工业控制系统网络架构介绍.ppt

• 移动数据业务进一步提速
− 10Gbp+速率
5G面向垂直行业和万物互联，支持更高速率，更大连接，更低延时
55GG解面决临哪了些哪问些题问题？
移动数据业务流量爆炸式增长 现有4G网络容量难以满足
EB
相比2016年，预计到2021年，
全球移动数据业务总需求将增长
7倍
35EB
24EB 17E 7EB 11EB B
EPC
5GC
1A-LIKE
eLTE
NR
优势
支持5G NR和LTE 双连接，带来流量增益 引入5GC，支持5G新功能新业务
劣势
需要对现网LTE改造 需要同时部署NR和5GC
Option3/3a vs Option7/7a
相对于Option7/7a，Option3对4G LTE现网改造更小，且不依赖于5GC的产业成熟度
Option 2 架构：5G独立建网
Option 2架构是将独立的新无线接口（NR）连接到5GC（下一代核心网）
Option 2: Standalone NR
5GC
NR
优势
对现有2G/3G/4G网络无影响 可快速部署，直接引入5G新网元，不需要对现01网改造 引入5GC，提供5G新功能新业务
劣势
当NR未实现连续覆盖时，语音连续性依赖跨系统切换 需要同时部署NR和5GC
55GG远解景决了什么问题
容量增强
接入海量终端
超高可靠超低时延
GB/秒移动通信
智能家居
3D/超高清 视频
高清语音
增强 移动宽带
eMBB
云办公
VR/AR
海量 机器通信 mMTC
云游戏
M2M
工业自动化

2024/1/30
绿色环保理念深入人心
未来工业自动化领域将更加注重绿色环保理念的应用，推动工业生产向低碳、环保、可持续 发展方向迈进。
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THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
2024/1/30
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05 DCS在典型工艺流程中应 用案例分析
2024/1/30
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石油化工行业应用案例
石油炼制过程控制
DCS系统可实现石油炼制过程中的温度、压力、流量等关键参数的 实时监测与控制，确保生产安全稳定。
化工生产流程优化
通过DCS系统对化工生产过程中的各种设备、阀门、传感器等进行 集中管理和控制，实现生产流程的优化和自动化。
针对风能、太阳能等新能源发电，DCS系统可实现并网控制，确保 新能源发电稳定接入电网。
电力调度与自动化
通过DCS系统对电网进行实时监测和调度，实现电力资源的优化配 置和自动化管理。
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冶金行业应用案例
2024/1/30
高炉炼铁过程控制
DCS系统可实现高炉炼铁过程中的温度、压力、流量等关键参数 的实时监测与控制，提高炼铁效率。
水泥建材行业应用DCS系统可实现原料破碎、 粉磨、煅烧等工艺流程的自动化控制，降低 能耗和生产成本。
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02 DCS硬件设备及配置

2024/1/30
7
控制器类型及特点
主流DCS控制器类型
介绍市场上主流的DCS控制器类型， 如霍尼韦尔、艾默生、西门子等。
控制器冗余设计
讲解控制器的冗余配置方式，提高系 统可靠性和稳定性。
根据实际需求，合理配置通讯网络参数，确保数据传输的稳定
性和实时性。

自动化生产线应用
01
自动化生产线概述
自动化生产线是指通过自动化设备和技术实现生产过程的 自动化和高效化的生产线。
02 03
工业数据通信与控制在自动化生产线中的作 用
工业数据通信与控制网络为自动化生产线提供了实时、可 靠的数据传输和控制功能，支持生产线的自动化、信息化 和智能化。
自动化生产线应用场景
目前市场上存在多种不同的工业数据通信与控制网络技术和 标准，导致不同系统之间的互操作性较差。为了解决这一问 题，需要推动标准统一和技术规范化，促进不同厂商之间的 合作和共同发展。
新技术与新应用的发展趋势
总结词
随着技术的不断进步和应用需求的不断变化，工业数据通信与控制网络的新技术与新应 用将不断涌现。
特点
实时性、可靠性和安全性要求高， 能够支持多种通信协议和数据格 式，具有灵活的网络拓扑结构和 可扩展性。
工业数据通信与控制网络的重要性
提高生产效率
通过实时数据传输和控制，优化生产流程， 减少故障和停机时间，提高生产效率。
增强设备监控与管理
实现对工业设备的远程监控和管理，及时 发现和解决设备故障，提高设备利用率。
无线通信协议的特点 无线通信协议具有灵活、便捷、可移动等特点， 适用于需要无线连接的工业控制场合。
03
工业数据通信与控制网络技术
数据传输技术
数据传输速率
描述数据传输的速度，通常以比特率（ bit per second）表示。
数据传输方式
包括串行传输和并行传输，根据不同的应 用场景选择合适的方式。
数据同步原理：解释数据同步的基本原理 和工作方式。
时间同步技术：如NTP协议、PTP协议等， 用于实现网络中设备的时间同步。

