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第二章 工业控制网络技术基础.ppt

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工业控制网络技术基础

工业控制网络技术基础

工业控制网络技术的发展历程
早期的工业控制网络技术主要基于模 拟信号传输，随着技术的发展，逐渐 演变为数字信号传输。
近年来，随着物联网、云计算和大数 据等技术的快速发展，工业控制网络 技术也得到了不断升级和完善。
工业控制网络技术的应用场景
工业控制网络技术广泛应用于能源、化工、制造、交通等领域的自动化生产过程中。 在智能制造、智能物流、智能监控等领域，工业控制网络技术也发挥着重要作用。
工业控制网络技术基础
• 引言 • 工业控制网络技术基础知识 • 工业控制网络技术实现方式 • 工业控制网络安全防护 • 工业控制网络技术的发展趋势
01
引言
工业控制网络技术的定义
01
工业控制网络技术是指用于连接 和控制工业生产过程中的各种设 备、传感器和执行器的网络技术 。
02
它通过实时、可靠的数据传输和 控制系统，实现了对工业过程的 精确监测和控制，提高了生产效 率和安全性。
工业控制网络的设备
01
02
03
网络交换机
用于连接各个设备和系统， 实现数据传输和通信。
网关
用于实现不同协议之间的 转换，以实现设备和系统 之间的互操作性。
服务器和客户端
用于存储、处理和监控数 据，实现远程管理和控制。
03
工业控制网络技术实现方式
现场总线技术
现场总线技术是工业控制网络 中的重要组成部分，它是一种 用于连接现场设备与控制系统
工业控制网络的通信协议
Modbus协议
一种串行通信协议，用于连接工业电子设备。
EtherNet/IP协议
一种工业以太网协议，支持实时数据传输和设备 管理。
ABCD
Profinet协议

工业自动化网络ppt

工业自动化网络ppt

一．网关连接
一．PCI连接
1 习题
一．什么是控制网络、现场总线、工业数据通信？ 2
二．控制系统对网络有哪些具体要求？ 三．控制网络与上层网络的连接方式分为哪几种？ 四．企业网络系统的层次结构按网络连接结构、功能结构可划分为哪几
层？
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的国际标准化小组 SC65C/WG6定义。
2
3
图1 工业控制网络示意图
MIS 网主机 1
MIS 网主机 2
企业MIS 网 工控机（监视）
HUB2
打印机
IBM 服务器
HUB1
还 是单 在 “元 S号 i n g l e报 - L 头 i n k ” 的 通 讯 系报 统 中文 ， 当 数 据帧 块检 长 度验 超和 过 规 定分 值隔 时 ，符 数 据
块 符
都 （
必C0 R须~）3划1 结分尾成，几而帧 个不检 帧是进验 块行结和 传束计 送符。算 （在*区 C这R种）情。况串下行，口起数始据帧帧和的中结 格间式束 帧如符 是下以：分
DCS
系
统
1.2.2 网络集成式控制系统的特点
Genius I/O：采用分段令牌总线结构，使用频移键控 调制信号，网段节点总数达32。
Interbus-S：电气规范遵循EIA-485标准，适用于单主 机系统，有远程总线与本地总线之分，远程节点总数达64。
Sensoplex：德国福特汽车公司开发，采用主从式总线 结构,使用频移键控调制信号，节点总数达64。
1.2.1 控制系统的新型结构
现场总线控制系统是继基地式气动仪表控制系 统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数 字控制系统、集散式控制系统之后的新型结构。

工业控制网络

工业控制网络

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27、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。

认识工业控制网络-PPT资料

认识工业控制网络-PPT资料

工业控制网络技术
认识工业控制网络
早期控制网络——集散控制
集散控制系统自问世以来， 发展异常迅速 ,几经更新 换代，技术性能日臻完善， 并以其技术先进、性能可 靠、构成灵活、操作简便 和价格合理的特点，赢得 了广大用户，巳被广泛应 用于石油、化工、电力、 冶金和轻工等工业领域。
工业控制网络技术
而采用一台计算机工作、另一 台计算机备用的双机双工系统， 或采用常规仪表备用方式，虽 可提高控制系统的可靠性，但 成本太高，如果工厂的生产规 模不大，则经济性更差，用户 难以接受。
认识工业控制网络
早期控制网络——集散控制
1） 集散控制系统产生的背景
20 世纪 60 年代初，人们开始将电子计算机用于过 程控制，试图利用计算机所具有的能执行复杂运算、 处理速度快、集中显示操作、易于通信、易于实现多 种控制算法、易于改变控制方案、控制精度高等特点， 来克服常规模拟仪表的局限性。
认识工业控制网络
1.1 工业自动控制系统历史
FCS特点： 1）FCS的信号传输实现了全数字化 2）FCS系统结构是全分散式 3）FCS的现场设备具有互操作性 4）FCS的技术和标准实现了全开放 5）FCS的环境适应性与总线供电
工业控制史
现场总线的国际标准一直未能统一，真正实现开 放性远未达到。
工业控制网络技术
认识工业控制网络
1.1 工业自动控制系统历史
集散控制系统目前被广泛的应用，取得了良 好的效果，但是它并未达到完美的程度。
从结构上看，在系统的一个局部，或者子系 统，基本上还是集中式控制，系统分散得不 够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从 根本上得到解决。
现场仍采用模拟信号，电缆较多，成本较高。
1.1 工业自动控制系统历史

