工业控制网络综述

中 国 矿 业 大 学

士研究生课程考试试卷

考试科目 工业控制网络

考试时间 2014年5月8日

学生姓名

学 号 TS13060158

所在院系 信息与电气工程学院

任课教师

中国矿业大学研究生院培养管理处印制

工业控制网络的研究现状和发展趋势

目 录

第一章 前言.................................................................................................................. 1

第二章 工业控制系统回顾.......................................................................................... 2

2.1 直接数字控制系统（DDC ） ........................................................................ 2

2.2 计算机集中控制系统（CCS ） ..................................................................... 3

2.3 分散型控制系统（DCS ） . ............................................................................ 4

第三章 现代工业控制系统.......................................................................................... 7

3.1 现场总线技术................................................................................................. 7

3.2 工业以太网控制网络..................................................................................... 9

3.3 无线工业控制网络....................................................................................... 11

第四章 工业控制网络发展趋势................................................................................ 15

第五章 结论................................................................................................................ 16

第一章 前言

现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术。随着信息技术的飞速发展和工业自动化要求的不断提高，控制网络所担负的工作越来越重。与数据信息网络不同，工业控制领域需要的是—种高速廉价、实时性和开放性好、可靠性高的网络。

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制网络领域正经历着一场前所未有的变革，传统的工业控制系统逐渐向网络化控制系统发展。控制系统的结构由最初的仪表控制系统、DDC （直接数字控制系统）、CCS （计算机集中控制系统），发展到DCS （分散控制系统），最后发展到现在流行的FCS （现场总线控制系统），而新一代的更高带宽的工业以太网控制系统和无线工业控制网络又将给工控领域带来新的血液，工业控制网络更加多样化。

第二章 工业控制系统回顾

2.1 直接数字控制系统（DDC ）

直接数字控制系统用于代替所有用于过程控制的模拟仪表，通过计算机直接参与控制，以数字的方式实现一些常规控制，但难以实现复杂的控制策略，风险过于集中。

直接数字控制系统控制过程如图2.1所示。

图2.1 直接数字控制系统控制流程

DDC 直接数字控制系统虽可以用于比较复杂的系统控制，但是系统结构仍比较简单，直接数字控制系统目前主要在空调系统领域得到广泛应用。

温湿度传感器

压差传感器

电动调节阀

电动风扇

送风机

冷冻机组

电动调节阀

温湿度传感器

水泵蝶阀

冷冻机组

电动调节阀

温湿度传感器

水泵蝶阀

扩展模块

图2.2 一种典型的中央空调网络控制系统

图2.2是一种典型的中央空调网络控制器，参数的控制包括：温度、湿度、空气及水压力、空气或水流量、风速、CO2浓度，同时包括新风补偿，焓值控制、最佳工况转换等节能控制算法，同时也可以接受远程信号设定温湿度。

2.2 计算机集中控制系统（CCS ）

集中控制系统直接面向对象进行控制，能够使用更为先进的控制技术，例如复杂控制算法和协调控制。

集中式控制系统将过程数据输入输出、数据库的管理、数据的处理与保存、人机界面、报警与日志记录、报表及系统本身的监督管理等所有功能集中在一台计算机，虽然结构简单、易于管理，但是系统庞大、可扩展性差、并未形成控制网络体系。集中控制系统的可靠性很低，整个系统只有一个CPU 在工作，实时性很差，危险高度集中。系统结构如图2.3所示。

图2.3 集中控制系统结构

计算机集中控制系统在早期的工控网络中得到了广泛的应用，例如在一种典型的锅炉供暖系统中，主要由工控机（集控中央计算机）、前端控制器（RTU ）、电动执行机构、数据传输单元组成，该系统将锅炉和循环泵的运行压力、进出口压力、供回水温度和流量等数据采集、控制、通讯、系统管理和数据存储等，整合在一个操作平台上，实时控制性好，运行效率高。图2.4显示了该典型系统的框图。