理。
智能家居
通过SFC编程，可以实 现智能家居设备的自动
化控制和场景切换。
03
SFC工作原理
扫描原理
01
02
03
顺序扫描
按照程序设定的顺序，逐 行扫描SFC程序，执行相 应的操作。
循环扫描
在程序执行过程中，不断 循环扫描SFC程序，直到 满足停止条件。
条件触发
根据设定的条件，触发相 应的扫描操作，执行特定 的程序段。
实现与其他控制系统或上位机的数据交换， 支持远程监控和调试。
05
SFC操作方法与技巧
基本操作流程
打开SFC软件，选择相应 的功能模块。
设置相关参数，如输入/ 输出路径、处理参数等。
导入需要处理的文件或数 据。
开始执行处理任务，等待 处理完成。
常用操作技巧
批量处理 利用SFC的批量处理功能，可以同时 处理多个文件或数据，提高效率。
数据采集与处理
数据采集
通过传感器等输入设备， 实时采集现场数据，并将 其转换为数字信号。
数据处理
对采集到的数据进行处理， 包括滤波、放大、转换等 操作，以便后续分析。
数据存储
将处理后的数据存储在指 定的存储器中，以便后续 调用和分析。
故障诊断与排除
01
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03
04
故障检测
通过实时监测和数据分析，发 现设备或系统的故障。
人机界面软件
提供图形化操作界面，方便用户进 行参数设置、状态监控等操作。
功能模块介绍
顺序控制模块
实现工艺流程的顺序控制，包括步骤执行、 条件判断和跳转等。
故障诊断模块
实时监测系统运行状态，及时发现并处理故 障，保障系统稳定运行。

定义
DCS（Distributed Control System）控制系统，即分布式控制系统，是一种 基于微处理器技术的控制系统，具有分散控制、集中管理、配置灵活等特点。
发展历程
DCS控制系统起源于20世纪70年代，随着计算机技术、通信技术和控制技术的 不断发展，DCS控制系统逐渐成熟并广泛应用于工业领域。
2024/3/23
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05 系统维护与故障排除
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日常维护内容及方法
01
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定期检查硬件设备
包括控制器、输入输出模块、 通信设备等，确保设备正常运
行。
清理灰尘和杂物
保持设备清洁，防止灰尘和杂 物影响设备散热和性能。
更新软件程序
定期下载并安装最新的软件补 丁和程序，确保系统安全性和
稳定性。
备份重要数据
定期备份控制器组态、历史数 据等重要文件，以防数据丢失
。
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常见故障类型及原因
电源ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ障
电源模块损坏、电源线松动或短路等导致系统无 法正常启动或运行。
输入输出故障
输入输出模块损坏、接线错误或信号干扰等导致 系统无法正常采集或输出信号。
ABCD
2024/3/23
通信故障
积累了宝贵的经验。
学习感悟
学员们认为本次培训内容丰富、 实用性强，教师讲解生动、形象 ，学习氛围浓厚，表示将继续努 力学习，不断提高自己的专业水
平。
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未来发展趋势预测
2024/3/23
DCS控制系统技术不断创新
随着科技的不断进步和工业自动化程度的提高，DCS控制系统将不断引入新技术、新方法 和新应用，实现更高效、更智能的控制。

