工业4.0与工业控制网络技术
摘要
第四次工业革命（“工业4.0”）是德国版的再工业化战略，以提高德国制造业的竞争力为主要目的，是从嵌入式系统向信息物理融合系统（CPS）发展的技术进化。它的主要内容包括“1个核心”、“2重战略”、“3大集成”、“8项举措”。本文简单介绍了“工业4.0”概念、主要内容、技术基础以及新工业时代所面临问题与挑战。随后介绍了工业控制网络技术的概念、主要内容包括现场总线技术与工业以太网技术。最后描述了自己对“工业4.0”与工业控制网络技术之间的关系与相互作用的认识，以及本专业（控制科学与工程）在“工业4.0”下体现。
关键字：工业4.0；工业控制网络技术；控制科学与工程；工业革命
一、工业4.0综述
1. 工业4.0概念
工业4.0（Industry 4.0）是指利用物联信息系统（CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。
与国际社会关于第三次工业革命的说法不同，德国学术界与产业界认为，前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。他们将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0，20世纪初的电气化为2.0，始于20世纪70年代的生产工艺自动化定义为3.0，而物联网和制造业服务化迎来了以智慧制造为主导第四次工业革命，或革命性的生产方法，即为“工业4.0”。德国“工业4.0”战略旨在通过充分利用信息通讯技术和物联信息系统（CPS）相结合的手段，推动制造业向智能化转型。
2. 工业4.0主要内容
工业4.0简单可以概括为“1个核心”、“2重战略”、“3大集成”、“8项举措”。
2.1 “1个核心”
工业4.0的核心是“智能+网络化”，即通过虚拟-实体系统（Cyber-Physical
System,CPS)，构建智慧工厂，实现智能制造的目的。CPS系统建立在信息和通讯技术（ICT）高速发展的基础上。
（1）通过大量部署通过大量部署各类传感元件实现信息的大量采集；
（2）将IT控件小型化与自主化，然后将其嵌入各类制造设备中从而实现设备的智能化；
（3）依托日新月异的通信技术达到数据的高速与无差错传输；
（4）无论后台的控制设备，还是在前端嵌入制造设备的IT控件，都可以通过人工开发的软件系统进行数据处理与与指令发送，从而达到生产过程的智能化以及方便人工实时控制的目的。
2.2 “2重战略”
基于CPS系统，“工业4.0”通过采用双重战略来增强德国制造业的竞争力。
一是“领先的供应商战略”，关注生产领域，要求德国的装备制造商必须遵循
“工业4.0”的理念，将先进的技术、完善的解决方案与传统的生产技术相结合，生
产出具备“智能”与乐于“交流”的生产设备，为德国的制造业增添活力，实现“德国
制造”质的飞跃。该战略注重吸引中小企业的参与，希望它们不仅成为“智能生产”
的使用者，也能化身为“智能生产”设备的供应者。
二是“领先的市场战略”，强调整个德国国内制造业市场的有效整合。构建遍布
德国不同地区、涉及所有行业、涵盖各类大、中、小企业的高速互联网络是实现这一战略的关键。通过这一网络，德国的各类企业就能实现快速的信息共享、最终达成有效的分工合作。在此基础上，生产工艺可以重新定义与进一步细化，从而实现更为专业化的生产，提高德国制造业的生产效率。除了生产以外，商业企业也能与生产单位无缝衔接，进一步拉近德国制造企业与国内市场以及世界市场之间的距离。
2.3 ”3大集成“
具体实施中需要３大集成的支撑：
（1）关注产品的生产过程，力求在智能工厂内通过联网建成生产的纵向集成；（2）关注产品整个生命周期的不同阶段，包括设计与开发、安排生产计划、管控
生产过程以及产品的售后维护等，实现各个不同阶段之间的信息共享，从而达成工程数字化集成；
（3）关注全社会价值网络的实现，从产品的研究、开发与应用拓展至建立标准化
策略、提高社会分工合作的有效性、探索新的商业模式以及考虑社会的可持续发展等，从而达成德国制造业的横向集成。
ICT技术的不断发展，为３大集成的可实现性提供了保证。相关的技术包括：
●机器对机器（Machine to Machine，M2M）技术，用于终端设备之间的数据
交换。M2M技术的发展，使得制造设备之间能够主动地进行通信，配合预
先安装在制造设备内部的嵌入式软硬件系统实现生产过程的智能化；
●物联网（Internet of Things,loT）技术。其应用范围超越了单纯的机器对
机器的互联，将整个社会的人与物连接成一个巨大的网络。按照国际电信联盟
哈工大 2010 年 春 季学期 工业控制网络 试题A 一、填空题（共5分，每空0.5分） 1、罗克韦尔推出的现场总线控制系统的三层网络结构，其设 备层、控制层、信息层三层网络分别为：DeviceNet 、ControlNet 、 EtherNet/IP 。 2、传输介质的特性主要包括：物理特性、传输特性、连通特性、地理范围、抗干扰性、相对价格。 3、DeviceNet 现场总线网络上节点数最多可达64个，支持 125kbps 、250kbps 、500kbps 三种波特率。 二、单选题（共5分，每小题 1分） 1、下列哪种现场总线是建筑业国际公认的现场总线标准？ A. L onworks B. HART C. C C-Link D. Sensoplex2 答：（ A ） 第 1 页 （共 11页）
试题：工业控制网络班号：姓名： 2、CAN控制器接口PCA82C250的作用可归纳为： A. 驱动和隔离 B. 驱动和保护 C. 保护和隔离 D. 以上都不是答：（B ） 3、独立CAN控制器SJA1000采用BasicCAN模式，关于其接收滤波公式，下列表述正确的是： A. (ID.10-ID.3)先和(AC.7-AC.0)同或，再和(AM.7-AM.0)或，若值为0xFF，则接收 B. (ID.10-ID.3)先和(A C.7-AC.0)异或，再和(AM.7-AM.0)或，若值为0xFF，则接收 C. (I D.10-ID.3)先和(AC.7-AC.0)按位同或，再和(AM.7-AM.0)按位或，若值为0xFF，则接收 D. (ID.10-ID.3)先和(AC.7-AC.0)按位异或，再和(AM.7-AM.0)按位或，若值为0xFF，则接收答：（C ） 4、在DeviceNet现场总线I/O连接中，使用分段协议取决于下面哪种情况？ A. 须发送的数据超过7字节 B. 须发送的数据超过8字节 C. 生产_连接_长度属性值超过7 D. 生产_连接_长度属性值超过8 答：（D ） 5、ControlNet现场总线是由下面哪个公司推出的： A. S iemens B. Boeing C. R ockwell D. Fisher-Rosemount 答：（C ） 第 2 页（共11页）