123

锅炉1锅炉2锅炉3

图2.4集中控制在锅炉供暖系统中的应用

2.3 分散型控制系统（DCS ）

生产过程的大规化、复杂化，需要处理能力、容错能力、自检能力大幅提高的计算机控制系统，而传统的集中控制系统已不能满足这些要求，分散型控制系统应运而生。

分散型控制系统（DCS ）是计算机(Computer)、通信(Communication)、CRT 显示、控制(Control)技术发展的产物。它解决了原有集中控制系统(CCS)危险集中和常规仪表控制系统功能单一的局限性。控制分散、风险分散、操作和管理集中是它的主要特点。

分散型控制系统有环形、总线型和分级式几种，其中分级式最为普遍，典型的DCS 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表级。这种控制系统的特点是集中管理，分散控制，其基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。

图2.3显示了分散型控制系统的典型结构。

人机界面

实时数据

历史数据

日志记录

系统管理

数据总线

图2.3 分散型控制系统结构

由于DCS 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，因此系统中每台计算机的可靠性也得到提高。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到最低，极大地提高了整个系统的可靠性。

DCS 系统在工控领域得到了很广泛的应用，例如某地蒸汽发电厂的监测和控制系统就是一种使用DCS 系统的通信网络。

在该发电厂的实际应用中，DCS 系统使用模块化的以太网交换机，所有的控制数据通过以太网交换机进行复制从而形成两套独立的通信网络，每个控制器都具有四个以太网端口，它们成对连接到两个独立的骨干网形成双冗余，这些措施使得使得控制网络的可靠性大幅提高。图2.4是该发电厂DCS 控制系统的应用结构。

控制柜

图2.4发电厂DCS 控制系统

该蒸汽发电厂的DCS 系统的主要作用是过程控制以及分析数据从而优化制造过程，它采用三级DCS 结构：

（1）控制器收集输出量和环境参数，如温度、压力以及输入输出状态；

（2）冗余历史服务器自动轮询，分析和保存从控制器收集到的数据，从而对制造过程进行优化；

（3）在现场的工作人员可以访问冗余历史服务器查找设置参数，然后手动进行调整。

第三章 现代工业控制系统

3.1 现场总线技术

DCS 系统成本较高、编程复杂，系统的开放性不足，为了克服DCS 系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术得到了提出与发展，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络。

现场总线对标准的网络协议作了简化，省略了一些中间层，只包括ISO/OSI7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层，如图3.1所示。

工作站

控制站1

控制站2控制站3控制站4

图3.1 现场总线控制网络结构

现场总线广泛应用于连接现场设备，如控制器、传感器与执行器等，采用全数字通信，替代了传统的4-20mA 模拟信号及普通开关量信号，结构简单，节约线缆。与传统DCS 相比，由于各个控制器和传感器都是挂载在总线上的，所以安装成本大大降低。同时，现场总线实现了信息处理的现场化，在传输控制信息的同时，可从现场获取更多诊断、维护等非控制信息。

世界上存在着大约四十余种现场总线，其中Bosch 公司的CAN 总线应用较广泛，CAN 是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

基于CAN 总线的汽车车身控制已经有了广泛的应用，如图3.2所示。

图3.2 现代车身控制系统

如图3.3所示的是奥迪公司使用的一种使用CAN 总线和LIN 总线的汽车控制系统网络。

图3.3 汽车控制系统网络

CAN 总线应用的同时，应用于不需要CAN 总线的性能、带宽及复杂性的低端系统，如车门控制模块、座椅调节、车灯控制和空调系统中传感器和执行器之间的通信的成本较低的LIN 总线也得到了运用。

在该汽车控制系统中，通过CAN 总线控制的单元主要包括发动机控制单元、变速箱控制单元、舒适度控制单元、多媒体娱乐系统和系统诊断等。通过LIN 总线控制的单元包括方向盘、雨刮器和报警单元。 3.2 工业以太网控制网络