缺点
随着系统规模扩大，集中式架构 可能面临性能瓶颈和安全风险， 中央控制器容易成为攻击的目标 。
分散式架构
优点
分散式架构将系统划分为多个独立的子系统，每个子系统具有一定的自治能力，能够减轻中央控制器的负担。
缺点
分散式架构增加了系统的复杂性，可能面临通信延迟和协同问题。
分布式架构
优点
分布式架构将系统划分为多个独立的节点，每个节点具有完整的自治能力，能 够实现并行处理和负载均衡。
密性。
案例四：智能制造的工业控制应用场景
总结词
智能制造是当前工业控制领域的重要发展方向，其应 用场景非常广泛，包括机器人、智能生产线、智能仓 储等。
详细描述
智能制造的工业控制应用场景非常广泛，包括机器人、 智能生产线、智能仓储等。其中，机器人的应用非常普 遍，其控制方式主要是通过PLC或嵌入式系统进行控制 ，实现自动化操作和精确控制。智能生产线则是由多个 机器人和其他设备组成的生产线，实现生产过程的自动 化和信息化。智能仓储则是利用物联网技术和传感器技 术对仓库进行智能化的管理和控制，提高仓库的管理效 率和物流效率。
案例二：汽车制造厂的分布式控制架构
总结词
汽车制造厂的分布式控制架构是一种基于PLC和工业以 太网的架构，实现生产过程的自动化和信息化。
详细描述
汽车制造厂的分布式控制架构主要由现场控制层、监控 层和信息管理层三个层次组成。现场控制层主要负责生 产现场的自动化控制，包括生产设备的控制和生产过程 的监测等。监控层则负责对生产过程进行监控和管理， 包括生产计划、生产进度、质量检测等。信息管理层则 负责对整个制造过程进行信息化管理，包括生产管理、 库存管理、人员管理等。
01
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哈工大网络与电气智能化研究所 13
1.1 现场总线的概念
➢对现场总线概念的不同的表述： 现场总线是一种串行的数字数据通信链
路，它沟通了生产过程领域的基本控制设 备（现场设备）之间以及更高层次自动控 制领域的自动化控制设备（车间级设备） 之间的联系；
哈工大网络与电气智能化研究所 14
1.1 现场总线的概念
哈工大网络与电气智能化研究所 33
本门课程的主要内容
➢ 绪论 ➢ 数据通信与计算机网络基础 ➢ EIA232、EIA485、Modbus总线 ➢ CAN总线 ➢ DeviceNet总线 ➢ ControNet总线 ➢ 其他现场总线简介及现场总线发展趋势介绍
哈工大网络与电气智能化研究所 5
第1章 绪 论
➢ 1.1 工业控制网络的发展历程 ➢ 1.2 现场总线的概念 ➢ 1.3 现场总线系统的组成与体系结构 ➢ 1.4 现场总线的技术特点及优点 ➢ 1.5 现场总线标准 ➢ 1.6 现场总线应用领域
网络配置软件——为用计算机进行总线设备/节点、网络 配置提供平台并按现场总线协议/规范与通信工具软件交 换信息的工具软件。如DeviceNet Manager、RSNetWorx for DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP 。
通信工具软件——为计算机与总线设备进行通信，按现 场总线协议/规范读取总线设备参数/配置信息、网络配置 信息、程序传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx 。
➢ 硬件：
总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介 体）。
连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装 置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）， 包括变送器、执行器、控制器等。
哈工大网络与电气智能化研究所 21

通过仿真验证控制系统设计的正 确性和有效性。
01
控制系统需求分析
明确控制对象、控制精度、响应 时间等关键指标。
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控制算法选择
根据控制对象特性选择合适的控 制算法，如PID、模糊控制等。
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关键参数设置和调整技巧分享
1 PID参数整定
通过经验法、试凑法或自动整定法确定PID控制器的比例、 积分、微分参数。
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故障诊断方法和工具推荐
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观察法
通过直接观察设备运行状态， 判断是否存在异常。
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测量法
使用万用表、示波器等工具测 量电压、电流、波形等参数，
进一步分析故障。
替换法
将疑似故障部件替换为正常部 件，观察设备是否恢复正常运
行。
专用诊断工具
采用厂家提供的专用诊断软件 或硬件工具，进行更深入的故
工业互联网
借助工业互联网平台，实现DCS系统与其他工业设备的互联互通， 构建数字化工厂和工业物联网。
工业大数据
运用工业大数据技术，对DCS系统采集的数据进行深度挖掘和分析， 发现潜在问题和优化空间，推动工业生产的持续改进和创新。
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感谢您的观看
THANKS
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I/O模块配置方法 根据实际需求选择合适的I/O模块类型和数量， 并进行相应的地址设置和参数配置。
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通讯网络架构及协议解析
01
DCS通讯网络的作用和架构
DCS通讯网络是实现各部件之间数据传输和信息交换的重要通道，通常