2014 ~ 2015 学年第2 学期 《工业控制网络》 课程报告 题目：工业控制网络的发展综述 电气工程学院 2015年5月25 日 工业控制网络的发展综述 1.引言 工业控制网络在提高生产速度、管理生产过程、合理高效加工以及保证安全
生产等工业控制及先进制造领域起到越来越关键的作用。图1总结了工业控制网络的4大主要类型：传统控制网络、现场总线、工业以太网以及无线网络。传统控制网络现在已经很少使用，目前广泛应用的是现场总线与工业以太网，而工业以太网关键技术的研究是目前工业控制网络研究的热点。 图1 工业控制网络的主要分类 2.现场总线 现场总线控制系统FCS是在基地式气动控制信号控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、直接数字控制系统DDC、集散控制系统DCS之后发展起来的新一代控制系统，它将DCS 中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理信息层交换信息，代表了工业控制网络技术的发展方向。 2.1现场总线主要技术特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式，图2为现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比。在传统模拟控制系统中采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接；而在FCS中，所有的设备作为网络节点连接到总线上，不仅节省了电缆，而且还方便了布线。
图2 现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比 2.3 主流现场总线的比较 目前现场应用比较广泛的现场总线主要有FF、Profibus-DP、CAN 总线等，这些现场总线在技术上各有特色，目前它们还不能相互代替而应用到所有的领域，几种总线的特性和应用对比见表1。 表1 几种现场总线的比较
现代工业控制总线的发展趋势 前言 随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断出现，以及在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就使人们对系统综合性能尤其是安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统设备的工作状况进行实时监测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护。对企业自动化设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制，不仅可方便设备管理者随时了解设备工作状态，设备出现异常时主动报警，便于及时维修，还可拓宽设备服务范围，提高工作性能，延长使用寿命。这一目标的实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高要求。 一分散控制系统(DCS) 当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，进一步扩展了大型分散控制系统的应用。 1. 应用现状 DCS自1975年问世以来，大约有3次比较大的变革，70年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发并没有动态流程图，通信网络基本上是轮询方式；80年代通信网络较多使用令牌方式；90年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有的部分遵循TCP/IP协议，有的开始采用以太网。20多年来，DCS已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统的主流。 虽以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统DCS，但其发展仍面临一些问题，如统一标准、仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需DCS，因此FCS完全取代传统DCS尚有较长过程。现DCS的新产品的特点为：系统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS的研发、生产和推广应用。
题型有概念10分、填空30分、选择10分、判断10分、挑错10分、计算，简答共30分一．概念（名词解释） 1．现场总线：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。 2．DC S:集中采集控制系统和集散控制系统 3．FCS:现场总线控制系统 4．TCP：传输控制协议 5．UDP：用户数据报协议 6．UCMM：未连接报文管理器 7．NUT：网络更新时间 二．填空或简答 1．现场总线的优点，特点 （1）现场总线的特点： 现场总线是现场通信网络； 现场总线是数字通信网络； 现场总线是开放互连网络； 现场总线是现场设备互连网络； 现场总线是结构与功能高度分散的系统； 现场总线是现场设备的互操作性与互换性网络 （2）优点： 导线和连接附件大量减少； 仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少； 设计、安装和调试费用大大降低； 维护开销大幅度下降； 系统可靠性提高； 系统测量与控制精度提高； 系统具有优异的远程监控功能； 系统具有强大的（远程）故障诊断功能； 设备配置、网络组态和系统集成方便自由； 现场设备更换和系统扩展更为方便； 为企业信息系统的构建创造了重要条件 2．现场总线系统
