《工业控制网络与人机界面组态技术》岩淑霞主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《工业控制网络与人机界面组态技术》

【作　者】岩淑霞主编

【页 数】 207

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2019.04

【ISBN号】978-7-5682-6798-4

【价 格】40.00

【分 类】工业控制计算机－计算机网络；人机界面－程序设计

【参考文献】 岩淑霞主编. 工业控制网络与人机界面组态技术. 北京：北京理工大学出版社, 2019.04.

图书封面：

图书目录：

《工业控制网络与人机界面组态技术》内容提要：

本书主要内容分为三大模块。模块一主要介绍了工业控制网络的发展历史、工业以太网概述、现场总线和OSI和TCPIP的参考模型。数据通信基础知识主要包括数据通信系统组成；数据编码基础知识；传输差错及其检测方法；工业控制网络的节点；常用传输介质；网络拓扑结构以及网络传输介质的访问控制方式。模块二主要介绍了西门子人机界面组态软件WinCCFlexible的应用方法，并配套有大量的单项技能训练和综合技能训练内容。模块三主要介绍了简单工业控制网络构建的方法，主要起到抛砖引玉的作用，适合高职院校实验室实验之用。

《工业控制网络与人机界面组态技术》内容试读

模块一通信基础知识

工业控制网络概述

随着计算机网技术的发展，互联网正在把全世界的计算机系统和通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路和共用数据网络。随着计算机网络向工厂的不断渗透，传统的工业控制领域也正经历着一场前所未有的变革，开始向着数字化网络的方向发展，形成了新的工业控制网络。工业控制系统的结构从最初的集中控制系统(Central Control System,CCS)发展到第二代集散控制系统(Distributed Control System,DCS),再发展到现在流行的现场总线控制系统(Fieldbus Control System,FCS),而新一代的工业以太网控制系统又将引起工业控制领域的新的变革。

1.1工业控制系统的发展历史

1.1.1模拟仪表控制系统

随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5~l3psi的气动控制系统(Pneumatic Control System,PCS),标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，基于0~5V或4~20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，这标志着电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了集中控制的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分依然沿用4~20mA的模拟信号，不久人们发现集中控制系统存

在着易失控和可靠性低的缺点，并很快将其发展为DCS；微处理器的普遍应用和计算机可靠

性的提高，使DCS得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的

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工业控制网络与人机界面组态技术

分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息的采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信，可以实现设备间的控制功能，在精度、可操作性可靠性和可维护性等方面也有了更高的要求，最终促使了现场总线的产生。

1.1.2直接数字控制

直接数字控制(Direct Digital Control,DDC)。系统的组成通常包括中央控制设备（集

中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通信接口等)，现场DDC控制器，

通信网络，以及相应的传感器、执行器和调节阀等元器件。它代替了传统控制组件（如温

度开关、接收控制器或其他电子机械组件等)，且性能优于PLC,成为各种建筑环境控制的

通用模式。DDC系统利用微信号处理器来执行各种逻辑控制功能，它主要采用电子驱动，

也可用传感器连接气动机构。DDC系统的最大特点是从参数的采集、传输到控制等各个环

节均采用数字控制功能来实现。一个数字控制器可实现多个常规仪表控制器的功能，可有多个不同对象的控制环路。

所有的控制逻辑均由微处理器执行，并以各控制器为基础完成控制功能。这些控制器接收传感器常用触点或其他仪器传送来的输入信号，并根据软件程序处理这些信号，再输出信号到外部设备。这些信号可用于启动或关闭机器，打开或关闭阀门或风门，或按程序执行复杂的动作。这些控制器可实现用户用手操作中央机器系统或终端系统的目的。

DDC控制器是整个DDC系统的核心，是DDC系统实现控制功能的关键部件。它的工作

过程是通过模拟量输入通道(AI)和数字量输入通道(DI)采集实时数据，并将模拟信号

转变成计算机可接受的数字信号(A/D转换)，然后按照一定的控制规律进行运算，最后发

出控制信号，并将数字信号转变成模拟信号(D/A转换)，通过模拟量输出通道(A0)和

数字量输出通道(D0)直接控制设备的运行。

1.1.3集散控制系统

DCS是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合

协调的设计原则的新一代仪表控制系统。DCS也可称为“分散控制系统”或“分布式计算

机控制系统”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自

治的结构形式。其主要特征是可以实现集中管理和分散控制。目前DCS在电力、冶金和石

化等各行各业都得到了极其广泛的应用。

过程控制级和过程管理级是组成DCS的两个最基本的环节。过程控制级具体实现信号

的输人、变换、运算和输出等分散控制功能。在不同的DCS中，过程控制级的控制装置各

不相同，如过程控制单元、现场控制站和过程接口单元等，但它们的结构形式大致相同，可以统称为现场控制单元(Field Control Unit,FCU)。过程管理级由工程师站、操作员站和管