“数据”是工业智能化的核心驱动，包括数据采集交换、集成处理、建模分析、决策优化和
专业整理分享
WORD资料可编辑
反馈控制等功能模块，表现为通过海量数据的采集交换、异构数据的集成处理、机器数据的边缘 计算、经验模型的固化迭代、基千云的大数据计算分析，实现对生产现场状况、协作企业信息、 市场用户需求的精确计算和复杂分析，从而形成企业运营的管理决策以及机器运转的控制指令， 驱动从机器设备、运营管理到商业活动的智能和优化。
“安全＇是网络与数据在工业中应用的安全保障，包括设备安全、网络安全、控制安全、数 据安全、应用安全和综合安全管理，表现为通过涵盖整个工业系统的安全管理体系，避免网络设 施和系统软件受到内部和外部攻击，降低企业数据被未经授权访问的风险，确保数据传输与存储 的安全性 ， 实现对工业生产系统和商业系统的全方位保护。工业互联网体系架构如圈 2 所示。
工业互联网与制造业的融合将带来四方面的智能化提升。一是智能化生产，即实现从单个机 器到产线、车间乃至整个工厂的智能决策和动态优化，显著提升全流程生产效率、提高质量、降低 成本。二是网络化协同，即形成众包众创、协同设计、协同制造、垂直电商等—系列新模式， 大 幅降低新产品开发制造成本、缩短产品上市周期。三是个性化定制，即苤千互联网获取用户个性化 需求，通过灵活柔性组织设计、制造资源和生产流程，实现低成本大规模定制。四是服务化转型， 即通过对产品运行的实时监测，提供远程维护、故障预测、性能优化等一系列服务，并反馈优化产 品设计，实现企业服务化转型。
性制造等。
图 1 工业互联网业务视图
（二）工业互联网体系架构
工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能，网络、数据、安全是工业和互联 网两个视角的共性基础和支撑。
其中， “网络”是工业系统互联和工业数据传输交换的支撑基础，包括网络互联体系、标识 解析体系和应用支撑体系，表现为通过泛在互联的网络基础设施、健全适用的标识解析体系、集中 通用的应用支撑体系，实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统与商业系统各主体之间的无 缝传递，从而构建新型的机器通信、设备有线与无线连接方式，支撑形成实时感知、协同交 互的 生产模式。

6/13
1.2 工业控制网络发展历程与特点
工业控制网络特点：
系统响应的实 时性 开放性
• 控制系统在较短并且可以预测确定的时间内，完成过程参数的采集、 加工处理、控制运算、反馈执行等完整过程，并且执行时序满足过程 控制对时间限制的要求。 • 指协议的开放，也指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与 遵从。
图5 实例3
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1.3 常见工业控制网络
与现场总线相比，以太网有以下优点：
应用广泛 成本低廉 通信速率高 控制算法简单 软硬件资源丰富 不需要中央控制站 可持续发展潜力大 易于与Internet连接
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1.3 常见工业控制网络
图6 实例4
12/13
1.3 常见工业控制网络
新型控制网络技术－工业无线通信
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1.3 常见工业控制网络
与传统的控制设备相比，FCS有如下特点：
全数字化 可实现分布式测量与控制 双向的数据传输 自诊断 节省布线及控制室空间 仪表功能的多重化 开放性 互操作性 智能化与自治性
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1.3 常见工业控制网络
工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制 中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网会采用 TCP/IP 协议，和 IEEE802.3 标准兼容，但在应用层会加入 各自特有的协议。
7/13
1.3 常见工业控制网络
现场总线—Fieldbus Control System
现场总线是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现双向、串行、多节点数字通信的 技术。它由 IEC （国际电工技术委员会）的国际标准化小 组SC65C/WG6定义。
图4 现场总线的体系结构