现场总线及工业控制网络技术

现场总线及工业控制网络技术

4 PROFIBUS现场总线与应用
4.3.1 PROFIBUS 总线存取协议概述
4.3.2 PROFIBUS 总线访问协议的特
点
4.3.3 数据链路层服 务类型和报文格式
4.3 PROFIBUS数据链路 层
4 PROFIBUS 现场总线与应 用
4.4 PROFIBUS-DP通信原 理
4.4.1 PROFIBUSDP的基本功能
03
6.1.3 DeviceNet的 网络参考模型
06
6.1.6 预 定义主从
连接组
6 DeviceNet、 ControlNe t现场总线与 应用
6.1 DeviceNet现场总线技 术

6.1.7 DeviceNet 的对象模型
6.1.9 DeviceNet 的设备简介
6.1.8 DeviceNet 的设备描述
A
6.3.1 现场总线控 制系统的组态技术
6.3.2 现场总线控 制系统的冗余技术
B
6.3 现场总线控制系统的组态 与冗余技术
6 DeviceNet、 ControlNe t现场总线与 应用
6.4 DeviceNet与ControlNet 现场总线的应用实例

A
6.4.1 铜冶炼电解 工艺中的总线控制
A
1.1.2 现场总线控 制系统基本结构
B
1.1 现场总线与现场总线控制系统
1 现场总线概述
03
1.2.3 现场总线与
现场总线控制系统
的发展趋势
02
1.2.2 实时工业以
太网的国际标准
01
1.2.1 现场总线的
标准现状
1.2 现场总线的现状与发展
1 现场总线概述

第二章 工业控制网络技术基础-PPT精选文档111页

第二章 工业控制网络技术基础-PPT精选文档111页
– 逻辑结构的特点
• 中央节点的处理能力决定了网络的逻辑拓扑 –如为HUB ，网络的逻辑拓扑为总线型 –如为交换机，则网络的逻辑拓扑为星型
中央节点为HUB的Ethernet
HUB
逻辑上 等效于
站
8 1
RJ45
双绞线介质，收发各用一对线，平衡驱动
HUB 站点与HUB之间采用直连电缆
8
HUB接收每个站点信息并向其他站转发
• （2）基本组成
• LAN由五个基本部件构成
•
计算机（特别是PC）
•
传输介质
•
网络适配器（网卡）
•
网络连接设备
•
网络操作系统
2、局域网拓扑结构
• 计算机网络的组成元素可以分为两大类， 即网络节点和通信链路。网络中节点的互 连模式叫网络拓扑结构。
• 物理拓扑
– 指连接网络设备的物理线缆的铺设形式 – 拓扑结构通常是指物理拓扑结构
系统A
系统B
n层
实体A 实体B
n-1层
实体C
实体A 实体B
对等n层
实体C
对等n-1 层
服务、接口、协议
n层 n-1层
系统A
n协议 (n)PDU
系统B
实体
SAP 向上层提 供的服务
服务：下层实体通过层间接口为上层实体提供的通信功能 服务访问点： SAP (Service Access Point )
• 协议是提供服务的基础，是完成层功能的 基础
OSI参考模型（OSi/RM）
• OSI：Open System Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型
• OSI模型由ISO提出 • ISO：International Standard Organization • 制定OSI标准的目的：