3．现场总线国际标准，中国标准 国际标准：IEC61158：工业控制系统用现场总线（Fieldbus for use in industrial Control System）IEC62026：低压开关设备和控制设备（Low-V oltage Switchgear and Controlgear）用现场总线（设备层现场总线） ISO11898：道路交通工具－数字信息交换－用于高速通信的控制器局域网（CAN）ISO11519：道路交通工具－低速串行数据通信 中国标准： GB/T20540-2006 测量和控制数字式数据通信工业控制系统用现场总线3：PROFIBUS GB／T18858.1－2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI)第1部分总则 GB／T18858.2－2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI)第2部分执行器-传感器接口（AS-i） GB／T18858.3－2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口(CDI)第3部分DeviceNet 4．OSI参考模型的层对应关系（那个协议属于哪层） 5．TCPIP传输层的层对应关系（那个协议属于哪层）
工业控制网络作业题
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工业控制网络作业题 一、现场总线技术 1.现场总线的定义。 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。 2.现场总线网络的特点。 1)适应工业应用环境。 2)要求实时性强，可靠性高,安全性好。 3)多为短帧传送。 4)通信的传输速率相对较低。 3.现场总线系统的组成。 4.在现场总线控制系统中,总线设备主要分为6类。 1)输入设备（变送器/传感器)； 2)输出设备（执行器等); 3)控制器； 4)监控／监视计算机; 5)网络互联设备（网桥/网关／中继器/集线器/交换机／路由器）； 6)其他现场总线设备(ＨMI)。 5.现场总线上的数据输入设备有哪些?输出数据用于什么? ●总线上的数据输入设备：包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传 输其位置状态、参数值等数据； ●总线上的输出数据用于:驱动信号灯、接触器、开关、阀门等。
6.几种有影响的现场总线 基金会现场总线(FＦ总线)、ＣＡN、PRＯＦIBUS、LｏnＷｏｒks、 ContrｏｌＮeｔ、DevｉceNet、Hart 7.请给出现场总线的技术特点。 1)现场通信网络 2)数字通信网络 3)系统的开放性 4)现场设备互连网络 5)系统结构和功能的高度分散性 6)互操作性与互换性网络 8.请给出５个现场总线的优点。 1)导线和连接附件大量减少 2)仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少 3)设计、安装和调试费用大大降低 4)维护开销大幅度下降 5)提高了系统的可靠性 6)提高了系统的测量与控制精度 7)系统具有优异的远程监控功能 8)系统具有强大的(远程）故障诊断功能 9)用户具有高度的系统集成主动权 10)现场设备更换和系统扩展更为方便 11)为企业信息系统的构建创造了重要条件 9.请列举现场总线的一些应用领域。 ●连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸,过程自动化仪表;火 车、汽车、轮船、机器人、数控机床;智能传感器 ●楼宇自控、仓储； ●智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络) ●农、林、水利、养殖等 二、数据通信基础 10.工业数据通信系统的基本组成:发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、 通信协议 有效性指标:数据传输速率；比特率；波特率;频带利用率;协议效率；通信效率 可靠性指标: 误码率 11.数据传输方式: 根据代码的传输顺序可分为串行传输、并行传输 根据数据信号传输时的同步方式可分为同步传输、异步传输 12.请说明数据通信方式（通信线路的工作方式）都有哪几种,并简单说明其不 同之处。 数据通信方式有单工、半双工、全双工3种。 1)单工通信：指所传送的信息始终朝着一个方向，而不进行与此相反方向的传 送
西南科技大学2014-2015年 《工业控制网络与现场总线技术》期末复习题 一、填空题 1. 按照地理分布距离和覆盖范围来看，计算机网络可以分为广域网、城域网和局域网。 2. 光纤分为单模和多模两种类型，其传输原理都是基于光的全反射。 3. 工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。 4.工厂自动化网络的分层结构为_现场设备层、车间监控层和工厂管理层三个层次。 5. 参照ISO/OSI标准模型，CAN通信模型包括物理层和数据链路层两层。 6. CAN的报文帧有以下四种类型：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。 7. 同步是数据传输中必须要解决的重要问题，在报文帧的传送过程中有三种同步方式：位同步、字同步和帧同步。 8.工业控制系统经历了基地式仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等主要阶段。 9.CAN总线是有效支持分布式实时控制的串行通信网络，从定位时的同步方式考虑，它属于异步通信。 10.现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现
场通信网络与控制系统的集成。 11.CAN总线支持位仲裁的介质访问方式，是多主工作方式。 12.CAN通信协议规定了4种不同类型的帧：数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。 13.CAN总线上用显性和隐性两个互不的逻辑值表示0和1。 14.CAN协议可以检测到位错误，填充错误，CRC错误，格式错误，应答错误。 15. CAN总线是多主工作方式，任意节点可以主动发送信息。通过非破坏性总线仲裁机制解决多节点同时发送时的冲突问题。 16.CAN的ISO/OSI参考模型包括两层：数据链路层、物理层。 17.CAN空闲时网络电平保持隐性1位。 18.现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 19.RS-422接口通信需要4根线，它是全双工的，RS-485接口通信需要2根线，它是半双工的。 20.Modbus基于串行链路的通信方式有ASCII和RTU。 21.PROFIBUS-DP协议的两个主要部分是用户接口层和直接数据链接映射层。 22.目前的PROFIBUS标准IEC61158提供了三种传输方式：双绞线、同轴电缆、光纤。 23.基于PROFIBUS的远程监控系统由三层组成：底层控制层、SCADA层（现场监控层）、远程监控层。 24.CAN的直接通信距离最远达10km ，通信速率最高可达1Mbps。
