項目一認識工業控制網絡主講教師：主要內容1.1項目要求及學習目標1.2相關理論知識1.3實驗要求及步驟1.1項目要求及學習目標1、了解工業控制網絡的發展過程2、理解工業控制網絡的定義及特點3、理解傳統控制網絡——現場總線4、理解現代控制網絡——工業以太網1.2、相關理論知識

工業控制網絡的定義：

工業控制網絡是計算機網絡、通信技術與自動控制技術結合的產物，是隨著科學技術的發展和企業對自動控制需求的不斷提高、不斷發展而發展的，是自動控制領域的局域網。1.2.1、工業控制網絡的發展過程

工業控制網絡是隨著科學技術的進步而產生、發展的。縱觀控制系統的發展過程，大致可以分為如下幾個階段：

一、模擬儀表控制系統

在20世紀50年代以前，工業生產規模比較小，控制系統簡單，儀表本身也處于初級階段，所以只能采用僅具備簡單測控功能的基地式氣動儀表實現各種控制功能。1.2.1、工業控制網絡的發展過程圖1-1模擬儀表控制系統結構桯圖特點：1、全部是模擬信號；2、集中顯示在儀表盤3、缺點是信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變化緩慢，計算速度和精度都難以保證，信號傳輸的抗干擾能力也很差，傳輸距離也很有限。1.2.1、工業控制網絡的發展過程

二、計算機控制系統20世紀60年代，采用計算機來代替模擬儀表完成控制功能。特點：1、使用數字技術；2、延長了通信距離；3、提高自動控制的可靠性。4、缺點是中心計算機并不可靠，一旦出現故障，就會導致整個系統癱瘓。1.2.1、工業控制網絡的發展過程

圖1-2計算機控制系統結構框圖1.2.1、工業控制網絡的發展過程

三、集散控制系統

隨著計算機技術的發展、大規模集成電路和微處理器技術的問世、以及計算機的可靠性不斷提高，由可編程控制器(PLC)及多個計算機構成的集散控制系統應運而生。特點：1、采用了工業控制網絡技術；2、擴大了系統的規模，提高了智能化程度；3、缺點：現場儀表仍然是模擬信號，且各廠商的產品自成系統，難以實現不同系統間的互操作。1.2.1、工業控制網絡的發展過程

圖1-3集散控制系統結構框圖1.2.1、工業控制網絡的發展過程

四、現場總線控制系統

現場總線控制系統是在計算機和網絡技術的飛速發展下而迅猛發展起來的。

特點：1、現場設備多點共享總線；2、節約了連線，大大地降低了布線成本；3、實現了通信鏈路的多點之間的信息傳輸，提高了通信的可靠性。4、缺點：現場總線的國際標準一直未能統一，遠未達到真正實現開放性。1.2.1、工業控制網絡的發展過程

圖1-4現場總線控制系統結構框圖1.2.1、工業控制網絡的發展過程

五、工業以太網

工業以太網是以太網技術向工業控制領域滲透催生的產物。

特點：1、基于成熟的以太網技術和TCP/IP技術；2、形成了被廣泛接受的應用層協議；4、具有較高的實時性能和傳輸能力。1.2.2、工業控制網絡的定義及特點

工業控制網絡是計算機網絡、通信技術與自動控制技術結合的產物，是隨著科學技術的發展和企業對自動控制需求的不斷提高、不斷發展而發展的，是自動控制領域的局域網。1.2.2、工業控制網絡的定義及特點

工業控制網絡是一類特殊的網絡，它與傳統的信息網絡有如下主要區別：1、應用場合2、網絡節點3、任務處理4、實時性5、網絡監控和維護1.2.3、傳統工業控制網——現場總線

現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間數字式、串行、多點通信的數據總線。

1.2.3、傳統工業控制網——現場總線

常用現場總線：1、基金會現場總線（FF）2、PROFIBUS3、Modbus4、CAN總線5、LonWorks1.2.4、現代工業控制網絡——工業以太網

工業以太網是應用于工業自動化領域的以太網技術,它是在以太網技術和TCP/IP技術的基礎上發展起來的一種工業控制網絡。以太網進入工業自動化領域的直接原因是現場總線多種標準并存，異種網絡通信困難。1.2.5、工業控制網絡發展趨勢1、提高通信的實時性2、提高通信可靠性3、提高通信安全性4、多現場總線集成5、無線網絡提供新的應用可能1.3、

實驗要求及步驟1、實驗要求

⑴

理解工業控制的發展的過程。

⑵

理解現場總線的優點和缺點。

⑶

理解工業以太網的優點和缺點2、實驗步驟

⑴

網上搜索現場總線的應用案例，理解案例的應用背景及其優勢。

⑵

網上搜索工業以太網的應用案例，理解案例的應用背景及其優勢。項目二、工業控制網絡的體系結構主講教師：主要內容2.1項目要求及學習目標2.2相關理論知識2.3實驗要求及步驟2.1項目要求及學習目標1、了解工業控制網絡通信的基本知識。2、掌握工業控制網絡的結構與控制方法。3、了解控制網絡的通信協議。2.2.1工業控制網絡通信知識1、數據通信

數據通信是指依據通信協議，利用數據傳輸技術在兩個功能單元之間傳遞數據。一般情況下所說的數據通信是指計算機技術與通信技術相結合的通信方式。工業控制網絡中的現場設備大多采用微型計算機，因此工業控制網絡屬于一種特殊類型的計算機網絡。

數據通信系統一般由信息源與信宿、發送設備、接收設備和傳輸介質幾部分組成。2.2.1工業控制網絡通信知識

2、數據傳輸方式

數據傳輸方式是指數據在信道上傳送所采取的方式。如按數據代碼傳輸的順序可以分為并行傳輸和串行傳輸；如按數據傳輸的同步方式可分為同步傳輸和異步傳輸；如按數據傳輸的流向和時間關系可分為單工、半雙工和全雙工數據傳輸。2.2.1工業控制網絡通信知識3、數據通信系統的性能指標

數據通信系統的目的是傳遞信息，衡量一個數據通信系統好壞的性能指標主要有誤碼率、數據傳輸速率和協議效率。4、數據編碼技術

數據編碼技術包括信源編碼和信號編碼。在數據通信系統的信息源中將原始的信息轉換成用代碼表示的數據的過程稱為信源編碼，如BCD碼、ASCII碼、漢字區位碼等。信號編碼又叫信道編碼，是將數據由信源編碼變換到某種適合于信道傳輸的信號形式的過程。2.2.1工業控制網絡通信知識5、傳輸差錯控制

在數據通信過程中，信宿接收到的數據可能與信息源發送的數據不一致，這一現象就是傳輸差錯。差錯的產生是不可避免的，差錯控制就是要在數據通信過程中發現并糾正差錯，將差錯控制在盡可能小的范圍內，保證數據通信的正常進行。2.2.2工業控制網絡的組成與體系結構1、工業控制網絡的硬件構成

工業控制網絡的硬件包括總線電纜和總線設備。

⑴

總線電纜：又稱為通信線、通信介質(媒體/媒介/介體)。網絡中常用的傳輸介質包括有線介質（有雙絞線、同軸電纜和光纖）和無線介質。

⑵

總線設備：指連接在通信線上的設備，亦稱為總線裝置、節點(主節點從節點)、站。主要包括網絡接口卡、中繼器、集線器橋、交換機、路由器和網關。2.2.2工業控制網絡的組成與體系結構2、工業控制網絡的軟件

工業控制網絡的軟件分為系統平臺軟件和系統應用軟件。

⑴

系統平臺軟件

系統平臺軟件是系統構建、運行以及為系統應用軟件編程而提供環境、條件或工具的基礎軟件。包括組態工具軟件、組態通信軟件、監控組態軟件和設備編程軟件。2.2.2工業控制網絡的組成與體系結構2、工業控制網絡的軟件

⑵

系統應用軟件

系統應用軟件是為實現系統以及設備的各種功能而編寫的軟件，包括系統用戶程序軟件、設備接口通信軟件和設備功能軟件。2.2.2工業控制網絡的組成與體系結構3、網絡的拓撲結構

網絡拓撲結構是指用數據傳輸介質將各種設備連接在一起的物理布局。網絡中的計算機等設備要實現互聯，就需要以一定的結構方式進行連接，這種連接方式就叫做“拓撲結構”。

常見的網絡拓撲結構主要有：星形結構、總線型結構、環形結構、樹形結構。2.2.2工業控制網絡的組成與體系結構4、網絡傳輸介質的訪問控制方式

在總線型和環型拓撲中，設備必須共享網絡傳輸介質。為解決在同一時間有幾個設備同時爭用傳輸介質，需有某種介質訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序。

通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各個節點可在任何時刻、任意地點訪問介質；也可以是受控的，即各個節點可用一定的算法調整各站訪問介質的順序和時間。在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為載波監聽多路訪問/沖突檢測；在控制訪問方式中則常用令牌環、令牌總線、時分復用、輪詢等方式。2.2.2工業控制網絡的組成與體系結構4、網絡傳輸介質的訪問控制方式

在總線型和環型拓撲中，設備必須共享網絡傳輸介質。為解決在同一時間有幾個設備同時爭用傳輸介質，需有某種介質訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序。

通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各個節點可在任何時刻、任意地點訪問介質；也可以是受控的，即各個節點可用一定的算法調整各站訪問介質的順序和時間。在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為載波監聽多路訪問/沖突檢測；在控制訪問方式中則常用令牌環、令牌總線、時分復用、輪詢等方式。2.3實驗要求及步驟1、實驗要求

⑴

了解數字通信的基本知識。

⑵

理解工業控制網的構成及各種體系結構。

⑶

理解工業控制網絡的各種軟件及其作用。2、實驗步驟

⑴

網上搜索各種工業控制網絡的體系結構，理解各種控制網絡的區別。

⑵

網上搜索各種工業控制軟件的應用，理解各種控制軟件的應用背景及作用。項目三認識組態軟件主講教師：主要內容3.1、項目的要求。3.2、相關理論知識。3.3、組態軟件KingSCADA簡介。3.4、實驗要求及步驟3.1、項目的要求1、理解組態軟件在工業控制網絡中的作用。2、了解常用的組態軟件。3、了解組態軟件KingSCADA的應用3.2.1認識組態軟件

組態軟件，又稱組態監控系統軟件，譯自英文SCADA，即SupervisoryControlandDataAcquisition（數據采集與監視控制）。是指數據采集與過程控制的專用軟件，也是指在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境。這些軟件實際上也是一種通過靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。組態軟件廣泛應用于機械、汽車、石油、化工、造紙、水處理以及過程控制等諸多領域。3.2.2組態軟件的發展歷史

20世紀70年代，隨著計算機的開發、應用和普及，對全廠或整個工藝流程的集中控制成為可能，集散型控制系統（DistributedControlSystem，DCS）隨即問世。集散型控制系統是把自動化技術、計算機技術、通信技術、故障診斷技術、冗余技術和圖形顯示技術融為一體的裝置。

“組態”的概念就是伴隨著集散型控制系統的出現走進工業自動化應用領域，并開始被廣大的生產過程自動化技術人員所熟知的。3.2.3組態軟件的功能

組態軟件屬于工業控制網絡的應用層，運行在網絡中的操作員計算機或者工程師計算機上，能對整個網絡的所有設備進行監控，其功能如下：1、可以讀寫不同類型的PLC、儀表、智能模塊和板卡，采集工業現場的各種信號，從而對工業現場進行監視和控制。2、可以以圖形和動畫等直觀形象的方式呈現工業現場信息，以方便對控制流程的監視也可以直接對控制系統發出指令、設置參數干預工業現場的控制流程。3.2.3組態軟件的功能3、可以將控制系統中的緊急工況（如報警等）通過軟件界面、電子郵件、手機短信、即時消息軟件、聲音和計算機自動語音等多種手段及時通知給相關人員，使之及時掌控自動化系統的運行狀況。4、可以對工業現場的數據進行邏輯運算和數字運算等處理，并將結果返回給控制系統。5、可以對從控制系統得到的以及自身產生的數據進行記錄存儲。在系統發生事故和故障的時候，利用記錄的運行工況數據和歷史數據，可以對系統故障原因等進行分析定位，責任追查等。3.2.3組態軟件的功能6、可以將工程運行的狀況、實時數據、歷史數據、警告和外部數據庫中的數據以及統計運算結果制作成報表，供運行和管理人員參考。7、可以提供多種手段讓用戶編寫自己需要的特定功能，并與組態軟件集成為一個整體運行。大部分組態軟件提供通過C腳本、VBS腳本等來完成此功能。8、可以為其他應用軟件提供數據，也可以接收數據，從而將不同的系統關聯整合在一起。3.2.3組態軟件的功能9、多個組態軟件之間可以互相聯系，提供客戶端和服務器架構，通過網絡實現分布式監控，從而實現復雜的大系統監控。10、可以將控制系統中的實時信息送入管理信息系統，也可以接收來自管理系統的管理數據，根據需要干預生產現場或過程。11、可以對工程的運行實現安全級別、用戶級別的管理設置。3.2.3組態軟件的功能12、可以開發面向國際市場的，能適應多種語言界面的監控系統，實現工程在不同語言之間的自由靈活切換，是機電自動化和系統工程服務走向國際市場的有利武器。13、可以通過因特網發布監控系統的數據，實現遠程監控。3.2.4組態軟件的特點

組態軟件是隨著工業控制網絡的發展而發展的，其特點如下：1、功能強大。2、簡單易學。3、擴展性好。4、實時多任務。3.2.5常用組態軟件1、組態王

組態王是國內第一家較有影響的組態軟件開發公司。組態王提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關鍵字的腳本語言支持。組態王也提供多種硬件驅動程序。2、MCGSMCGS是通態軟件公司開發的組態軟件，一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系統。3.2.5常用組態軟件3、InTouchInTouch軟件是最早進入我國的組態軟件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch軟件曾讓我們耳目一新，并且InTouch提供了豐富的圖庫。4、iFixIntellution公司以Fix組態軟件起家，1995年被愛默生收購，現在是愛默生集團的全資子公司，Fix6.x軟件提供工控人員熟悉的概念和操作界面，并提供完備的驅動程序（需單獨購買）。3.2.5常用組態軟件5、CitechCiT公司的Citech也是較早進入中國市場的產品。Citech具有簡潔的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序員，而不是工控用戶。Citech提供了類似C語言的腳本語言進行二次開發，但與iFix不同的是，Citech的腳本語言并非是面向對象的，而是類似于C語言，這無疑為用戶進行二次開發增加了難度。3.2.6組態軟件的結構

組態軟件的種類雖然有很多種，但由于其屬于工業控制網絡的應用層，運行在網絡中的操作員計算機或者工程師計算機上，對整個網絡的所有設備進行監控，其結構都有一些共性：1、從軟件的開發和工作階段來看，組態軟件是由系統開發環境和系統運行環境兩大部分構成的。2、從軟件體系的成員構成來看，組態軟件必備的典型組件包括工程管理器、圖形界面開發程序、圖形界面運行程序、實時數據庫組態、實時數據庫運行程序和I/O驅動程序等幾種。3.2.7組態軟件的發展趨勢

隨著信息技術的不斷發展和控制系統要求的不斷提高，組態軟件的發展也向著更高層次和更廣范圍發展，其發展趨勢表現在以下三個方面：1、集成化、定制化。2、功能向上、向下延伸。組態軟件處于監控系統的中間位置，向上、向下均具有比較完整的接口，因此對上、下應用系統的滲透也是組態軟件的一種發展趨勢。3、監控、管理范圍及應用領域擴大。3.3組態軟件KingSCADA簡介KingSCADA是北京亞控科技發展有限公司一種通用的工業監控軟件，它融過程控制設計、現場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業內部的各種生產系統和應用以及信息交流匯集在一起，實現最優化管理。KingSCADA軟件結構由工程設計器、畫面編輯器及運行系統三部分構成。3.3組態軟件KingSCADA簡介

通常情況下，開發一個應用一般分為以下幾步：

第一步：創建新應用（服務端應用）：為應用創建一個目錄用來存放與應用有關的文件；

第二步：創建IOServer應用：配置應用中使用的硬件設備并創建IO變量；

第三步：在服務端應用中定義變量：定義全局變量，包括：內存變量和I/O變量；

第四步：制作圖形畫面：按照實際應用的要求繪制監控畫面；3.3組態軟件KingSCADA簡介

第五步：定義動畫鏈接：根據實際現場的監控要求使靜態畫面隨著過程控制對象產生動畫效果；

第六步：編寫事件腳本：用以完成較復雜的控制過程；

第七步：配置其它輔助功能：如：網絡、配方、SQL訪問、Web瀏覽等。

第八步：運行和調試

完成以上步驟后，一個簡單的應用就完成了。3.4實驗要求及步驟1、實驗要求：

創建一個KingSCADA的新應用2、實驗步驟：

⑴

啟動工程設計器

⑵

創建新的應用項目四組態軟件對PLC的IO監控主講教師：4.1項目目的1、理解工業以太網的網絡結構。了解服務器、交換機