工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)培訓(xùn)講義

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院周虎（副教授）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖直接數(shù)字控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)量變送輸入通道執(zhí)行器輸出通道計(jì)算機(jī)顯示打印報(bào)警圖DDC系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制(SCC)SCC系統(tǒng)由上、下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)起監(jiān)控作用，下位機(jī)起DDC作用。SCC計(jì)算機(jī)DDC計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過(guò)程給定檢測(cè)控制圖SCC系統(tǒng)原理圖8計(jì)算機(jī)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其層次結(jié)構(gòu)

在通信網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它們都要共享網(wǎng)絡(luò)中的資源或相互之間要進(jìn)行信息交換，但由于連接到網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)或設(shè)備可能出自不同的生產(chǎn)廠家，型號(hào)也不盡相同，再加上軟硬件的差異，這些都給節(jié)點(diǎn)之間的通信帶來(lái)了困難。因此在通信網(wǎng)絡(luò)中所有“成員”必須遵循某種相互都能接受的一組規(guī)則，以便實(shí)現(xiàn)彼此的通信和資源共享。這些規(guī)則的集合稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中各終端用戶之間，用戶與資源之間或資源與資源之間的對(duì)話與合作必須按照預(yù)先規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行。利用分層方法，我們可以容易地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)配置間的連接。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的互連，1977年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出了開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI（OpenSystemInterconnection／ReferenceModel）。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型規(guī)定了七個(gè)功能層，每層都使用它自己的協(xié)議。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)概述控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)從技術(shù)上講，控制網(wǎng)絡(luò)有以下一些技術(shù)特點(diǎn)：(1)要求有高實(shí)時(shí)性和良好的時(shí)間確定性；(2)傳送的信息多為短幀信息，且信息交換頻繁；(3)容錯(cuò)能力強(qiáng)，可靠性、安全性好；(4)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用，工作效率高；(5)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高度分散性；(6)控制設(shè)備的智能化與控制功能的自治性；(7)與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效的通信，易于實(shí)現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成?？刂凭W(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)有以下四點(diǎn)區(qū)別：(1)控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)最基本的要求。(2)控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠性?3)在企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，分散的單一用戶必須借助控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入系統(tǒng)，所以通信方式多使用廣播和組播方式，在信息網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)自主系統(tǒng)與另外一個(gè)自主系統(tǒng)一般都建立一對(duì)一的通信方式。(4)控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容問(wèn)題，即互操作性問(wèn)題。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制-集散控制系統(tǒng)（DCS）

設(shè)計(jì)原則:

采用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，并采用層次化的體系結(jié)構(gòu).所謂分散控制是用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，分散應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制;所謂集中管理是用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).分散控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成13集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)14

操作站、工程師站和上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成集中管理部分；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、現(xiàn)場(chǎng)控制站構(gòu)成分散控制部分；通信網(wǎng)絡(luò)是連接集散系統(tǒng)各部分的紐帶，是實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制的關(guān)鍵。集散控制系統(tǒng)特點(diǎn)15①控制功能豐富②監(jiān)視操作方便③信息和數(shù)據(jù)共享④系統(tǒng)擴(kuò)展靈活⑤安裝維護(hù)方便⑥系統(tǒng)可靠性高分散性和集中性自治性和協(xié)調(diào)性靈活性和擴(kuò)展性先進(jìn)性和繼承性可靠性和適應(yīng)性友好性和新穎性第一代DCS的基本結(jié)構(gòu)第一代DCS的基本結(jié)構(gòu)

其基本結(jié)構(gòu)由監(jiān)控機(jī)、操作站、數(shù)據(jù)采集裝置、過(guò)程控制單元及高速數(shù)據(jù)通道等5部分組成。第二代DCS的基本結(jié)構(gòu)第二代DCS的基本結(jié)構(gòu)

組成：(1)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)；(2)節(jié)點(diǎn)工作站，即指過(guò)程控制單元(PCU)；(3)中央操作站，它是掛接在LAN上的節(jié)點(diǎn)工作站，負(fù)責(zé)對(duì)全系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合管理，是系統(tǒng)的主操作站；(4)系統(tǒng)管理站，又稱為系統(tǒng)管理模塊；(5)主計(jì)算機(jī)，也稱管理計(jì)算機(jī)；(6)網(wǎng)關(guān)(GateWay)。第三代DCS的基本結(jié)構(gòu)第三代DCS的基本結(jié)構(gòu)

