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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）ERP生产制造执行过程控制基础自动化现场设备与网络L4管理/决策L3生产/执行L2生产过程控制L1现场控制L0商务/计划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模型ServerPLC1L1HMIServerPLCnL2网络L1网络……其它控制器1……其它控制器nL4网络办公终端办公终端……路由器L2应用ServerL2操作终端……L3网络L3操作终端……WEBServer历史数据ServerL3应用Server数据ServerL3操作终端L3操作终端ERPServerL0网络现场设备1现场设备2现场设备3现场设备4现场设备5现场设备6现场设备i-1现场设备i……L2操作终端互联网防火墙与网关无线网关无线终端L1操作站……L1工程师站L2工程师站L1操作站路由器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交换机2交换机1交换机星形拓扑双星形拓扑•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-LinkTL-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:配置管理接口24个以太网口（RJ45）4个光纤口端口指示灯电源指示灯•TP-LinkTL-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（miniGBIC）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8Kbits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QuidwayAR28-31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:以太网口(输入)以太网口(输出)同步/异步接口AUX口(备份)配置管理接口扩展模块接口电源接口(220VAC)电源开关•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),32MBFlash，256MBSDRAM，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（SecurityGateway），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CISCOASA5505型防火墙为例，简单介绍常用企业级防火墙的基本特性：端口指示灯电源、状态、运行、VPN、SSC的指示灯USB口8个以太网口（RJ45）USB口配置管理接口电源接口•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USB2.0接口，1个配置管理接口（RJ45）•2.基本配置为：64MBFlash，256MBSDRAM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.IPSecVPN对为10或25•6.SSLVPN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IndustrialEthernet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）LonWorksDeviceNetPROFIBUSHARTCC-LinkWorldFIPINTERBUS7、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