工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用

（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線）主講：莫太平mtp@前置課程：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等

教材:許勇-工業(yè)通信技術(shù)-原理與應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2012參考教材:許勇-工業(yè)通信技術(shù)-原理與應(yīng)用，中國電力出版社，2008.9參考教材：陽憲惠-網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)-現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，清華大學(xué)出版社，2009.5Email:

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教材及參考資料主要教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配第1章工業(yè)通信概論第2章數(shù)據(jù)通信原理及基礎(chǔ)第3章總線接口技術(shù)介紹第4章工控機(jī)與測(cè)控儀器接口總線第5章工業(yè)通信常用技術(shù)第6章常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線第7章CANBus和汽車網(wǎng)絡(luò)第8章工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用客觀事物的特征通過一定物質(zhì)載體形式的反映請(qǐng)大家列舉一些工作生活關(guān)于信息的例子什么是信息？消息信息是有價(jià)值的，消息卻不一定有價(jià)值信息需要捕捉，需要挖掘，需要經(jīng)營信息信息和消息信息可以度量信息的量化信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量。消息中信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)。P(x)越小，I越大；P(x)→1，I→0。香農(nóng)提出計(jì)算公司（等概率情況）a=2，比特（bit）a=10，哈特萊a=e，奈特（nat）如開關(guān)電路有開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)：What？（什么是工業(yè)數(shù)據(jù)通信）通訊是信息的交換。隨著工業(yè)系統(tǒng)走向分布化和網(wǎng)絡(luò)化，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的核心內(nèi)容之一。工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)和生產(chǎn)控制單元之間，控制器與各種生產(chǎn)設(shè)備之間的信息流通道成為工業(yè)企業(yè)的命脈。對(duì)通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦斫庖彩俏覀儗W(xué)習(xí)理解生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)一部分。工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)：在生產(chǎn)設(shè)備之間傳遞數(shù)字信息,工業(yè)數(shù)據(jù)通信是形成控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和支撐條件，是控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成部分。也是工業(yè)控制內(nèi)的局域網(wǎng)，是生產(chǎn)企業(yè)的底層網(wǎng)絡(luò)。第1章

工業(yè)通信概述生產(chǎn)控制系統(tǒng)要素：（1）認(rèn)識(shí)需要控制的對(duì)象（過程），即“讀”（2）對(duì)對(duì)象施加作用，“寫”，和（3）決定施加作用的方式、時(shí)間和內(nèi)容。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，即“算”；（4）隨著控制系統(tǒng)的分布化，控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸也成為要素，即通訊。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是一個(gè)人們?cè)O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，在人和控制對(duì)象間的完成“讀”“算”“寫”和通訊任務(wù)的代理系統(tǒng)（agent）。系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制命令第1章

工業(yè)通信概述幾個(gè)術(shù)語：（1）實(shí)時(shí)：所謂“實(shí)時(shí)”，是指對(duì)輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理。“硬實(shí)時(shí)(hardreal-time)”和“軟實(shí)時(shí)(softreal-time)”

。在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，要求任務(wù)響應(yīng)要實(shí)時(shí)，而且要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成事件的處理。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)僅要求事件響應(yīng)是實(shí)時(shí)的，并不限定任務(wù)必須在多長時(shí)間內(nèi)完成。工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求依賴于特定的應(yīng)用。比如：化工熱化控制須有秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間；過程控制和監(jiān)控系統(tǒng)需要100ms的響應(yīng)時(shí)間；基于可編程控制器PLC（ProgrammableLogicController）的機(jī)械控制系統(tǒng)需要10ms的響應(yīng)時(shí)間；多軸協(xié)同動(dòng)態(tài)高速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求在1ms以內(nèi)。第1章

工業(yè)通信概述（2）“在線”方式和“離線”方式：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。工業(yè)控制信號(hào)有周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、非周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須嚴(yán)格在規(guī)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，否則將導(dǎo)致設(shè)備誤操作，甚至整個(gè)控制系統(tǒng)崩潰。軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是的傳輸延時(shí)雖然不會(huì)造成災(zāi)難性的損失，但同樣威脅系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。第1章

