《工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術》第1章

工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術

哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所1Why？哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所2哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所4哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所5哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所6哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所7哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所機場行李稱重管理系統(tǒng)8哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所9汽車總裝生產線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所10哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所11大豆分離蛋白現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所12基于現(xiàn)場總線的企業(yè)能源計量系統(tǒng)

哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所13上海世博園區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)配置圖打印機后臺系統(tǒng)站控單元GPS

調度中心間隔1保護測控單元間隔2保護測控單元間隔3保護測控單元間隔n保護測控單元其它智能裝置CT\PT數(shù)字量控制輸出CT\PTCT\PTCT\PT數(shù)字量數(shù)字量數(shù)字量控制輸出控制輸出控制輸出哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所14低壓開關柜傳統(tǒng)方式與現(xiàn)場總線智能化方式的比較哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所15基于以太網(wǎng)的CBZ-8000變電站自動化系統(tǒng)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所16哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所17哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所18哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所

物聯(lián)網(wǎng)19哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所20哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所21哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所“星地激光鏈路系統(tǒng)技術”獲國家技術發(fā)明獎一等獎22哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所“快舟二號”衛(wèi)星發(fā)射成功

衛(wèi)星創(chuàng)新技術入選2014年“中國高校十大科技進展”23學習本門課程的主要目的掌握現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡的基本概念、基礎知識學會閱讀并理解現(xiàn)場總線協(xié)議/規(guī)范/標準能夠初步設計一般設備的以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線通信接口掌握或了解以太網(wǎng)/典型現(xiàn)場總線系統(tǒng)的基本應用技術為進行工業(yè)通信網(wǎng)絡設計和網(wǎng)絡（系統(tǒng)）分析以及撰寫工業(yè)通信領域的各種通信網(wǎng)絡規(guī)范奠定一定的基礎哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所24What？哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所25本門課程的主要內容以通信和網(wǎng)絡技術為基礎的現(xiàn)場總線技術：現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡基本技術基于UART的簡單串行通信技術（工業(yè)）以太網(wǎng)/主流（典型）現(xiàn)場總線主要技術/協(xié)議/規(guī)范/標準以太網(wǎng)線/現(xiàn)場總節(jié)點設計現(xiàn)場總線系統(tǒng)應用技術基礎哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所26主要參考教材WilliamStallings著.王海，張娟和張艷譯.《數(shù)據(jù)與計算機通信》（第九版）.電子工業(yè)出版社，2012AndrewS.Tanenbaum，DavidJ.Wetherall著.嚴偉，潘愛民和李曉明譯.《計算機網(wǎng)絡》（第5版）.清華大學出版社，2012佟為明.《現(xiàn)場總線（工業(yè)控制網(wǎng)絡）》.校內教材，2013哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所27How？哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所28簡化的通信模型哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所29Internet網(wǎng)絡實例哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所30離散量/模擬量輸入/輸出設備指示燈：狀態(tài)指示光電傳感器：檢測開關操作員接口：輸入操作命令閥和交流驅動器：執(zhí)行器，輸出設備變送器（傳感器）：輸入設備控制器：主站、從站人機界面：輸入/輸出設備參數(shù)、命令、顯示哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所31哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所完成工業(yè)通信需考慮/解決的問題：通信設備/裝置——節(jié)點/站點通信線——網(wǎng)絡的傳輸介質通信的快慢——通信速率通信距離——總線長度網(wǎng)絡能連多少個節(jié)點？節(jié)點識別——尋址方式節(jié)點地址有重復的怎么辦？——重復MACID檢測節(jié)點之間連接形式——網(wǎng)絡拓撲結構哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所完成工業(yè)通信需考慮/解決的問題：節(jié)點優(yōu)先級，沖突如何解決——介質訪問控制方式允許數(shù)據(jù)傳輸方向——通信方式數(shù)據(jù)如何描述——數(shù)據(jù)編碼每位數(shù)據(jù)時間的長短——位定時不同節(jié)點的位時間有誤差怎么辦？——同步出錯了怎么辦？——檢錯、糾錯和恢復節(jié)點出故障了怎么辦？——自檢、故障診斷和自動脫離如何表達不同的數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)的格式和意義—幀的組成—協(xié)議哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所完成工業(yè)通信需考慮/解決的問題：復雜協(xié)議如何實現(xiàn)——協(xié)議分層一次要發(fā)送的數(shù)據(jù)比較多，一幀發(fā)不完怎么辦？——分段/重組如何保證數(shù)據(jù)接收節(jié)點知道發(fā)送節(jié)點何時開始發(fā)送數(shù)據(jù)、何時結束數(shù)據(jù)發(fā)送？——幀起始、幀結束如何保證通信數(shù)據(jù)的保密性、完整性、可用性和不可否認性——保密通信，安全措施路由選擇、擁塞和流量控制、時分復用和頻分復用等學習本門課程需具備的基礎電路與電子技術（模擬電子技術和數(shù)字電子技術）單片機/微處理器/微控制器/ARM（嵌入式系統(tǒng)）/CPLD/FPGA/DSP技術數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所35第1章概論1.0工業(yè)通信網(wǎng)絡（現(xiàn)場總線）的發(fā)展歷程1.1現(xiàn)場總線的概念1.2現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成與體系結構1.3現(xiàn)場總線的技術特點及優(yōu)點