基于工业控制无线联网解决方案 工业控制现场通常环境恶劣，高温、潮湿、振动、电网干扰严重，特别是存在电磁和无线电干扰环境中，要长时间、连续、可靠、完整地传送数据，就需要对线路进行电磁屏蔽和物理保护；在有的工业环境中，如运动或旋转的设备中，走线十分不方便。 现在是智能时代，为了解决这些问题，才茂的CM580-21F3G/4G无线工业路由器利用传输技术取代工业控制现场有线电缆进行测控的解决方案，为恶劣坏境数据传输中存在的困扰提供了解决之道，本方案使用互联网服务器通过无线方式对工业现场进行远程控制，不受距离和组网的限制。 系统组成 本方案中整个系统由用户设备、才茂CM580-21F3G/4G工业路由、服务器三大主要部分组成，如下图所示。服务器通过Internet网络，3G/4G公共移动网络与CM580-21F3G/4G 工业路由建立连接，通过无线路由器的串口(RS-232/485/422)直接与位于各个工业现场的PLC 相接，以实现对PLC远程控制。
硬件产品 CM580-21F工业级无线路由器，是厦门才茂通信科技有限公司基于3G/4G网络需求研发的性能优异的无线通信产品。采用宽电压输入，防浪涌电流等工业标准设计，支持多种网络协议，可实现用户设备到数据中心远程透明数据通信。接受定制化开发需求。 (1)宽电压电流输入：DC6~~~35V/3A；超高压自动断电保护； (2)防浪涌保护，防电源反接保护；ESD防静电保护；
(3)硬件看门狗防死机设计，保证设备稳定可靠运行； (4)联网断线自动检测功能； (5)定时自动重启功能； (6)串口透传功能，通过串口可以进入命令控制模式，控制路由器及附属设备； (7)短信控制功能，可以控制设备的联网、断网、重启等，并能实时获得状态信息。 (8)支持Socket服务器和客户端模式； (9)支持多种DDNS动态域名服务； (10)站点控制、端口映射、DMZ主机等功能 (11)支持VPN,APN,VPDN,PPTP,L2TP (12)设备上电联网成功率100%； (13)稳定性：7x24小时； (14)设备断网后自动联网成功率100%
精品文档过程控制系统考试试题汇总(预测) 编辑：郭长龙河南工业大学 一：填空题28分 1?过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程、测量变送等环节组成。 2.过程控制系统由工程仪表和被控过程两部分组成。 3?过程控制仪表的测量变送环节由传感器和变送器两部分组成。 4.过程检测仪表的接线方式有两种：电流二线制四线制、电阻三线制 5?工程中，常用引用误差作为判断进度等级的尺度。 6?压力检测的类型有三种，分别为：弹性式压力检测、应变式压力检测、压阻式压力检测 7?调节阀按能源不同分为三类：气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀&电动执行机构本质上是一个位置伺服系统。 9 ?气动执行结构主要有薄膜式和活塞式两大类。 10. 理想流量特性有四类，分别是直线、对数、抛物线、快开。 11. 过程数学模型的求取方法有三种，分别是机理建模、试验建模、混合建模。 12?PID调节器分为模拟式和数字式两种。 13?造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用，外因是控制器长期存在偏差。 14?自动控制系统稳定运行的必要条件是：闭环回路形成负反馈。 15?DCS的基本组成结构形式是三点一线”。 二：名词解释20分 1?过程控制：指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。 2?积分饱和：在积分控制范围内，积分控制输出与偏差的时间积分成正比，当控制输出达到一定限制后就不在继续上升或下降，这就是积分饱和现象。 3?串级控制系统：值采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输入去操纵调节阀，从而对住被控变量具有更好的控制效果。 4?比例控制系统：凡是两个或多个参数自动维持一定比例关系的过程控制系统，称为比例控制系统。5均匀控制系统：控制量和被控量在一定范围内都缓慢而均匀的变化的系统，称为均匀控制系统。6?超驰控制系统：指在一个控制系统中，设有两个控制器，通过高低值选择器选出能适应安全生产状态的控制信号，实现对生产过程的自动化控制。 7?分程控制系统：一个控制器的输出信号分段分别去控制两个或两个以上调节阀动作的系统称为分程控制系统。 8?阀位控制系统：是综合考虑快速性、有效性、经济性和合理性的一种控制系统。 9?集散控制系统：是把控制技术、计算机技术、图像显示技术及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视控制和管理的系统。 10?现场总线：是指将现场设备与工业控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分枝的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。 三：简答题32分 1?什么是PID，它有哪三个参数，各有什么作用？怎样控制？ 答：PID是比例-积分-微分的简称。其三个参数及作用分别为： (1 )比例参数KC,作用是加快调节，减小稳态误差。 (2)积分参数Ki，作用是减小稳态误差，提高无差度 精品文档
西南科技大学2014-2015年《工业控制网络与现场总线技术》期末复习题 一、填空题 1. 按照地理分布距离和覆盖范围来看，计算机网络可以分为广域网、城域网和局域网。 2. 光纤分为单模和多模两种类型，其传输原理都是基于光的全反射。 3. 工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。 4.工厂自动化网络的分层结构为_现场设备层、车间监控层和工厂管理层三个层次。 5. 参照ISO/OSI标准模型，CAN通信模型包括物理层和数据链路层两层。 6. CAN的报文帧有以下四种类型：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。 7. 同步是数据传输中必须要解决的重要问题，在报文帧的传送过程中有三种同步方式：位同步、字同步和帧同步。 8.工业控制系统经历了基地式仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等主要阶段。 9.CAN总线是有效支持分布式实时控制的串行通信网络，从定位时的同步方式考虑，它属于异步通信。 10.现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现