理计算机等组成，可以实现对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的硬

件和软件都是按模块化结构设计的，所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模

块按实际的需要组合成为一个系统，这个过程称为系统的组态。

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第1章工业控制网络概述

1.1.4现场总线控制系统

FCS是DCS的更新换代产品，且已经成为工业生产过程自动化领域中一个新的热点。

现场总线技术是20世纪90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将现代网络通信与管理的观念引入工业控制领域。从本质上说，它是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输和多分支结构的通信网络。它是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合，具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信线供电和开放式互连网络等技术特点。这些特点不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与互联网互连，构成不同层次的复杂网络成为可能，代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。

现场总线是顺应智能现场仪表的发展需求而发展起来的一种开放型的数字通信技术，其

发展的初衷是用数字通信代替一对一的/O连接方式，把数字通信网络延伸到工业过程现

场。根据国际电工委员会(IEC)和美国仪表协会(ISA)的定义，现场总线是连接智能现

场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。

随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）技术的发展，这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布计算机控制

系统，即FCS。FCS作为新一代控制系统，采用了基于开放式和标准化的通信技术，突破了

DCS采用专用通信网络的局限，同时进一步变革了DCS中的集散系统结构，形成了全分布

式系统架构，把控制功能彻底下放到现场。简言之，现场总线将控制系统最基础的现场设备变成网络节点连接起来，实现自下而上的全数字化通信，可以认为这是通信总线在现场设备中的延伸，把企业信息沟通的覆盖范围延伸到了工业现场。

传统计算机控制系统中，现场仪表和控制器之间均采用一对一的物理连接。这种传输方式一方面会给现场安装、调试及维护带来困难，另一方面难以实现现场仪表的在线参数整定和故障诊断，无法实时掌握现场仪表的实际情况，使得处于最底层的模拟变送器和执行机构成为计算机控制系统中最薄弱的环节。

FCS采用数字信号传输的方式，允许在一条通信线缆上挂接多个现场设备，而不再需要

A/D、D/A等I/O组件。当需要增加现场控制设备时，现场仪表可就近连接在原有的通信线

缆上，无须增设其他任何组件。

从结构上看，DCS实际上是半分散、半数字的系统，而FCS采用的是一个全分散、全

数字的系统架构。FCS的技术特征可以归纳为以下几个方面：

(1)全数字化通信一现场信号都保持着数字特性，现场控制设备采用全数字化通信。

(2)开放式互连网络一可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。

(3)互操作性与互用性一互操作性的含义是指来自不同制造厂的现场设备可以互相通信，统一组态；互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

(4)现场设备的智能化一总线仪表除了能实现基本功能之外，往往还具有很强的数据处理、状态分析及故障自诊断功能，系统可以随时诊断设备的运行状态。

5)系统架构的高度分散性一它可以把传统控制站的功能块分散地分配给现场仪表，构成一种全分布式控制系统的体系结构。

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工业控制网络与人机界面组态技术

1.2现代控制网络一工业以太网

1.2.1工业以太网概述

工业以太网是基于EEE8O2.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。工业以太网提供了

一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)、外部互联网(Extranet)以及国际互联网(Internet)提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且可以应用于

生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能、全双工和自适应的

1O0M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合EEE802.3u的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术

在今天的控制系统和工厂自动化系统中，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及。那

么选择正确的工业以太网要考虑哪些因素呢？简单来说，要从以太网通信协议、电源、通信速率、工业环境认证、安装方式、外壳对散热的影响、简单通信功能和通信管理功能、电口或光口等方面来考虑。这些都是需要了解的最基本的产品选择因素。如果对工业以太网的网络管理有更高要求，则需要考虑所选择产品的高级功能，如信号强弱、端口设置、出错报警、串口使用、主干冗余(TrunkingTM)、环网元余(RapidRingTM)、服务质量(QoS)、

虚拟局域网(VLAN)、简单网络管理协议(SNMP)和端口镜像等其他工业以太网管理交换

机可以提供的功能。不同的控制系统对网络的管理功能要求不同，自然对管理型交换机的使用也有不同要求。控制工程师应该根据系统的设计要求，挑选适合系统的工业以太网产品。

由于工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求，工业以太网的冗余功能应运而生。

从快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余到主干冗余，它们都有各自不同的优势和特点，控制

工程师可以根据要求进行选择。

1.2.2工业以太网的技术特点

工业以太网具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软/硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通信协议是必然的要求。将以太网技术引入工业控制领域，其技术特点非常明显，具体有以下几点：

(1)以太网是全开放、全数字化的网络，采用不同网络协议的设备可以很容易实现互连。

(2)以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

(3)软、硬件成本低廉。由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软、硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。6

···试读结束···