随着应用需求的提高，现场总线的高成本、低速率、难于选择以及难于互连、互通、互操作等问题逐渐显露。工业控制网络发展的基本趋势是逐渐趋向于开放性以及透明的通讯协议，现场总线出现的问题的根本原因在于总线的开放性是有条件且不彻底的。同时，以太网具有传输速度高、易于安装和兼容性好等优势，将以太网应用于工业控制领域，构成工业以太网，已成为目前研究的热点。

典型的工业以太网结构如图3.4所示，该系统由现场设备层、控制层以及管理层构成。各层都有其本质需要和不同类型的信息交换，网络大小、支持设备数量、网络速度、反馈时间和负载大小等方面的不同导致各层所采用的网络技术也不同。

管理站

监控站

现场设备

现场设备现场设备现场设备

图3.4 典型工业以太网基本结构

图3.5显示了一个思科公司推荐的工业网络的结构，该系统由后台大型机及服务器、办公应用、数据服务器、存储服务器、人机界面、可编程控制柜及生产间的生产机器人组成。

这种典型的网络结构可以保持网络的实时性能，该系统容纳了数据收集、系统配置、系统诊断、网络安全、时钟同步、驱动控制及语音视频等多种控制与监控信息。

图3.5 工业以太网控制系统

工业以太网在煤矿工业中也得到了广泛的应用，采用标准的TCP/IP协议和工业以太网络技术，将地面和井下设备检测信息和控制信息实时传送到中央控制室，令使用者及时了解地面和井下的工作和生产情况，快速发出应对突发事件的决策指令，实现统一指挥和管理。

图3.6所示的是一种煤矿工业以太环网控制系统结构图，该系统包含了两台核心交换机，分别与地面以太环网和井下以太环网连接，形成了一定的安全冗余，地面以太环网与变电所、风机房、抽放站、洗煤厂、灯房连接，井下以太环网与水泵房、变电所、人员定位系统、皮带检测系统相连。

数据库主

数据库备

OA 服务器

WEB 服务器主机备机

子系统风机监测

IC 卡发放系统

电力监测系统

瓦斯抽放系统

皮带监测系统水泵房监测系统安全监控系统人员定位系统

图3.6一种煤矿工业以太环网控制系统结构图

该井下工业控制网络使用环网技术，从而在任一链路或节点发生故障时，能保证链路或节点可以倒换，不影响数据的传输，同时，其中一台交换机可以作为冗余管理器管理冗余网，在正常情况，冗余管理器的其中一个冗余环口处于断开状态，整个网络是一个线性结构。当网络上连接断开或交换机故障时，它会通过一个代替路径恢复另外一种线型结构，当问题解决之后，恢复原有的线型结构。

该井下工业控制网络使用了虚拟局域网划分技术，有着较高的局域网安全性，VLAN 之间相互隔离，有效降低了广播风暴对整个局域网带来的影响。 3.3 无线工业控制网络

目前，无线通信技术逐渐进入工业控制网络领域，无线工业控制网络具有较低的安装复杂度以及减少线缆等优点，配置灵活，使用方便，无线技术使工业测量与控制系统具有成本低，易于使用和维护，并具有更为广阔的应用前景。无线传感器网络易于拓展升级，能够有效减少二次投资，提高经济效益。因此，无线传感器网络在工业控制领域具有广阔的发展前景。

现今工业控制领域使用的无线传感器网络节点，有一半是基于IEEE802.15.4，主要有：ZigBee ，WirelessHART 和ISA100系列标准，以及中国自主制定的WIA-PA 标准，WIA-PA 的网络拓扑结构见图3.7。