工业控制网络技术基础


03 工业控制网络的架构与设 计
网络架构选择
星型结构
以中央控制器为核心，其他设 备与中央控制器直接相连，结 构简单，容易实现，但扩展性
差。
环型结构
设备互联构成闭环，数据传输 方向单一，可靠性较高，但扩 展困难，容易出现单点故障。
网状结构
设备之间有多条路径相连，数 据传输灵活，可实现路径优化 ，但配置复杂，成本较高。
树型结构
层次化设计，类似于组织结构 ，易于管理和维护，扩展性好
，适用于大规模网络。
网络拓扑结构
总线型拓扑
星型拓扑
所有设备连接在一条总线上， 结构简单，成本低，但可连 接设备数量有限，传输距离 受限。
以中央设备为核心，其他设 备与中央设备直接相连，易 于扩展和维护，但中央设备 负担较重。
环型拓扑
设备互联构成闭环，数据传 输方向单一，可靠性较高， 但扩展困难，容易出现单点 故障。
工业控制网络技术为智能制造提供了高效、可靠和实时的信息传输，使得生产过程中的各种 数据能够及时反馈给管理者和操作员，以便快速做出决策和调整。
智能制造中的工业控制网络技术还支持自动化生产线和智能设备的集成，提高了生产线的协 同作业能力，减少了人工干预，降低了生产成本。
工业自动化
工业控制网络技术使得自动化设备和系统能够相互连 接和协同工作，实现了对整个生产过程的精确控制和 优化。这有助于提高生产效率、减少能耗和降低生产 成本。
工业控制网络技术基础
目录
• 工业控制网络概述 • 工业控制网络的核心技术 • 工业控制网络的架构与设计 • 工业控制网络的应用场景 • 工业控制网络的未来发展
01 工业控制网络概述
定义与特点
定义
工业控制网络是一种专为工业自动化 应用设计的网络技术，用于连接各种 工业设备、传感器和执行器，实现实 时数据传输和控制。

工业控制网络


☞下图为一个DCS的典型体系结构。按照DCS各组成 部分的功能分布，所有设备分别处于四个不同的层 次，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、 过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的 四层局部网络分别是现场网络 (Field Network ， Fnet)、控制网络 (Control Network，Cnet)、监控网 络 (Supervision Network ， Snet) 和 管 理 网 络 (Management Network，Mnet)。
工业控制网络的特点分析 1.集散控制系统
A/D 转换
变送器
计 算 机
D/A 转换
/执行器 被
控
检测/执
对 象
行元件
计算机集中控制系统结构
工业控制网络的特点分析 1.集散控制系统
工作站
控制单元（控制） …
控制室 现场
集散控制系统结构
工业控制网络技术
集散控制系统
CRT 操作站
临控计算机
数据采集单元 （DAU）
• DCS自问世以来，发展异常 迅速，几经更新换代，技术 性能日臻完善，并以其技术 先进、性能可靠、构成灵活 、操作简便和价格合理的特 点，赢得了广大用户，已被 广泛应用于是有、化工、电 力、冶金和轻工等工业领域
集散控系统的体系结构
☞集散控制系统经过三十多年的发展，其结构不 断更新。随着 DCS 开放性的增强，其层次化 的体系结构特征更加显著，充分体现了DCS集 中管理、分散控制的设计思想。DCS是纵向分 层、横向分散的大型综合控制系统，它以多层 局部网络为依托，将分布在整个企业范围内的 各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实 现各部分的信息共享和协调工作，共同完成各 种控制、管理及决策任务。