工業(yè)通信概述工業(yè)通信應(yīng)該滿足的要求1）可靠性高：平均無故障工作時(shí)間MTBF（MeanTimeBetweenFailure)可達(dá)到幾萬小時(shí)，盡量縮短故障修復(fù)時(shí)間MTTR（MeanTimeToRepair)；2）實(shí)時(shí)性好：系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)控制對(duì)象各種參數(shù)的變化；3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴(yán)重。因此要求工控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；防塵、防腐蝕、防振動(dòng)沖擊；具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力；4）輸入輸出配套較好：具有豐富的多種功能的過程輸入和輸出手段：模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻率量等。有多種類型的信號(hào)調(diào)理功能，如隔離型和非隔離型信號(hào)調(diào)理；各類熱電偶，熱電阻信號(hào)輸入調(diào)理；電壓／電流信號(hào)輸入和輸出信號(hào)的調(diào)理等；第1章

工業(yè)通信概述5）系統(tǒng)擴(kuò)充性好：隨著工廠自動(dòng)化水平的提高，控制規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，因此工控系統(tǒng)要有靈活的擴(kuò)充性；6）系統(tǒng)開放性：要求工控系統(tǒng)在主系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件兼容及升級(jí)等方面，以便于擴(kuò)充、連接；7）控制軟件包功能強(qiáng)；8）系統(tǒng)通信功能強(qiáng)：具有串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能；9）后備措施齊全：包括供電后備、存儲(chǔ)器信息保護(hù)、手動(dòng)／自動(dòng)操作切換、緊急事故處理裝置等；10）具有冗余性：在可靠性要求更高的場(chǎng)合，要求有雙機(jī)工作及冗余系統(tǒng)，包括雙控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信、雙供電系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機(jī)切換功能、雙機(jī)監(jiān)視軟件等，以確保系統(tǒng)長期不間斷地運(yùn)行。第1章

工業(yè)通信概述早期發(fā)展歷史早期工業(yè)通信通過連線在測(cè)控設(shè)備之間傳遞信息，傳感器、按鈕、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等連接z控制器上。最早的測(cè)控設(shè)備主要是氣動(dòng)、電動(dòng)單元組合式儀表和集中控制室，全模擬式儀表將傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大后，經(jīng)過V/I電路轉(zhuǎn)換，輸出4~20mA或0~5V的模擬信號(hào)。19世紀(jì)中已經(jīng)出現(xiàn)了基于5－13psi氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)PCS（PneumaticControlSystem）20世紀(jì)50年代，基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號(hào)得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來；

70年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。信號(hào)傳輸系統(tǒng)大部分依然沿用4－20mA的模擬信號(hào)，集中控制系統(tǒng)發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）。數(shù)字傳輸信號(hào)逐步取代模擬傳輸信號(hào)，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)。工業(yè)通信系統(tǒng)的發(fā)展2.工業(yè)數(shù)據(jù)通信工業(yè)數(shù)據(jù)通信就是在設(shè)備功能單元間、設(shè)備間遵照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)信息的過程。1983年，Honeywell推出了智能化儀表（Smar變送器），帶芯片，增加了計(jì)算功能；還在4～20mA直流信號(hào)上迭加了數(shù)字信號(hào)，由模擬信號(hào)過渡到數(shù)字信號(hào)。在智能儀表，過程變量經(jīng)調(diào)理放大、A/D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過微處理器的運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚砗螅偻ㄟ^D/A、V/I等電路，仍然以4～20mA或0～5V的模擬信號(hào)輸出。由于采用從模擬信號(hào)中的過濾技術(shù)，數(shù)字信號(hào)并不會(huì)影響模擬量信號(hào)的讀數(shù)。這就是HART協(xié)議能夠傳送數(shù)字信息的基礎(chǔ)。智能儀表模擬信號(hào)傳輸精度和可靠性都不高。于是人們開始以數(shù)字通信的方式代替模擬信號(hào)傳輸（如：232）。由于對(duì)于數(shù)