1.4現(xiàn)場總線標準1.5現(xiàn)場總線的分類哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所361.0現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程機械式（液動式、氣動式）儀表缺點：儀表體積較大，適合單機控制年代：20世紀30年代到40年代初電動儀表使用4-20mA電流環(huán)模擬信號缺點：線纜較多年代：20世紀50年代哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所371.0現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程CCS（ComputerControlSystem）中央控制計算機系統(tǒng)包括2種類型：SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DDL（DirectDigitalControl）直接數(shù)字控制系統(tǒng)年代：約1962年特點：控制集中，危險集中，對中央控制計算機要求高哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所381.0現(xiàn)場總線的發(fā)展歷程DCS（DistributedControlSystem）集散控制系統(tǒng)/分散控制系統(tǒng)/分布式控制系統(tǒng)是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展、演變而來的年代：約1976年FCS（FieldbusControlSystem）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)年代：約1972年總結（FCS產生的原因）：生產力水平的發(fā)展所要求；由簡到繁、再由繁到簡的螺旋式上升發(fā)展過程。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所391.1現(xiàn)場總線的概念

國際電工委員會制定的國際標準IEC61158對現(xiàn)場總線（Fieldbus）的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內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)總線稱為現(xiàn)場總線。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所401.1現(xiàn)場總線的概念

現(xiàn)場總線一般應被看作是一個系統(tǒng)、一個網(wǎng)絡或一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，甚至是一個測控系統(tǒng)，它應用于現(xiàn)場測量和/或控制目的，通常被稱為

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)NCS（NetworkControlSystem）哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所411.2現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成和網(wǎng)絡架構

1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成1.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所421.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成圖1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所43硬件：總線電纜，又稱為通信線、通信介質（媒體/媒介/介體）。連接在通信線上的設備稱為總線設備，亦稱為總線裝置、節(jié)點（主節(jié)點、從節(jié)點）、站點（主站、從站），包括變送器、執(zhí)行器、控制器等。1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所44

軟件包括：系統(tǒng)平臺軟件：為系統(tǒng)構建、運行以及為系統(tǒng)應用軟件編程而提供環(huán)境、條件或工具的基礎軟件。包括網(wǎng)絡配置軟件、通信工具軟件、監(jiān)控組態(tài)軟件和設備編程軟件。系統(tǒng)應用軟件：為實現(xiàn)系統(tǒng)以及設備的各種功能而編寫的軟件，包括系統(tǒng)用戶程序軟件、設備接口通信軟件和設備功能軟件。1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所45軟件包括：網(wǎng)絡配置軟件——為用計算機進行總線設備/節(jié)點、網(wǎng)絡配置提供平臺并按現(xiàn)場總線協(xié)議/規(guī)范與通信工具軟件交換信息的工具軟件。如DeviceNetManager、RSNetWorxforDeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP

。通信工具軟件——為計算機與總線設備進行通信，按現(xiàn)場總線協(xié)議/規(guī)范讀取總線設備參數(shù)/配置信息、網(wǎng)絡配置信息、程序傳送至總線設備而使用的軟件，如RSLinx。1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所46軟件包括：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)上的通過簡單形象的組態(tài)工作即可實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能的軟件，具有實時顯示現(xiàn)場設備運行狀態(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。監(jiān)控組態(tài)軟件亦稱上位機監(jiān)控組態(tài)軟件，如RSView32。1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所47軟件包括：設備編程軟件——為系統(tǒng)應用軟件提供編程環(huán)境的平臺軟件。當設備為控制器/PLC時，設備編程軟件即為控制器編程軟件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形圖邏輯編程軟件）、RSLogix5000（用于Logix平臺所包括的各種控制器（如ControlLogixTM）的編程軟件）。1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所48軟件包括：系統(tǒng)用戶程序軟件——根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程或功能及其他要求而編寫的系統(tǒng)級的用戶應用程序。該程序一般運行于作為主站的控制器中或計算機中。設備接口通信軟件——根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議/規(guī)范而編寫的用于總線設備之間通過總線電纜進行通信的軟件。設備功能軟件——使總線設備實現(xiàn)自身功能（不包括現(xiàn)場總線通信部分）的軟件。1.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組成哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所491.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構離散量/模擬量輸入/輸出設備指示燈：狀態(tài)指示光電傳感器：檢測開關操作員接口：輸入操作命令閥和交流驅動器：執(zhí)行器，輸出設備變送器（傳感器）：輸入設備控制器：主站、從站人機界面：輸入/輸出設備參數(shù)、命令、顯示哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所圖2DeviceNet現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構501.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構智能速度控制器：執(zhí)行器條形碼識別器：輸入設備控制、網(wǎng)關上位機：監(jiān)控三層網(wǎng)絡遠程訪問路由設備顯示工作站信息量減少511.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構圖4FFHSE網(wǎng)絡架構鏈接設備：核心網(wǎng)橋、網(wǎng)關時間發(fā)布鏈路調度器

