自动化控制系统-概 述
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第1章概述 (2)1.1自动化控制系统的发展 (2)1.1.1集散式控制系统 (2)1.1.2现场总线控制系统 (3)1.2全集成自动化 (3)1.2.1企业对自动化系统的需求31.2.2全集成自动化 (4)1.2.3 全集成自动化中的通讯 41.3 SIMA TIC NET工业通讯网络 51.3.1 工业通讯网络结构 (5)1.3.2 SIMA TIC NET工业通讯网络解决方案 61.3.3 通讯技术说明 (7)第1章概述近些年来，随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息管理系统的覆盖范围正逐渐的从传统的经营、管理信息扩展到工厂的主控信息及现场的控制信息，对于企业而言，将整个工厂的生产流程和自动化控制系统纳入到统一的信息管理平台上已不再是一个梦想。
借助于强大的工业通讯网络，企业的信息管理平台不仅可以对市场信息和管理信息进行处理，还可以囊括从原料采购、生产加工到成品储运的全部生产流程，这意味着，通过与工厂中强大的工业通讯网络的集成，企业的信息管理系统可以实现对生产、物流、销售和管理信息的统一集成处理，为企业管控一体化功能的实现提供了坚实的基础。
强大的工业通讯网络与信息技术的结合彻底改变了传统的信息管理方式，将企业的生产管理带入到一个全新的境界。
1.1自动化控制系统的发展纵观自动化控制系统的发展历史，我们可以发现，自动化控制系统的发展和工业通讯技术的不断成熟是相辅相成的。
自动化控制系统的发展给工业通讯提出了新的要求；反过来，工业通讯技术的进步也极大地提升了自动化控制系统的性能，为用户带来了巨大的收益。
简单的说，自动化控制系统的历史大致可分为三个阶段：集中式控制系统20世纪50年代前后，现场的仪表和自动化设备提供的都是模拟信号，这些模拟信号统一送往集中控制室的控制盘上，操作员可以在控制室中集中观测生产流程各处的状况。
但是，模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，计算速度和精度都难以保证，信号传输的抗干扰能力也很差，传输距离也比较短。
为了解决模拟信号的这些缺点，一部分模拟信号被数字信号所取代，这些数字信号和模拟信号都接入到主控室的中心计算机上，由中心计算机统一进行监视和处理。
通过使用数字技术，克服了模拟技术的缺陷，延长了通讯距离，提供了信号的精度。
不过，由于当时计算机技术的限制，中心计算机并不可靠，一旦中心计算机出现故障，就会导致整个系统的瘫痪。
1.1.1集散式控制系统随着计算机技术的发展，计算机的可靠性不断提高，价格也大幅度的下降，出现了可编程控制器PLC及多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散式控制系统（Distributed Control System, DCS）。
集散式控制系统弥补了传统的集中式控制系统的缺陷，实现了集中控制，分散处理。
这种系统在功能、性能上较集中式控制系统有了很大进步。
实现了控制室与DCS控制站或PLC之间的网络通讯，减少了控制室与现场之间的电缆数目。
但是在现场的传感器、执行器与DCS控制站之间仍然是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量很多，信号传送过程中的干扰问题仍然很突出。
而且，在DCS系统形成的过程中，各厂商的产品自成系统，难以实现不同系统间的互操作。
1.1.2现场总线控制系统随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能程度越来越高，成本在不断下降，因此，在智能设备之间使用基于开放标准的现场总线技术构建的自动化系统逐渐成熟。
通过标准的现场总线通讯接口，现场的I/O信号、传感器及变送器的设备可以直接连接到现场总线上，现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大减轻了布线的成本，提高了通讯的可靠性。
现场总线技术的出现，彻底改变了自动化控制系统的面貌，正是在这个阶段，工业通讯网络的概念逐渐深入人心。
覆盖全厂范围的工业通讯网络逐渐成形。
由于功能强大的工业通讯网络的出现，使得对全厂信息的统一采集和管理成为可能，自动化控制系统开始向更高的层级迈进，控制信息与企业经营管理信息的对接成为流行的趋势，这就对自动化控制系统提出了更高的要求，全集成自动化（T otally Integrated Automation，TIA）就是这个流行趋势的产物。
1.2全集成自动化作为全球领先的自动化系统提供商，西门子在1996提出了全集成自动化的概念，在工厂信息化的浪潮中再次成为市场的领先者。
1.2.1企业对自动化系统的需求随着市场竞争的逐渐激烈，企业在市场上面临越来越大的竞争压力。
对市场的需求，企业要能够及时响应，同时还要控制成本、保证质量。
因此，您需要的是一个完整的从现场级到工厂管理级的自动控制解决方案，帮助工厂降低单位能耗，提高产品质量，实现更好的供应链管理，从而提高自身在市场上的竞争力。
而传统的自动化系统大多是以单元生产设备为核心进行检测与控制，生产设备之间易形成“自动化孤岛效应”。
这种“自动化孤岛效应”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，已无法满足现代工业生产的要求。
为了提高企业的市场竞争力，实现其最佳经济效益的目标，必须将自动化控制、制造执行系统（Manufacture Execute System, MES）和企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning, ERP）三者完美的整合在一起。
1.2.2全集成自动化在这样一个大背景下，西门子提出了全集成自动化的概念。