场通信网络与控制系统的集成。 11.CAN总线支持位仲裁的介质访问方式，是多主工作方式。 12.CAN通信协议规定了4种不同类型的帧：数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。 13.CAN总线上用显性和隐性两个互不的逻辑值表示0和1。 14.CAN协议可以检测到位错误，填充错误，CRC错误，格式错误，应答错误。 15. CAN总线是多主工作方式，任意节点可以主动发送信息。通过非破坏性总线仲裁机制解决多节点同时发送时的冲突问题。 16.CAN的ISO/OSI参考模型包括两层：数据链路层、物理层。 17.CAN空闲时网络电平保持隐性1位。 18.现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 19.RS-422接口通信需要4根线，它是全双工的，RS-485接口通信需要2根线，它是半双工的。 20.Modbus基于串行链路的通信方式有ASCII和RTU。 21.PROFIBUS-DP协议的两个主要部分是用户接口层和直接数据链接映射层。 22.目前的PROFIBUS标准IEC61158提供了三种传输方式：双绞线、同轴电缆、光纤。 23.基于PROFIBUS的远程监控系统由三层组成：底层控制层、SCADA层（现场监控层）、远程监控层。 24.CAN的直接通信距离最远达10km ，通信速率最高可达1Mbps。
1，自动控制系统的发展及其体系结构 模拟仪表控制系统（分散的） 直接数字控制系统（集中的） 集散控制系统（分散控制，集中管理） 现场总线控制系统 2，DCS的结构：分散过程控制装置部分；集中操作和管理系统部分；通信部分 特点：分散控制，集中管理 3，现场总线的基本概念 现场总线定义为应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向、串行、通信系统，也被称为开放式，数字式，多点通信的底层控制网络。 国际ISEC61158对现场总线的定义：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。 4，在现场总线控制系统中，总先设备分为：变送器，传感器，执行器，驱动器，控制器，控制监控器，网络互联设备，其他现场总线设备。 5现场总线控制系统的技术特点：系统的开放性；互可操作性与互用性；现场设备的智能化与功能的自治化；系统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。6·IEC61158第二版现场总线标准类型：IEC61158TS; ControlNet Tm；profibus Tm p-Net；FF HSE ；SwiftNet Tm WorldFIP Interbus 7·通信系统的组成：信息源；（发送、接收）设备；信息接受者；传输介质 8·数据编码的编码方式：数字编码、模拟编码 9·通信网络的拓扑结构机器优缺点：（1）星型结构：缺点:可靠性低 （2）环形结构：优点:键路控制简化缺点：节点数量较多时会影响通信速度，另外，环是封闭的不便于扩展。 （3）总线型结构：优点：结构简单，便于扩展缺点：通信距离短。 10·传输介质：双绞线、同轴电缆、光缆11·ISO/OSI模型将各种协议分为七层：物理层、键路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。12·RS-232与RS485的区别： RS-232：她规定数据信号按照负逻辑进行工作，采用全双工工作方式。25针的接口插件，最高的传输速率为19.2kbit/s，最大传输距离为15m，主要用于只有一个发送器和接收器的通信线路，采用MAX232芯RS-485：它可以在一条通信线路上接多个发送器和接收器，（最多可接受32个），9针D型插头连接器，半双工工作方式，最大传输速率为10mbps,最大传输距离为1200m，采用MAX485芯片。 13·网络访问控制协议：时分多路访问法；查询法；令牌法；带有冲突的载波帧听多路访问法；扩展环形法。 14`PROFIBUS的三个兼容的协议：PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA PROFIBUS-FMS 15·总线存取控制机制的系统配置： 纯主--主系统（令牌传递机制） 纯主—从系统（主从机制） 混合系统 16·PROFIBUS-DP的设备类型：一级DP 主站；二级DP主站；DP从站17·PROFIBUS控制系统的组成：一类主站；二类主站；从站 18·现场设备是否具有profibus接口可分为三种形式：总线接0型；单一总线型；混合型。 19·西门子S7-300有哪些模块：电源模块ps；CPU模块；SM模块；IM模块；FM 模块；CP模块。 20`step-7功能：项目管理；硬件组态，网络组态；软件编程；运行监控。21·step-7组成：SIMATIC Manager ；符号编辑器；硬件配置；通信；信息功能。22·step-7软件的三中编程语言：梯形图；功能块图；语句表。 23·WinAC的功能：控制功能；计算功能；可视化功能；网络功能；工艺技术功能。24·WinAC的特点：提高处理性能；满足实时性能；简化通信接口；降低网络负担；易于集成用户控制要求；编程调试简单方便；节省投资成本；节约安装空间。
Automation and Drives
工业无线网络
SCALANCE W
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利用当前自动化技术发展趋势
SCALANCE S
趋势 要求 应用 SIMATIC NET 特点 产品&伙伴 参考实例 练习
§ 移动通讯时发展趋势 § 在自动化领域的各个层次使用以太网 § 综合信息流用于最佳生产工艺 § 在自动化领域增长的IT应用 § IT 和自动化领域联系越来越紧密
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WLAN的趋势
SCALANCE S
趋势 要求 应用 SIMATIC NET 特点 产品&伙伴 参考实例 练习
SIMATIC NET工业产品线
2005
Industrial Wireless LAN RR
Industrial Wireless LAN
2004
2001 Wireless LAN IEEE 802.11 性能
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成功需要
SCALANCE S
§ 依靠标准的无线技术?