第一、二代DCS基本上為封閉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間無(wú)法互連，第三代DCS局域網(wǎng)(LAN)遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的7層通信協(xié)議,符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，比較容易構(gòu)成信息集成系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)51現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)是一種以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS是在DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它繼承了DCS的分布式特點(diǎn)，但在各功能子系統(tǒng)之間，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表之間的連接上，采用了開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，從而使系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接形式發(fā)生了根本的改變，具有自己所特有的性能和特征。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)50傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)這種傳輸方式一方面要使用大量的信號(hào)線纜；另一方面模擬信號(hào)的傳輸和抗干擾能力低。現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的變革（1）用一對(duì)通信線連接多臺(tái)數(shù)字儀表取代一對(duì)信號(hào)線只能連接一臺(tái)儀表；（2）用多變量、雙向、數(shù)字通信方式取代單變量、單向、模擬傳輸方式；（3）用多功能的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表取代單功能的現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表；（4）用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站；（5）用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS；（6）變革傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)；（7）變革傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和安裝調(diào)試方法。（8）FCS的信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互連。（9）FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為全分散式，它廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。（10）FCS的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互操作性，徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，使不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既可互連也可互換，還可統(tǒng)一組態(tài)。（11）FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，用戶可非常方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，使同層網(wǎng)絡(luò)可以互連，也可以使不同網(wǎng)絡(luò)互連。（12）FCS的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開(kāi)放，無(wú)專利許可要求，可供任何人使用?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的體系結(jié)構(gòu)采用“操作站——數(shù)字式智能現(xiàn)場(chǎng)儀表”兩層式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均為智能數(shù)字儀表，見(jiàn)下圖：傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)示意圖FCS的結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)系統(tǒng)的分散性系統(tǒng)的開(kāi)放性產(chǎn)品的互操作性環(huán)境的適應(yīng)性使用的經(jīng)濟(jì)性維護(hù)的簡(jiǎn)易性系統(tǒng)的可靠性幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線(1)CAN總線CAN是德國(guó)Bosch公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。(2)LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)和Lon總線LonWorks是Echeon公司于1991年推出的全分布智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。(3)FF總線FF總線既不被任何單個(gè)的公司擁有，也不被單個(gè)的國(guó)家或標(biāo)準(zhǔn)組織控制,是一個(gè)非營(yíng)利組織，由WorldFIP的北美部分和ISP(InteroperableSystemProtocol)合并而成。幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線

（4）Profibus協(xié)議PROFIBUS是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（ProcessFieldBus）的縮寫(xiě)。它是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170所規(guī)定的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。（5）Modbus協(xié)議

Modbus是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議。HMI/SCADAHMI/SCADADataAcquisition工程部門(mén)產(chǎn)品制造測(cè)試／質(zhì)管部門(mén)維護(hù)部門(mén)WindowsNT業(yè)務(wù)部門(mén)Internet/EthernetOPCDeviceNet

FOUNDATONPROFIBUSEthernetWindowsNTOPC數(shù)據(jù)采集PLCNNNN分布式I/ONNNN數(shù)據(jù)采集

運(yùn)動(dòng)控制可視監(jiān)控OPC技術(shù)Measurement-Pressure-Temp-Flow-LevelValvesPositionersPIDControlFieldbusSystemFieldPointSystemPLCSystemOPCClientOPCServerOPCClientOPCClientOPCServerOPCServerHMIExcelInternetSCADAHMISCADANNNNNNNNNNNN為什么需要OPCSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverDisplayApplicationTrendApplicationReportApplicationOPC的解決方案SoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverSoftwareDriverOPCOPCOPCOPCDisplayApplicationTrendApplicationReportApplicationOPCOPCOPCOPC概述OLEforProcessControl(Objectlinkingandembedding)

now:OpenProcessControlOpenessProductivityandConectivityOPC（用于過(guò)程控制的OLE）是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OPC由一些世界上占領(lǐng)先地位的自動(dòng)化系統(tǒng)和硬件、軟件公司與微軟（Microsoft）緊密合作而建立的。OPC定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機(jī)之間交換自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法。管理這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織是OPC基金會(huì)。

OPC的宗旨OPC的宗旨是在MicrosoftCOM、DCOM和ActiveX技術(shù)的功能規(guī)程基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放的和互操作的接口標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是促使自動(dòng)化/控制應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)/設(shè)備和商業(yè)/辦公室應(yīng)用之間具有更強(qiáng)大的互操作能力。