31.25kbps100Mbps主機系統(tǒng)以太網(wǎng)交換機高速以太網(wǎng)

組態(tài)、監(jiān)控現(xiàn)場信息控制信息哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所521.2.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構變送器／傳感器；執(zhí)行器；控制器；監(jiān)控／監(jiān)視計算機；網(wǎng)橋／網(wǎng)關/中繼器/集線器/交換機/路由器；其他現(xiàn)場總線設備。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，總線設備主要分為6類：哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所531.3.1現(xiàn)場總線的技術特點

與DCS等傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線（系統(tǒng)）有以下特點：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡數(shù)字通信網(wǎng)絡開放互連網(wǎng)絡現(xiàn)場設備互連網(wǎng)絡結構與功能高度分散的系統(tǒng)現(xiàn)場設備的互操作性與互換性哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所541.3.2現(xiàn)場總線的優(yōu)點

現(xiàn)場總線所具有的數(shù)字化、開放性、分散性、互操作性與互換性及對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等特點決定和派生了其一系列優(yōu)點：導線和連接附件大量減少儀表和輸入／輸出轉換器（卡件）大量減少設計、安裝和調試費用大大降低維護開銷大幅度下降系統(tǒng)可靠性提高哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所551.3.2現(xiàn)場總線的優(yōu)點

系統(tǒng)測量與控制精度提高系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠程監(jiān)控功能系統(tǒng)具有強大的（遠程）故障診斷功能設備配置、網(wǎng)絡組態(tài)和系統(tǒng)集成方便自由現(xiàn)場設備更換和系統(tǒng)擴展更為方便為企業(yè)信息系統(tǒng)的構建創(chuàng)造了重要條件哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所561.3.2現(xiàn)場總線的優(yōu)點與傳統(tǒng)的DCS方案相比，美國阿拉斯加WestSakARCO油田（自然環(huán)境十分惡劣）采用某現(xiàn)場總線所帶來的節(jié)省情況如下：減少接線端子84％；減少I/O卡件數(shù)量93％；減少控制儀表面板空間70％；減少室內接線98％；由于遠程診斷而減少維護工作量50~80％；擴展油田所需組態(tài)時間減少90％；節(jié)省電纜費用69%。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所571.4現(xiàn)場總線標準

了解以至掌握現(xiàn)場總線國際標準和其它相關標準的必要性：某種現(xiàn)場總線是否已被列入國際標準或／和其它有關標準，是衡量其是否已成為或將成為國際主流現(xiàn)場總線的重要的、甚至是決定性的因素之一。在當今數(shù)字技術時代，標準不僅是一個產品規(guī)范，而且還起著領導其所在領域高新技術發(fā)展的特殊作用。現(xiàn)場總線標準確保了每種總線設備/軟件都具有廣闊的市場，這有助于大批量生產，甚至可以采用大規(guī)模集成（LSI）或超大規(guī)模集成（LVSI）技術，從而降低了成本?，F(xiàn)場總線的開放性及互操作性與互換性均是以其標準為前提的。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所581.4現(xiàn)場總線標準

1.4.1制定現(xiàn)場總線國際標準的機構1.4.2現(xiàn)場總線國際標準1.4.3現(xiàn)場總線中國標準哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所591.4.1制定現(xiàn)場總線國際標準的機構

國際上制訂國際標準的機構有3個：國際標準化組織ISO(InternationalOrganizationforStandardization)國際電工委員會IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）。各個國家均有制訂國家標準的組織，我國制定國家標準的組織是中國標準化管理委員會SAC（StandardizationAdministrationofChina）。哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所60—預備階段—提案階段—準備階段—委員會階段—征詢意見階段—批準階段—出版階段

（標志：PPUB，即：PublicationIssued，出版發(fā)行即認為國際標準形成）IEC國際標準的制定過程1.4.1制定現(xiàn)場總線國際標準的機構611.4.2現(xiàn)場總線國際標準

據(jù)統(tǒng)計，世界上已有現(xiàn)場總線100多種，其中宣稱為開放型總線的就有40多種，僅國際標準現(xiàn)場總線即達25種。IEC61158：工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線（FieldbusforuseinindustrialControlSystem）