趋势 要求 应用 SIMATIC NET 特点 产品&伙伴 参考实例 练习
§ 在生产结构中简单的集成移动设备? § 在工业生产中应用IT技术? § 通过统一的网络结构集成在系统中? § 改进工艺的潜力? § 进一步使用你的知识? § 简单的远程访问综合系统? § 可靠性的数据传输?
你想 …
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《工业控制网络》课程教学大纲 课程编码：T1060260 课程中文名称：工业控制网络 课程英文名称：INDUSTRIAL CONTROL NETWORK 总学时：40讲课学时：28 实验学时：12学分: 2.5 授课对象：电气工程及其自动化专业 先修课程：电路集成电子技术嵌入式系统原理及应用 一、课程教学目的 工业控制网络即现场总线是3C（Computer,Communication and Control）技术发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化智能化网络发展到现场的结果。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。现场总线已在国民经济各个领域和国防领域中获得了广泛应用，而且应用得越来越普遍。例如，对于电气工程领域，在现代电机驱动与控制装置（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，几乎均要求配置现场总线通信接口；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。 本课程以现场总线基本技术及其节点设计为主要内容，目的是使学生掌握现场总线通信与网络基本知识，学会阅读并理解现场总线协议/规范，能够设计一般设备的现场总线通信接口，掌握典型现场总线系统的基本应用技术，并为学生进行现场总线系统设计和现场总线分析奠定一定的基础。 二、教学内容及基本要求 本课程的主要内容包括计算机网络与现场总线的基础知识、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。 第1章绪论 现场总线的发展历程、概念、组成、技术特点与优点，标准及应用领域。 第2章数据通信与计算机网络基础 数据编码方式、信号传输方式、通信方式等数据通信基础知识；网络拓扑结构、传输介质、硬件组成与介质访问控制方式等计算机网络基础知识；协议分层、接口和服务、服务原语等计算机网络基本理论；OSI参考模型和TCP/IP参考模型及其优缺点，OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。 第3章控制器局域网——CAN CAN总线的产生及其发展历程，CAN总线的技术特点，CAN节点的分层结构，CAN的一些基本概念，报文传送及其帧类型，错误类型及其界定，位定时要求，CAN总线基本技术阐释与分析，CAN控制器及接口芯片：SJA1000、82C250，CAN节点设计，CAN系统应用实例。 第4章DeviceNet DeviceNet简介，DeviceNet的连接（CAN标识符区的DeviceNet使用、连接建立概述、预定义主/从连接组、客户机和服务器的连接终点），DeviceNet信息协议（显式信息、输入/输出信息、分段/ 重组、重复MAC ID检测协议），DeviceNet通信对象类，网络访问状态机制，预定义主/从连接组，构建DeviceNet网络的步骤及所需的硬件和软件，DeviceNet节点设计、DeviceNet系统应用实例。 第5章ControlNet
1、工业控制网络技术的特点：（1）具有实时性和时间确定性（2）、信息多为短帧结构且交换频繁 3可靠性和安全性较高 4网络协议简单实用 5网络结构具有分散性 6易于实现与信息网络的集成 1、工业控制网络技术包括：1.现场总线技术：一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行双向串行多节点数字通信的技术 2.工业以太网技术：采用与商用以太网兼容的技术，选择适应工业现场环境的产品构建的工业网络 2、自动控制系统的发展主要经历了那几个阶段：1 气动信号控制阶段 2 模拟信号控制阶段3 集中式数字控制 4 集散式数字控制 5网络控制 3、网络控制系统的优点；1结构简单、安装维护方便 2 信息集成度高3 现场设备测控功能强 4 易于实现远程控制 4、控制网络与信息网络的区别：1 控制网络具有较高的数据传输实时性和系统响应实时性2控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性 3 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题 5、控制网络和信息网络集成的实现方式：1 采用硬件实现 2采用DDE实现 3采用统一的协议标准实现 4采用数据库访问技术实现 5采用OPC实现 第二章CAN （控制器局域网） 1、CAN总线特点：1.AN为多主方式工作 2.AN网络上的节点信息分成不同的优先级3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术 4.采用报文滤波 5.直接通信距离可达10km 6结点取决于总线驱动电路 7.采用短帧结构传输时间段抗干扰能力强，有较好的检错结果 8.每次信息都有CRC检验及其他检错措施 9.通信介质可为双绞线，同轴电缆或光线选择灵活 10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 2、CAN通信模型：遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层 3、报文传送类型：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧 4、报文结构：1.帧的组成：由7个不同位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束 5、错误类型：位错误、填充类型、CRC错误、格式错误、应答错误 6、正常位时间组成：分为几个互不重叠的时间段，包括：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2 7、显性隐性类：显性“0”状态以大于最小阀值的差分电压表示隐形“1” 8、CAN通信控制器：（1）sja1000通信控制器实现了can总线物理层和数据链路成的所有功能。其功能组成：接口管理逻辑（iml）、发送缓冲器（txb）、接受缓冲器（rxb、rxfifo，b字节） 工作模式：basiccan模式、elican模式。 （2）tn82527can通信控制器。（3）内嵌can控制器的p8xc591。 10，CAN总线io器件：82c150 主要功能：can接口功能io功能。 11，节点设计 CAN总线系统有两类节点：不带微处理器的非智能节点和带微处理器的智能节点，1.硬件电路设计：采用898c51作为节点的微处理器，在can总线通信接口中，can 通信控制器采用sja1000，can总线收发器采用82c250 2.软件设计：三部分 can节点初始化，报文发送和报文接收。 第三章 Profibus(国际现场总线标准） 1.profibus分为哪三部分，个部分结构主要用途是什么？ 答：profibus--FMS：用于解决车间一级通用性通信任务。 Profibus--DP：用于解决设备一级的告诉数据通信。
工业控制网络》复习题 一、概念题 1、现场总线：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。 2、模拟数据编码：分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码。 3、数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1 状态的，称为数字数据编码。 4、单极性码：信号电平是单极性的数字数据编码。 5、双极性编码：信号电平为正、负两种极性的数字数据编码。 6、归零码（RZ）：在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的数字数据编码。 7、非归零码（NRZ ）：在整个码元时间内维持有效电平的数字数据编码。 8、差分码：用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“ 0”的数字数据编码。 9、基带传输：就是在数字通信的信道上按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制。 10、载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输。 11、单工通信：指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。 12、半双工通信：指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。 13、全双工通信：指能同时作双向通信。 14、广播式网络：仅有一条通信信道，由网络上的所有机器共享。短的消息，即按某种语法组织的分组或包，可以被任何机器发送并被其它所有的机器接收。分组的地址字段指明此分组应被哪台机器接收。一旦收到分组，各机器将检查它的地址字段。如果是发送给它的，则处理该分组，否则将它丢弃。 15、点到点网络：由一对机器之间的多条连接构成。为了能从源到达目的地，这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间机器。 16、类：一组表示同种系统组件的对象。一个类是一个对象的一种概括。一个类中所有的对象在形式和行为上是相同的，但是它们可以包含不同的属性值。 17、实例：一个对象的一个明确的真实（物理）事件。 18、属性：一个对象的一个外部可视特性或特点的一种描述。
《工业控制网络及组态技术》课程教学大纲 课程代码：010132053 课程英文名称：Industrial Control Network and HMI Technology 课程总学时：16 讲课：16 实验：0 上机：0 适用专业：机械电子工程 大纲编写（修订）时间：2010.7 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 1.本课程是机电一体化专业的专业选修课 2.现场总线/工业以太网技术是当今工业控制系统的主流组网技术，是控制向分散化、网络化、智能化方向发展的技术基础。 本课程主要包括：现场总线/工业以太网的网络通讯基本原理，面向底层PLC控制，构建控制网络，人机交互界面HMI（Human Machine Interface）实现远程监视及优化控制，并以工程实践为例，从整体上掌握现代大中型自动化系统的实施过程。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.掌握大中型自动化系统的控制网络基本原理、设计方法、实施方法。 2.掌握HMI的设计方法。 3.结合S7-300 PLC工程实例，达到一定运用能力。 （三）实施说明 本课程应重点讲授工业控制网络原理、设计方法、结合PLC系统，以实例为主线，以作业、讲解等互动形式，调动学生的积极性。 （四）对先修课的要求 本课程的先修课有：计算机基础、机电传动控制、电工及电子技术、控制工程基础。 （五）对习题课、实践环节的要求 1.习题要求：习题应促进学生消化、巩固所学内容。习题要密切配合教师的讲授内容，注意要使概念类、分析类和设计类习题并存，培养学生的分析和设计能力。教师通过习题发现问题，改进教学，同时习题也是考核学生的依据之一。 2．实验要求：根据课时较短，同时仿真系统在脱离实验设备亦能进行的实际情况，实验环节以作业形式安排在课后，以实例、作业、互动来完成实践过程，不单独设置实验课。 （六）课程考核方式 1.考核方式：课程大作业。 2.考核目标：在考核学生对控制网络基本知识和方法掌握的基础上，重点考核学生实际运用能力。 3.成绩构成：出勤（约占20%），平时考察（约占30%），课程大作业（占50%） （七）参考书目 《S7-300/400 PLC 应用技术》，廖常初编，机械工业出版社，2008 《工业控制网络与现场总线技术》，陈在平，机械工业出版社，2006 《工业控制网络技术》，杨卫华，机械工业出版社，2008。 二、中文摘要
以太网技术在工业控制领域的应用及意义 随着计算机和网络技术的飞速发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息己变得越来越复杂，工业网络在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求。现场总线技术适应了工业网络的发展趋势，用数字通信代替传统的模拟信号传输，大量地减少了仪表之间的连接电缆、接线端口等，降低了系统的硬件成本，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，以及总线通信协议的多样性使得不同总线产品不能直接互连、互用和互可操作等，无法达到全开放的要求，因此现场总线在工业网络中的进一步发展受到了限制。 随着Internet技术的不断发展，以太网己成为事实上的工业标准，TCP/IP 的简单实用已为广大用户所接受，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业网络各个层次的需求。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的上层网络也都广泛使用以太网技术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格较低，带宽也在飞速增加，特别是快速Ethernet与交换式Ethernet的出现，使人们转向希望以物美价廉的以太网设备取代工业网络中相对昂贵的专用总线设备。Ethernet通信机制 Ethernet是IEEE802. 3所支持的局域网标准，最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司和Xerox联合扩展，成为Ethernet标准。Ethernet采用星形或总线形结构，传输速率为10Mb/s，100 Mb/s，1000 Mb/s或是更高，传输介质可采用双绞线、光纤、同轴电缆等，网络机制从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，工作方式从单工发展到全双工。 在OSI/ISO 7层协议中，Ethernet本身只定义了物理层和数据链路层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。自从APARNET将TCP/IP和Ethernet捆绑在一起之后，Ethernet便采用TCP/IP作为其高层协议，TCP用来保证传输的可靠性，IP则用来确定信息传递路线。 Ethernet的介质访问控制层协议采用CSMA/CD，其工作原理如下：某节点要