《工业控制网络》课件


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
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收到 – 数据传输中需要指定源、目的地址 – 需要某种机制决定谁发送（令牌） – 需要对发送规则进行监控和管理（令牌管理） – 需对数据进行插入、接收、删除处理（避免循
环） – 数据在每个站点重新转发，信号强度大
环网转发器功能
• 对数据波形进行整形、放大 • 对途经的数据进行监听并沿环向下转发
（延时理想值为1位） • 对出环或故障的站点进行旁路，维持环的
• （1）主要特点： • 1）一般特点： • ①较小的物理范围 • ②以微机为主要联网对象 • ③通常属于某个部门和单位 • ④价格低廉 • 2）技术特点： • ①具有更高的传输速率（10－1000Mbit/s） • ②通常多个站共享一个传输介质 • ③误码率低 • ④具有较低的时延 • ⑤具有高可靠性和安全性、易于扩缩和管理
第二章 工业控制网络技术基础
2.1 局域网技术
• 1、局域网概述 • 定义：局域网（LAN）通常被认为是由一组在物
理地址上彼此相隔不远的计算机及其设备按照一 定的连接方式组织起来的、以实现用户间相互通 信和共享诸如打印机和存储设备等资源的网络系 统。 • 主要用途： • 1）共享功能 共享的内容软硬件都可包括 • 2）客户/服务器计算模式 • 3）局域通信功能 • 4）为接入Internet等广域网做准备
（2）环形拓扑结构
• 由连接成封闭回路的网络节点组成，每一节点与 它左右相邻的节点相连接并最终形成一个“环状” 结构。
• 连接特点：
– 通过转发器与单向链路连成环状 – 各站点通过转发器接入环中
• 逻辑拓扑：环形
转发 器
环形拓扑
• 通信特点：
– 数据单向传输，同时只能有一个站点发送 – 广播通信方式，数据绕环一周，所有站点都能
• 实体与对等实体
– 实体：每一层活跃的元素
• 可收发信息的东西（硬、软件均可，如网卡、应用程序等） • 是实现层功能的主体 • 每一个层可有多个实体
正常工作
1位延迟
监听/接收
发送
旁路
环网的数据传输
• 准备工作
转发
– 数据成帧
器
– 得到令牌（发送权）
• 传输过程
环形拓扑
– 帧途经的转发器判别地址
• 若地址相符：将数据传向所连站点，同时修改有关位（接收信 号），并向下转发；
• 若地址不符：则只将数据向下转发
– 发送站边发边监听上行链路数据
• 数据帧绕环一周回到本地：站点吸收本数据帧，同时产生新令 牌
– 需要指明由谁发送（源
点发送 – 一个站点连续发送时间过长，其他站点将不能发送
（公平性？） – 站点只能采用半双工方式
• 全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也 能够接收数据，两者同步进行。这好像我们平时 打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。 目前的网卡一般都支持全双工。 半双工（Half Duplex），所谓半双工就是指一个 时间段内只有一个动作发生。举个简单例子，一 条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当目前 有两辆车对开，这种情况下就只能一辆先过，等 到头后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半 双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等 设备都是基于半双工的产品。随着技术的不断进 步，半双工会逐渐退出历史舞台。 单工通信是指通信线路上的数据按单一方向传送。
（3）总线型拓扑结构
• 一种使用同一介质或电缆连接所有端用户 的方式，即连接端用户的物理介质由所有 设备共享。
数据流
总线拓扑
逻辑拓扑 总线型
总线型拓扑结构特点
• 连接特点：所有站点通过搭接头直接与总线相连 • 逻辑拓扑：总线型 • 通信面临的问题：
– 任一站点发送，其他所有站点都能收到；数据传输无 方向性
总线型结构的数据传输
站点C发数据给站点A接收
A站 B站
C站
传输准备
✓ 站点C将数据组成 帧格式， 头部含源 （C）、宿地址（A）
✓ 站点C传输之前需 先竞争到信道
传输过程
C将帧发出
传到B站，地 址不符丢弃
传到A站，地 址相符接收
2.2 局域网协议
• 分层结构的相关术语、概念
• 层与对等层
– 层：一种逻辑划分，功能被明确定义 – 对等层：也叫同层，指互连系统中相同的层
• 逻辑拓扑
– 数据流在物理线缆中传输的形式
• 物理拓扑可能与逻辑拓扑形状不同
• 局域网常见的拓扑结构
– 总线、树形、环形、星形
• （1）星形拓扑结构
• 所有的计算机连到一个中心节点上，中心节点的 设备通常由主机或集线器担当。
中央 节点
• 星形拓扑的特点
– 物理结构的特点
• 所有站点直接与中央节点相连 • 各站点之间无直接连线 • 站点之间通信必须通过中央节点转发
• （2）基本组成
• LAN由五个基本部件构成
•
计算机（特别是PC）
•
传输介质
•
网络适配器（网卡）
•
网络连接设备
•
网络操作系统
2、局域网拓扑结构
• 计算机网络的组成元素可以分为两大类， 即网络节点和通信链路。网络中节点的互 连模式叫网络拓扑结构。
• 物理拓扑
– 指连接网络设备的物理线缆的铺设形式 – 拓扑结构通常是指物理拓扑结构
– 逻辑结构的特点
• 中央节点的处理能力决定了网络的逻辑拓扑 – 如为HUB ，网络的逻辑拓扑为总线型 – 如为交换机，则网络的逻辑拓扑为星型
中央节点为HUB的Ethernet
HUB
逻辑上 等效于
站
8 1
RJ45
❖ 双绞线介质，收发各用一对线，平衡驱动
HUB ❖ 站点与HUB之间采用直连电缆
8
❖ HUB接收每个站点信息并向其他站转发
1
1、2 发送 3、6接收
❖ 数据充满整个网络，仍为逻辑上的总线
RJ45 ❖ 数据通信具有总线型网络的特点
（冲突、竞争信道，收、发规则， 共享总线速率等）
• 优点：
• 查找故障方便，便于维护和管理 • 个别站点的故障对网络无影响 • 站点进出很自由 • 介质访问方法简单
• 缺点：
• 对中央节点的可靠性和冗余度要求很高
• 当令牌在环中传输时：便开始新一轮的传输
• 优点：
• 高速运行 • 避免碰撞，结构简单
• 潜在问题：
• 任一转发器或任一段链路故障都将导致网络瘫痪 • 故障查找困难，需要漫游整个网络才能定位故障点 • 新增站点困难，需要新增转发器可能还要重新拉线 • 可靠性要求和转发器的积累时延限制了环的规模 • 需要站点兼任监控站监测环的状态