西门子全集成自动化顺应了自动化变革的趋势，将公司的供应链、企业生产现场和管理层无缝的整合在一起，实现了企业信息系统的横向和纵向集成，对提高投资回报率并降低运营成本起决定性作用。
不管是过程自动化还是生产自动化，全集成自动化提供了一个通用的平台，可以覆盖自动化的所有方面。
图1-1 全集成自动化如图1所示，全集成自动化是一个覆盖了从原料储运、生产加工到成品发送整个生产过程的集成平台。
通过系统导向的工程环境、开放的通讯以及智能的诊断选项，工厂可以在生产系统的整个生命周期的所有阶段获益。
事实上，到今天为止，西门子提供的基于集成平台的控制系统是全球唯一一家既可以用于工厂自动化也可以用于过程自动化的控制系统。
1.2.3 全集成自动化中的通讯全集成自动化采用统一的集成通讯技术，完美的实现了数据横向与纵向集成，覆盖整个公司的通讯需求，确保了生产控制过程中所采集的实时数据可及时、准确、可靠、无间隙的与MES 系统保持通讯，为企业经营管理信息与生产控制信息的统一整合提供了坚实的技术基础。
在通讯协议的选择方面，全集成自动化采用国际公认的开放协议，如PROFIBUS、工业以太网、PROFINET、AS－I等，因此，全集成自动化系统具有极强的兼容性。
例如：基于国际标准IEEE802.3的工业以太网可以方便的与办公网络相连，使得Internet技术可以用于工业自动化领域。
西门子自动化系统对当前及未来的新技术、新工具都是开放的。
不仅在自动化系统中，在连接IT世界的通讯网络中亦如此。
1.3 SIMATIC NET工业通讯网络SIMA TIC NET是西门子的工业通讯网络解决方案的统称。
1.3.1 工业通讯网络结构一般而言，企业的通讯网络可划分为三级：企业级、车间级和现场级。
如图2所示。
1.企业级通讯网络企业级通讯网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据，通过信息化的方式优化企业的资源，通过企业的管理水平。
在这个层次的通讯网络中，IT技术的应用十分广泛，如Internet 和Intranet。
2. 车间级通讯网络车间级通讯网络介于企业级和现场级之间。
主要任务是解决车间内各需要协调工作的不同工艺段之间的通讯，从通讯需求角度来看，要求通讯网络能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。
对车间级通讯网络，所使用的主要解决方案是工业以太网。
3. 现场级通讯网络现场级通讯网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，包括I/O设备、传感器、变送器、变频与驱动等装置，由于连接的设备千变万化，因此所使用的通讯方式也比较复杂。
而且，由于现场级通讯网络直接连接现场的设备，网络上传递的主要是控制信号，因此，对网络的实时性和确定性有很高的要求。
对现场级通讯网络，PROFIBUS是主要的解决方案。
同时，SIMATIC NET也支持诸如AS-I、EIB等总线技术。
图1-2 网络层次结构1.3.2 SIMA TIC NET工业通讯网络解决方案对于上述三层网络结构，一般而言，企业级通讯网络属于工厂的信息管理层，主要管理企业的经营和管理信息，覆盖企业的办公机构。
因此，SIMA TIC NET工业通讯网络解决方案主要针对车间级和现场级通讯网络。
考虑到车间级网络和现场级网络的不同通讯需求，以及现场控制信号的可靠传输，对现场级通讯网络，我们主要选择PROFIBUS总线解决方案，对车间级通讯网络，我们选择工业以太网解决方案。
在图1-3中，我们给出了一个标准的SIMA TIC NET网络配置方案。
在该配置方案中，对现场级通讯网络，我们使用PROFIBUS-DP连接现场的I/O、控制屏和变频器，每个工艺段使用S7-400作为主PLC，负责该工艺段的控制任务，I/O、控制屏和变频器都通过PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS总线上。
对车间级通讯网络，主PLC和上层WinCC服务器之间、各主PLC之间的通讯通过工业以太网来实现，西门子特有的冗余环网结构保证了通讯的可靠性，而且，借助于集成的网络管理功能，用户可以在上层网络中很方便的实现对整个网络的监控。
图1-3 SIMATIC NET配置方案1.3.3 通讯技术说明在SIMA TIC NET解决方案的范畴内使用了许多通讯技术，除了上面提到的工业以太网和PROFIBUS之外，在通讯、组态、编程中还需要使用其他一些通讯技术，下面逐一进行简要介绍。
1. MPI（多点接口协议，Multi-Point Interface）MPI通讯用于小范围、小点数的现场级通讯。
MPI是为S7/M7和C7系统提供的多点接口，它设计用于编程设备的接口，也可以用来在少数CPU之间传递少量数据。
2. PROFIBUSPROFIBUS符合国际标准IEC61158，是目前国际上通用的现场总线标准之一，并以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，成为现场级通讯网络的最优解决方案，其网络节点数已突破1000万个，在现场总线领域遥遥领先。
PROFIBUS协议包括三个主要部分：PROFIBUS DP ：主站和从站之间采用轮询的通讯方式，支持高速的循环数据通讯，主要应用于制造业自动化系统中现场级的通讯PROFIBUS PA ：电源和通讯数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中本质安全要求的防爆场合PROFIBUS FMS ：定义了主站和从站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中车间级的数据交换3.工业以太网工业以太网符合国际标准IEEE802.3，是功能强大的区域和单元网络。