BeforeOPCABBPLCsTélémécaniquePLCsSiemensPLCsMasterBusMMSdriverXWAYdriverProfinetdrivervisualizationhistorydatabaseWithOPC:ABBOperatorWorkplaceConnectionABBAC800MTélémécaniqueTSXSiemensS7AC800M

OPCserverSchneider

OPCserverSiemens

OPCserverOperatorIT

applicationsoftwareiswrittenindependentlyfromthetypeofcontrollerHistorian(InformationManager)MMSXWAYProfiNetthedriversstillexist,buttheclientsdonotseethemanymoreOPC技術(shù)基礎(chǔ)OPC技術(shù)基于微軟的OLE(現(xiàn)在的ActiveX)、COM(部件對(duì)象模型)和DCOM(分布式部件對(duì)象模型)技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

ActiveX/COM技術(shù)定義各種不同的軟件部件如何交互使用和分享數(shù)據(jù)。不論過(guò)程中采用什么軟件或設(shè)備，OPC為多種多樣的過(guò)程控制設(shè)備之間進(jìn)行通信提供了公用的接口。OPC技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成Transport(TCP-IP,UDP,Queued)ActiveX(Distributed)ComponentObjectModel(COM/DCOM)ObjectLinkingandEmbedding(OLE)EthernetOLEforProcessControl(OPC)onlybetweennodesOPC基金會(huì)管理OPC標(biāo)準(zhǔn)的組織是OPC基金會(huì)。其前身由一個(gè)Fisher-Rosemount、RockwellSoftware、Siemens、Opto22、Intellution和IntuitiveTechnology等著名大公司組成專門(mén)的工作組，僅僅用了短短的一年時(shí)間便開(kāi)發(fā)出一個(gè)基本的可運(yùn)行的OPC技術(shù)規(guī)范。在1996年8月發(fā)布了簡(jiǎn)化的、一步到位的解決方案。

OPC基金會(huì)OPC基金會(huì)的工作比其他許多標(biāo)準(zhǔn)化集團(tuán)能夠更高速運(yùn)轉(zhuǎn)。原因十分簡(jiǎn)單，只是由于OPC是建立在已普遍使用的Mricrosoft標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上。而其他標(biāo)準(zhǔn)化集團(tuán)必經(jīng)完全從最基本開(kāi)始定義標(biāo)準(zhǔn)，因此在其工作范圍內(nèi)達(dá)成一致的意見(jiàn)往往是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自然其工作效率是不能和OPC基金會(huì)比擬的。

Micosoft是OPC基金會(huì)的一個(gè)成員，已給予OPC基金會(huì)強(qiáng)有力的支持。但Microsoft在OPC中的作用主要在于其強(qiáng)大的后援支持，而讓具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的成員公司指導(dǎo)OPC基金會(huì)的工作。OPC中國(guó)基金會(huì)OPC特性任何客戶機(jī)都可以與服務(wù)器連接即插即用的互操作性是其目標(biāo)該標(biāo)準(zhǔn)已被公開(kāi)并出版\OPC基金會(huì)是管理此工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的組織\靈活性接納所有類型的客戶機(jī)及服務(wù)器\高效性優(yōu)化快速傳輸數(shù)據(jù)\可以支持所有編程語(yǔ)言\C,C++,VB,Java,HTML,DHTML\可利用Internet

\OPCasahubsource:SiemensWinCCOPC的適用領(lǐng)域底層傳感器往往使用專用接口和協(xié)議DeviceSpecificI/OControlDataMonitorSub-SystemOPCOPC(通過(guò)DCOM)可以使用在各個(gè)子系統(tǒng)與管理終端之間OPC處于數(shù)據(jù)監(jiān)視應(yīng)用程序和專用的IO驅(qū)動(dòng)軟件之間OPCDA能提供那類數(shù)據(jù)？傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：溫度、壓力和流量控制參數(shù)：打開(kāi)、關(guān)閉、運(yùn)行和停如狀態(tài)信息狀態(tài)信息硬件連接狀態(tài)硬件連接狀態(tài)軟件和子系統(tǒng)的狀態(tài)軟件和子系統(tǒng)的狀態(tài)總之，OPCDA可以提供任何類型數(shù)據(jù)9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開(kāi)的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽(yáng)光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。3月-253月-25Wednesday,March26,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。15:56:5015:56:5015:563/26/20253:56:50PM11、夫?qū)W須志也，才須學(xué)也，非學(xué)