网络管理员

安全管理员

主控计算机

图3.7 WIA-PA的网络拓扑结构

WIA-PA 为两层拓扑结构，其下层为星型结构，由簇首和簇成员构成；上层为网状结构，由网关和各簇首(兼作路由设备) 构成，具有自适应跳频功能，以及两级聚合功能，用以解决工业生产过程中产生的一些特殊问题。

WIA-PA 是一种经过实际应用验证的、适合于复杂工业环境应用的无线通信网络协议。它在时间上(时分多址TDMA) 、频率上(FHSS跳频机制) 和空间上(基于网状及星型混合网络拓扑形成的可靠路径传输) 的综合灵活性，使这个相对简单的协议具有嵌人式的自组织和自愈能力，大大降低了安装的复杂性，确保了无线网络具有长期而且可预期的性能。

煤矿是中国最重要的产业之一，矿工的生命安全成为人们首先要考虑的问题，那么矿工定位与跟踪就显得十分必要，目前市面上有着众多井下人员定位系统，图3.8所示的是一种典型的煤矿安全监控的无线传感网络。

图3.8 煤矿安全监控无线传感器网络

该系统拥有三层无线传感网络。

(1)第一层在地面上由以太网构成，来自井下的监控数据传送到监控中心，监控数据也可以通过互联网访问。

(2)第二层由无线站和转发站组成，无线站获得的数据将被传输到转发站，然后由主缆传送至地面主站。

(3)第三层是感知层，由矿工携带的便携式无线传感节点组成，无线传感网络将矿工的位置和环境信息实时上传。

无线传感网络在电力系统中也得到了应用，主要应用在电力系统的自动抄表系统中，采用无线传感网络实现“最后一公里”自动抄表是一个非常理想的解决方案。基于无线传感网络的自动抄表系统结构如图3.9所示。

供电所远程通信前置机

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图3.9 无线传感网络自动抄表售电系统结构图

将分布较为集中的电力用户按地理区域分区，并且在用户电子式电能表上安装无线传感模块，使每个分区的电能表组成一个无线传感网络。

电能表的电量信息及电费、费率、费率时段等信息通过成熟的GPRS/CDMA等方式上传到主站电量管理系统。手持式售电终端、供电所台式售电终端和银行的售电系统，经通讯网络连接到主站电量管理系统的数据库服务器，进行远程售电。

第四章 工业控制网络发展趋势

工业控制网络的发展历经了从传统控制网络到现场总线，再到目前广泛研究的工业以太网以及无线网络的过程。工业控制网络主要的发展趋势主要包括：通信协议的标准化、无线控制网络、更高的实时性、更高的可靠性、多总线集成以及实时异构网络。

以太网的广泛使用为工业控制的发展提供了良好的基础结构，但它还难以完全取代现场总线，已有的现场总线仍将继续存在，并且在未来相当长的时间内这种局面还将继续，不同厂家设备之间的互联性，需要基于制定能被普遍接受的无线通信协议。

无线通信进入工业控制领域的趋势无可置疑，但目前尚处于发展的早期阶段，无线局域网今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、漫游等问题上，无线通信将会和现场总线技术更加紧密结合。

工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展。多总线集成协同完成工业控制任务，有线与无线网络相互融合的工业控制网络，是未来发展的趋势。

第五章 结论

网络技术作为信息技术的代表，其与工业控制系统的结合将极大地提高控制系统的水平，优化现有的工业控制系统结构，从而适应现代化生产、管理的需要。

近年来，以太网、互联网等网络架构已越来越广泛地应用于自动化工业领域，取代传统的串口通信将成为自动化系统通信的主流。而无线局域网技术在工业控制中的应用，主要包括数据采集、视频监控等，帮助用户实现了移动设备与固定网络的通信或移动设备之间的通信，它适用于各种工业环境，即使在极恶劣的情况下也能够保证网络的可靠性和安全性。

将现场总线、以太网、多种工业控制网络和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性，这种多样性的控制网络有着更好的适用性，将会是今后工业控制网络的主流。