无线通信技术是工业控制网络中 的重要组成部分，它利用无线信 号传输信息，实现了设备间的无
线连接和通信。
无线通信技术具有灵活、方便、 可移动等优点，适用于一些复杂
环境和移动设备。
常见的无线通信技术有WiFi、蓝 牙、ZigBee等。
工业控制网络安全技术
01
随着工业控制网络的普及和应用 ，网络安全问题越来越受到关注 。工业控制网络安全技术是保障 工业控制网络安全的重要手段。
特点
实时性、可靠性和安全性是工业控制 网络的重要特点，能够满足工业自动 化领域对快速、准确地传输控制指令 和数据的需求。
工业控制网络的重要性
提高生产效率
促进智能化发展
工业控制网络能够实现设备之间的快 速通信，提高生产效率，降低生产成 本。
工业控制网络的发展推动了工业智能 化的发展，使得工业生产更加自动化 、智能化。
工业以太网技术
工业以太网技术是基于以太网协议的工业控制网络技术，它将传统的以太网技术与 工业控制需求相结合，实现了高速、可靠的信息传输和实时控制。
工业以太网技术具有高带宽、低延时、高可靠性等优点，能够满足现代工业控制系 统的需求。
常见的工业以太网协议有EtherNet/IP、Profinet等。
无线通信技术
AI技术将提升工业控制网络的自适应和自学习能力，优化生产过程，提 高产品质量和降低能耗。
AI技术将增强工业控制网络的预测性和决策性功能，支持智能决策和优 化管理。
工业控制网络的绿色发展
绿色发展是未来工业控制网络的重要趋 势，通过节能减排和资源循环利用，降
低对环境的影响。
工业控制网络将采用更高效、低能耗的 工业控制网络将促进清洁能源的开发和
边缘计算能够将数据处理和分析 的需求从中心服务器转移至设备

4G
• 高速移动
− 350Km/h
• 移动互联网
− Mbps级别的用户体验
• VoLTE
− 基于IMS的全IP的语音业务
• 数据业务占绝对主导
− 几百Mbps速率
5G
• 垂直行业
− uRLLC超低时延、mMTC超大连接
• 超高速移动
− 500km/h
• eMBB
− 百兆的用户体验
• VoNR
− 基于VoIP的语音业务的持续发展
55GG远解景决了什么问题
容量增强
接入海量终端
超高可靠超低时延
GB/秒移动通信
智能家居
3D/超高清 视频
高清语音
增强 移动宽带
eMBB
云办公
VR/AR
海量 机器通信 mMTC
云游戏
M2M
工业自动化
自动驾驶
智能交通
超高可靠 低时延通信
URLLC
智慧城市
高可靠应用
移动医疗
1000倍网络容量提升 10-100倍用户速率提升
全球移动数据业务总需求将增长
7倍
35EB
24EB 17E 7EB 11EB B
49EB
用户体验速率要求越来越高 现有4G网络承载能力终将不足
AR/VR，超高清视频，裸眼3D等新型业
Mbps
务，用户体验速率需求将达到
Gbps+
Source: Cisco VNI Mobile, 2017
物联网蓬勃发展，现有4G网络海量连接能力 待提升
Undistributed
中国移动
160MHz(2.6GHz)
100MHz(4.9GHz)
2500 2515

14
4.2 数据特性
在NCS中，需要传输的数据可分为3类：周 期数据、猝发数据和非实时数据。
周期数据如各种传感器和控制器的I/O信号和 部分状态监测数据，它对时间有严格的要求，一 般不允许有秒级的时延。猝发数据如报警信号和 紧急操作指令，它对实时性的要求比周期数据更 高。非实时数据如用户编程数据和组态数据，他 对时间的要求并不严格，允许有一定时延，但这 类数据的长度较长且不确定，数据量较大，对带 宽的占用率较为敏感，一般以小型或微型文件的 形式出现。
NCS的主要优点是系统连线少、可靠性高、结构灵活、 易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等。
2
2. 网络控制系统结构
网络控制系统有两种主要的结构：直接结构和递阶结 构。直接结构，它是由一个或多个控制器、被控对象及网 络组成。被控对象与传感器、执行器相连，而控制器与被 控对象可以分布在地理上不同的位置，所有的信号都通过 网络传输，直接构成反馈控制回路。其结构如图2-1。
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3.5实时调度
长期以来，控制系统的设计和实时系统的发展是分开 的，几乎所有基于控制的系统设计都分为控制方案设计和 数字实现两个独立的步骤进行。这种分离虽然有一定的好 处，但也有其负面影响，那就是控制领域和实时调度的研 究人员对对方领域的研究缺乏了解。
实时调度就是将控制和调度结合起来，总的来说可以 分为两类：静态调度和动态调度。静态调度算法要求对任 务有完全的认识，既要求对任务的时限、计算时间、过程 约束和未来释放时间等有全面而准确的了解。
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4.网络控制系统的评价标准及数据特性
4.1 评价标准
对NCS的评价通常有两种标准：网络服务质量(QoS) 和系统控制性能(QoP)。
网络服务质量的评价指标包括网络吞吐量、传输效率、 误码率、时延可预测性和任务可调度性。