《工业控制网络》复习题 一、概念题 1、现场总线：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。 2、模拟数据编码：分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码。 3、数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。 4、单极性码：信号电平是单极性的数字数据编码。 5、双极性编码：信号电平为正、负两种极性的数字数据编码。 6、归零码（RZ）：在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的数字数据编码。 7、非归零码（NRZ）：在整个码元时间内维持有效电平的数字数据编码。 8、差分码：用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”的数字数据编码。 9、基带传输：就是在数字通信的信道上按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制。 10、载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输。 11、单工通信：指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。 12、半双工通信：指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。 13、全双工通信：指能同时作双向通信。 14、广播式网络：仅有一条通信信道，由网络上的所有机器共享。短的消息，即按某种语法组织的分组或包，可以被任何机器发送并被其它所有的机器接收。分组的地址字段指明此分组应被哪台机器接收。一旦收到分组，各机器将检查它的地址字段。如果是发送给它的，则处理该分组，否则将它丢弃。 15、点到点网络：由一对机器之间的多条连接构成。为了能从源到达目的地，这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间机器。 16、类：一组表示同种系统组件的对象。一个类是一个对象的一种概括。一个类中所有的对象在形式和行为上是相同的，但是它们可以包含不同的属性值。 17、实例：一个对象的一个明确的真实（物理）事件。 18、属性：一个对象的一个外部可视特性或特点的一种描述。
工业无线控制网络的发展与应用 Wireless industrial control network development and Application 摘要：简要介绍了目前国际上已经应用的几种主要的控制网络：工业以太网以及无线网络（Zigbee、无线HART、SPl00）。最后对控制网络的发展趋势进行了展望。 关键词：工业控制网络；工业以太网； Zigbee；无线HART； SPl00；发展趋势。 Abstract: This paper briefly introduced the current international has been applied several major control network: Industrial Ethernet and wireless network (Zigbee, wireless HART, SPl00 ). Finally, the development trend of control network is discussed. Key words: industrial control network、 industrial Ethernet、 Zigbee、 wireless HART、SPl00、 development trend。 学院: 专业: 班级: 姓名: 学号:
一、工业以太网 以太网最早出现在上世纪70年代，是一种总线式局域网，采用CSMA / CD （Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect，载波监听多路访问/冲突检测）协议，1985年，IEEE802委员会吸收以太网标准为IEEE 802.3标准，以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，包括在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以100~1000 Mbps 甚至更高的速率传输信息包。 1、工业以太网的主要技术特性 l) 系统响应的实时性。工业以太网是与工业现场测量控制设备相连接的一类特殊通信网络，控制网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。 2 ) 网络传输的确定性。即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。 3) 总线供电技术。电气电子工程师协会于2003年6月批准了以太网供电PoE 标准-IEEE 802.3af。 4) 要求极高的可靠性。工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性，具体表现在以下三个方面：可使用性要好，容错能力强，可维护性高。 2、工业以太网技术的发展趋势与前景 未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面： （1）工业以太网与现场总线相结合的形式 1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等； 2）使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机； 3）采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议栈； 4）应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议； 5）兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等； （2）工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信趋势 1）实时通信技术 其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。 2）总线供电技术 采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。 3）远距离传输技术 采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。 4）网络安全技术 采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。