網(wǎng)絡(luò)配置方案。在該配置方案中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)，使用 PROFIBUS-DP 連接現(xiàn)場(chǎng)的 I/O、控制屏和變頻器，每個(gè)工藝

13、段使用 S7-400 作為主 PLC，負(fù)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(duì)車間級(jí)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(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的。圖 1-3 SIMATIC NET 配置方案1.3.3通訊技術(shù)說(shuō)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(jìn)行簡(jiǎn)要1. MPI（多點(diǎn)接口協(xié)議，Multi-Poerface）MPI 通訊用于小范圍、小點(diǎn)數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。MPI 是為 S7/M7 和 C7 系統(tǒng)提供的多點(diǎn)接口，它設(shè)計(jì)用于編程設(shè)備的接口，也可以用來(lái)在少數(shù)CPU 之間傳遞少量數(shù)據(jù)。2. PROFIBUSPROFIBUS 符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158，是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，并以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)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(chǎng)級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)解決方案，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)已突破 1000 萬(wàn)個(gè)，在現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。 PROFIBUS 協(xié)議包括三個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中本質(zhì)安全要求的防爆場(chǎng)合PROFIBUS FMS ： 定義了主站和從站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中車間級(jí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE