自动化系统网络结构I.ppt

自动化系统网络结构,一、,综述,二、,现场总线,三、,基础自动化网络技术,四、,过程自动化网络技术,五、,生产制造执行系统简介,一、综述,1,、,企业自动化系统结构,2,、,自动化系统常用的网络拓扑结构,3,、,网络设备,1,、企业自动化系统结构,企业信息化和自动化系统是分层实现的，一般分为五层结构：,现场设备与总线级（,L0,）,基础自动化级（,L1,）,过程控制级（,L2,）,制造执行级（,L3,）,企业资源规划级（,L4,）,自动化系统的典型网络拓扑,企业自动化系统的结构原理图,2,、自动化系统常用的网络拓扑结构,自动化系统常用的网络拓扑结构主要有星型、环型、总线型三种,（,1,）星形拓扑,星形拓扑是由中央节点和通过点到到通信链路接到中央节点的各个站点组成。星形拓扑结构分为单星形拓扑和双星形拓扑两种,星形拓扑结构优点主要有：,1.,控制简单,2.,故障诊断和隔离容易,3.,方便服务,星形拓扑结构缺点主要有：,1.,电缆长度和安装工作量可观,2.,中央节点的负担较重，形成瓶颈,3.,各站点的分布处理能力较低,（,2,）环形拓扑,环形拓扑网上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一个封闭环，工作站通过结点接口单元与环相连，数据沿环单向或双向传输，其中，双向传输时须考虑路径控制问题。,环形拓扑优点主要有：,1.,电缆长度短。,2.,增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作,3.,可使用光纤,4.,结构简单,5.,控制逻辑简单,6.,挂接或摘除结点也比较容易,7.,系统的初始开发成本以及修改费用较低,环形拓扑缺点主要有：,1.,节点的故障会引起全网故障,2.,故障检测困难,3.,环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达式传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。,（,3,）总线拓扑,总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。有些总线设有通讯控制器，采取集中控制方式；而有些把通讯控制功能分设在各通讯接口中，称为发散控制方式,总线拓扑结构优点主要有：,1.,总线结构所需要的电缆数量少,2.,总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性,3.,易于扩充，增加或减少用户比较方便,总线拓扑结构优点主要有：,1.,总线的传输距离有限，通信范围受到限制,2.,故障诊断和隔离较困难,3.,分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能,网络拓扑结构特点的对比与总结,拓扑结构,结构特点,优点,缺点,应用领域,总线型,网络上所有节点连接在一个信道上,节省传输介质；系统结构简单；总线易于扩展,网络数据大时性能下降；传输介质断开，影响面广，查找问题困难等,适应对等网络或小型（,10,个用户以下）基于服务器的网络，大量用在控制系统的现场设备层（,L0,层），而很少应用于基础自动化层（,L1,层）拓扑结构,结构特点,优点,缺点,应用领域,环形,网络上所有结点都通过点对点链路连接，并构成一个封闭环,结构和控制逻辑简单：系统为所有节点提供相同接入；用户数据较多时，仍能保持适当性能,节点的故障会引起全网故障、故障检测困难；网络重新配置将终止正常操作,适应于令牌型局域网、,FDDI,或,CDDI,。在控制系统中，常应用于要求通讯可靠性高、冗余或容错的网络,拓扑结构,结构特点,优点,缺点,应用领域,星形,依赖集线器的网络结构,方便布线，系统易于变化和扩展；集中式监视和管理；某个节点故障，不影响其它部分,需用大量传输介质；中心节点负担较重，一旦出问题，该节点连接所有设备均受影响,最常用网络拓扑结构，在控制系统应用最为广泛，在对网络没有特殊要求时，一般推荐使用,3,、网络设备,（,1,）传输介质,传输介质,特点,传输距离,传输速度,通信容量,传输质量,适用范围,同轴电缆,结构特殊（多层结构，有铜芯、绝缘层、屏蔽层、外包皮）,10BASE-2,类（细缆）能到,185m,；,10BASE-5,类（粗同轴电缆）能到,500m,能支持,10Mbps,，速度相对较低,支持连接较多设备，以及较大的通信容量,具有很强的抗干扰能力，,传输的信号质量比较好,各种视频传输，楼宇监控，以及部分带宽要求高的局域网等,传输介质,特点,传输距离,传输速度,通信容量,传输质量,适用范围,双绞线,双绞线有两种基本类型屏蔽双绞线（,STP,）、非屏蔽双绞线（,UTP,），均由两根绞在一起的导线来形成传输电路,较短，一般不要超过,100m,有三种：,10Mbps,、,100Mbps,、,1000Mbps,与同轴电缆相比，其带宽受到限制，容量较少,UTP,类传输信号较差；,STP,类传输信号较好,适合中距离（,2Km,左右）传输，对信号质量没有过高要求的领域，如,100Base-T,的局域网,传输介质,特点,传输距离,传输速度,通信容量,传输质量,适用范围,光纤,光纤具有园柱形的形状，由三部分组成：纤芯、包层和护套。采用光传输信号,距离长，可,1000m,以上,速度高，有,100Mbps,、,1000Mbps广泛用于高速数据通信网,频带宽，支持大的通信容量,传输衰减小、能电磁隔离、误码率低等，信号质量高，适宜于要求高速可靠通讯的领域,长距离的高速通讯领域，如一些骨干网应用，部分可靠性和速率要求高的的局域网等,（,2,）,交换机,交换机是按照通信两端需要，用自动方法把要传输的信息送到符合要求网络上的设备,。,选择交换机时，应把握几个原则,：,确定适当的端口数和类型,考虑工作层次,考虑性能档次,交换机品牌非常多，国外著名品牌有,Cisco,、安奈特、,NETGEAR,等，国内的如华为、,D-LINK,、,TP-LINK,、实达等,以,TP-Link TL-SG3424,型,24,口全千兆二层交换机为例，介绍生产自动化系统常用交换机的基本特性,:,TP-Link TL-SG3424,型交换机特性主要包括：,1.,提供丰富的接口，灵活接入：,24,个,10/100/1000M,自适应,RJ45,端口，,4,个千兆,SFP,（,mini GBIC,）光纤模块扩展插槽，,1,个配置管理接口,2.,支持存储转发，交换容量,48Gbps,，支持,8K bits,地址表,3.,全面的安全防护体系，保障网络长期稳定运行丰富的,QoS,策略和,ACL,访问控制功能，多业务高效融合运作,4.,支持端口汇聚和多种生成树协议，提高链路冗余备份的能力,5.,提供,Web,网管，,CLI,命令行，,SNMP,等安全灵活的方式,;,提供环回检测、线缆检测、系统日志等功能，维护简单。,（,3,）,路由器,路由器能将不同网络或网段之间的数据信息进行,“,翻译,”,，以使它们能够相互,“,读,”,懂对方的数据，从而构成一个更大的网络,选择路由器时，应把握几个原则,：,确定连接方式,明确应用定位,选择合适端口,明确传输速率,关注控制管理功能,考虑可靠性和安全性,以华为,Quidway AR28-31,型路由器为例，简单介绍一下生产自动化系统常用路由器的基本特性,:,配置包括：,1.,提供丰富的接口：,2,个,10/100M,自适应,RJ45,端口，,1,个,AUX,口（备份），,1,个同步,/,异步接口，,2,3,个扩展模块接口，,1,个配置管理接口,2.,基本配置为：,CPU,为,MPC8245(300MHz),32MB Flash,，,256MB SDRAM,，,90,100Kpps(,包每秒,),转发性能,特性包括,:,成熟的,VPN,解决方案,网络安全,互连协议,网络协议,应用层协议及业务特性,特性包括,:,QOS,网络可靠性,系统可靠性,语音特性,简单便捷的网络检测工具,配置管理,（,4,）,防火墙,防火墙指的是一个由软件和硬件设备组合而成，在内部网和外部网之间、专用网与公共网之间的界面上构造的保护屏障,.,是一种获取安全性方法的形象说法,防火墙是一种计算机硬件和软件的结合，使网络之间建立起一个安全网关（,Security Gateway,），从而保护内部网免受非法用户的侵入,选择防火墙时，应按照以下几个步骤来开展,:,做好需求分析,把握基本原则,明确常用指标,防火墙产品中，国外主流厂商为思科（,Cisco,）、,CheckPoint,、,NetScreen,等，国内主流厂商为东软、天融信、山石网科、网御神州、联想、方正等，它们都提供不同级别的防火墙产品,以,CISCO ASA5505,型防火墙为例，简单介绍常用企业级防火墙的基本特性：,配置包括：,1.,提供丰富的接口：,8,个以太网口,(RJ45,型,),，,1,个,SSC,扩展插槽，,3,个,USB 2.0,接口，,1,个配置管理接口（,RJ45,）,2.,基本配置为：,64MB Flash,，,256MB SDRAM,等,特性主要包括：,1.,防火墙吞吐率高达,150Mbps,2.VPN,吞吐率高达,100Mbps,3.,支持并发连接,25000,个,4.,安全过滤带宽为,100Mbps,5.IPSec VPN,对为,10,或,25,6.SSL VPN,对许可证级别为,10,或,25,7.,内置一个灵活的,8,端口,10/100,快速以太网交换机，其端口能进行动态组合，为家庭、企业和互联网流量创建,3,个独立的无中继支持的虚拟接口,(VLAN),，以改进网络分区和安全,8.,提供两个以太网供电,(PoE),端口，简化了配备自动安全,IP,语音,(VoIP),功能的思科,IP,电话的部署，以及外部无线接入点的部署，扩展了网络移动性,9.,通过其模块化设计，提供了,1,个外部扩展插槽和,3,个,USB,端口，能在未来添加更多服务，从而实现了出色的扩展能力和投资保护,二、现场总线,1,、,引言,2,、,现场总线定义,3,、,现场总线的特点,4,、,现场总线用途,5,、,现场总线的现状和发展趋势,6,、,主流现场总线简介,7,、,现场总线应用,1,、引言,以现场总线为核心连接现场设备的基础自动化系统,2,、,现场总线定义,现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,3,、,现场总线的特点,增强了现场级信息集成能力,开放式、互操作性、互换性、可集成性,系统结构的高度分散性,现场设备的智能化,系统可靠性高、可维护性好,降低了系统及工程成本,对现场环境的适应性,4,、,现场总线用途,制造业自动化：如汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织等行业,过程控制自动化：如石化、制药、水泥、食品、饮料等；,电力及楼宇自动化：如发电、输配电等,楼宇自动化如空调、风机、照明等,铁路交通：如信号系统等,5,、,现场总线的现状和发展趋势,（,1,）现场总线的现状,多种现场总线并存,各种总线都有其应用的领域,每种现场总线都有其国际组织和支持背景,多种总线成为国家和地区标准,设备制造商参与多个总线组织,各个总线彼此协调共存,（,2,）现场总线发展趋势,寻求统一的现场总线国际标准，统一的标准是大势所趋，目前众多的总线会变成一两种总线标准,Industrial Ethernet,走向工业控制网络,6,、,主流现场总线简介,几种主流的现场总线,：,基金会现场总线（,FoundationFieldbus,简称,FF,）,CAN,（,ControllerAreaNetwork,控制器局域网）,LonWorks,DeviceNet,PROFIBUS,HART,CC-Link,WorldFIP,INTERBUS,7,、,现场总线应用,（,1,）,现场总线选型,需考虑特定的比较参数和设计，主要包括：,通信速率和数据延迟,物理互连媒介,抗扰度,比特误差率和总线故障,允许的互连长度,允许的网络节点数量,容易增加额外的节点,功耗、成本、可靠性和隔离要求,现场总线选型需要折衷考虑的因素,常用现场总线应用范围,总线名称,特点,应用范围,基金会现场总线（,FF,）,基于,OSI,的简化模型（,1,，,2,，,7,层,),有低速,H1,和高速,H2,工业应用广泛，支持总线供电和本质安全防爆环境,CAN,协议分为物理层和数据链路层；速率最高可达,40Mbps,最特色的是汽车应用,LonWorks,基于,OSI,的,7,层模型，采用专门,LonTalk,协议,楼宇自动化，以及分布式监控应用,DeviceNet,基于,CAN,技术，传输率可至,500Kbps,低成本的通信方案，较简单的工业应用。,PROFIBUS,支持主,-,从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等传输方式,DP,常用于工厂自动化现场领域,;FMS,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等,;,PA,适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域，可总线供电,.,工业以太网,包括,ProfiNet,、,EtherCAT,、,Ethernet,，,基于,IEEE 802.3,标准,100Mbps,以太网常用于各类的工业自动化应用。,常用现场总线允许的节点数量,现场总线名称,节点数量的限制机制,最大运行的节点数,Profibus DP,每个网段的总阻抗,32,个设备,InterBus,点对点的传输延迟,63,个设备,ControlNet,（同轴电缆）,阻抗和信号反射,48,个设备,DeviceNet,由标准确定,64,个设备,Ethernet,互联架构,根据选择的协议和拓扑结构而定,