1、第 1章 工业数据通信和控制网络技术基础 1.1 工业数据通信和控制网络技术概述1.2 工业数据通信和控制网络连接及传输介质1.3 网络互连参考模型和规范 1.1.1 工业自动化技术及发展趋势1.1.2 控制系统体系结构的演变1.1.3 工业数据通信与控制网络1.1 工业数据通信和控制网络技术概述 工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。1.1 工业数据通信和控制网络技术概述企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求。工业数据通信与控制网络技术正是在这种形势下逐渐发展形成的。随着自动控制
2、、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从原料采购、生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。1.1.1 工业自动化技术及发展趋势工业控制自动化技术是工业自动化的核心，它是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为 20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要
3、解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。在传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被 PLC和 DCS所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由价格昂贵的过程计算机或小型机组成。然而，自 20世纪 90年代以来，由于 PC-based的工业计算机（简称工业 PC）的发展，以工业 PC、 I/O装置、监控装置、控制网络组成的 PC-based的自动化系统得到了迅速普及
4、，成为实现低成本工业自动化的重要途径。 工业 PC是基于商用微型计算机或个人电脑，并采用了总线式结构、工业标准机箱和工业级元器件等诸多满足工业控制需求的实用技术。以工业 PC为基础的低成本工业控制自动化系统的特点是： 开放的结构，用户可以选择来自1、 以工业 PC为基础的低成本工业控制自动化已成为主流不同厂商的不同产品，为应用提供更大的系统柔性，便于系统集成； PC工控机的软硬件丰富，用户可以得到更高性价比的产品；提供有力、柔性的联网能力，可以使用标准TCP/IP以太网和网卡；能运行复杂任务（如趋势分析），并且可基于多种平台运行，如 windows NT、 windows CE和Linux等。
5、目前，我国的许多大企业已拆除了原来 DCS或单回路数字式调节器，而改用工业 PC来组成控制系统，并采用模糊控制算法，获得了良好效果。2、 PLC（可编程序控制器）得到了广泛的应用PLC是由器逻辑控制系统发展而来的，初期主要代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面，后来，随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展， PLC在技术上和功能上发生了极大的变化。 在逻辑运算的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能； 增加了模拟量和 PID调节等功能模块，实现了顺序控制和过程控制的结合；运算速度得到提高，新型 PLC的 CPU在能力已经赶上了工业控制机；开发了具有智能 I/O模块
6、；通信功能实现了 PLC之间、 PLC与上位机之间以及 PLC与其他智能设备间的通信，由此发展了多种局部总线和网络，也可构成集散控制系统。 PLC这些性能特点使其在工业控制自动化领域中得到了广泛的应用。现代 PLC的发展有两个重要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面： （ 1）大型网络化。主要是朝 DCS方向发展，使其具有 DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是 PLC发展的一个重要方面，向下可将多个 PLC、 I/O框架相连；向上可与工业计算机、以太网等相连构成整个工厂的自动化
7、控制系统。（ 2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使 PLC控制领域更加宽广。（ 3）高可靠性。由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。在操作运行过程中，有些 PLC的模板还可热插拔。3、面向测控管一体化设计的集散控制系统集散控制系统，也称为分布式控制系统或分散式控制系统（ DCS），它采用了标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控
8、制管理级和生产管理级组成，以通信网络为纽带，对数据进行集中显示，而操作管理和控制相对分散，是一种配置灵活、组态方便、具有高可靠性的控制系统，其特点可总结为：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。 DCS正朝着综合性、开放性发展。工厂自动化要求加强各种设备（计算机、 DCS、单回路调节器、 PLC等）之间的通信能力以便构成大系统。开放性的结构将方便地与管理的上位计算机进行数据交换，实现计算机集成制造系统。同时在大型 DCS进一步完善和提高的同时，发展小型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器
9、、智能 PID、自整定控制、智能人机接口，以至于智能 DCS。总的发展趋势可体现在以下几个方面：（ 1）各制造厂商都 “开放性 ”上下功夫，力求使自已的 DCS与其他厂商的产品很容易地联网； （ 2）大力发展和完善 DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产品；（ 3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；（ 4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；（ 5）在系统规模的结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求；（ 6）发展以先进网络通信技术为基础的 DCS控制结构，向低成本综合化自动化系统的方向发展。4、 大力发展和采用现场总线技术现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型自动化控制系统。
