工业控制网络的体系结构及标准

1. 工业控制计算机总线体系结构及发展趋势

工业控制首要的是稳定性因素，原因是机器不能停止下来，阻碍正常生产。
但无限追求实时性因素，实时响应高的机器，普遍情况下，能提高精度和效率。
这个结构的计算机总线体系，实质是信息传递的一个通道或平台。
根据这个论点，推测的是总线体系结构在可靠传输数据的基础上，信息更加快速的传递。
因此无论是有线，无线，星型，总线型，神经元，哪怕将来的量子概念型。都会朝着更稳定，更快速的方向发展。

2. 工业网络的种类及其优缺点

工业网络在自动控制系统中的应用常有以下几种形式：分布式控制系统DCS(Distr~uted ControlSystem)、现场总线控制系统FC(Fieldbus ControlSystem)及工业以太网(Instrial F_．themet)，它们构成当今工业控制的主流，同时Intemet及Web技术的发展，促进工业控制系统向Web自动化的趋势发展。(1)DCS系统又称集散控制系统，是一种稳定、可靠、安全的工业控制方式，目前广泛应用于国内各种工业控制现场。其基本思想是分散控制、集中管理，典型结构是上、下位机系统及其通信网络，上位机称为操作站，下位机称为控制站。操作站处于信息监控层，实现控制系统的控制操作、过程状态及报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势的显示及报表生成与打印；控制站处于现场控制层，是对现场物理信号(包括模拟及开关信号)进行实时采集并进行数据处理、控制运算，并将结果传送到上位机；系统的网络负责各控制站之间、操作站与控制站之间以及操作站之间的数据通信和联络。(2)FCS系统产生于2O世纪8O年代，是在DCS基础上发展起来的，在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链路。FCS的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。相对于DCS一对一结构、采用单向信号传输、布线及调试成本高、互操作性相对较差等缺点，FCS最大的特点就是大大减少了布线及由此引起的调试、安装、维护等其它成本，因而获得了广泛应用，发展非常迅速。目前世界上流行的现场总线有Profibus-DP、FF、DeviceNet、Lonworks、Modbus等4O多种。
(3)工业以太网 具有现场总线开放性、互操作性、互换性、可集成性、数字化信号传输等特点，许多专家预测以太网将会成为取代现场总线的一种最
佳选择和最终发展方向。以太网是IEFES02-3所支持的局域网标准，采用带碰撞检测的载波侦听多路访问技术(CSMA／CD)，在办公自动化领域得到了广泛应用。以太网技术应用于实时性要求很高的工业控制领域，关键要采取有效手段避免CSMA／CD中的碰撞。由于以太网通信带宽得到大幅提高，5类双绞线将接收和发送信号分开，并且采用了全双工交换式以太网交换机，以星形拓扑结构为其端口上的每个网络节点提供独立带宽，使连接在同一个交换机上面的不同设备不存在资源争夺，隔离了载波侦听，因此网络通信的实时性得到大大改善，保证了以太网产品能真正应用于工业控制现场。而且以太网技术成熟，连接电缆和接口设备价格相对较低，带宽迅速增长，可以满足现场设备对通信速度增加而原有总线技术不能满足的场合的需求。
(4)Web自动化技术 Intemet网把全世界连成了一个整体，而Web技术引发了信息技术的革命。把Web技术应用到工业控制领域就产生了web自动化。web自动化的基本思想是只要需要，在任何时间和地点都可以对工业现场的数据进行实时访问和控制。web数据采集和控制的基本要求是：必须要有一个能够通过web网络和TCP／IP协议连接监控设备和过程数据的界面，即用户界面层；要有一台能够使所需显示或控制页面通过过程浏览器访问的Web服务器，即运行逻辑层；要有一个处理本地事务(即w曲服务器)和远端系统(即客户端)之间数据接收和存储的数据库服务器，即数据库层。这就是典型的三层结构。第三层(数据库层)第二层(运行逻辑层)第一层(用户界面层)在web模式下可以实现用户界面和运行逻辑的有效分离，用户浏览器仅负责界面的显示，操作者可直接通过浏览器访问web服务器上的各类信息而将运行逻辑迁移至web服务器端；无需对客户端的应用软件进行安装，也无需对客户端的控件进行注册，应用软件的升级很方便，如果应用程序的功能和运行逻辑需要改变，系统维护人员可直接在web服务器上对相应的页面和组件进行修改，用户立即能得到新的功能。
(5)上述控制方式的应用特点 虽然FCS技术具有传统DCS所无法比拟的优越性，但其推广应用也受到诸多因素的制约，DCS并没有也不会随着FCS的发展而马上退出现场过程控制的舞台，这是因为，首先，目前我国控制现场很多设备还不是智能仪表，不能直接与现场总线相连；其次，FCS的价格特别是智能设备比较昂贵，采用FCS的综合价格仍高于DCS；第三，DCS也在不断采用新技术，如与PLC(可编程序控制器)很好地融合、渗透和集成，普遍采用IPC作为其操作站，并且采用人工智能技术等，DCS呈现出向综合化和智能化发展的趋势；第四，FCS标准种类繁多，不同标准的设备相互通讯一
般比较繁琐i第五，在强调安全、可靠第一位的应用场合，更多地是考虑DCS技术的成熟和高可靠性，同时一些专家担心FCS一旦通信线路故障将引整个系统的瘫痪。在电厂辅机系统如化学水处理系统，目前一般仍以DCS为主，在此基础上局部采用FCS技术，组成混合系统，笔者称之为FDCS系统(Fieldbus Distr~uted Control System)。对工业以太网，目前已不仅仅只适用于工业网络控制系统的信息层，而且提供了现场控制级的应用，如SIEMENS公司的PLC提供专用的以太网接口模块，研华科技的新型智能模块中内置了Web服务器，使现场模块具备网页发布功能，通过网页与外界直接交换信息。而web自动化技术的优点是，操作者可在现场之外，不受时间和空间限制，通过浏览器访问web服务器上的各类信息，方便电厂调度、指挥等部门浏览、查询现场数据，或根据权限发布控制命令，实现对现场设备的监控。

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3. 简述现代网络体系结构

网络体系结构是指通信系统的整体设计，它为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供标准。它广泛采用的是国际标准化组织（ISO）在1979年提出的开放系统互连（OSI-Open System Interconnection)的参考模型。

中文名
网络体系结构

外文名
Network Architecture

解释
通信系统的整体设计

目的
为网络硬件提供标准

提出
国际标准化组织

采用
开放系统互连的参考模型。

协议定义
1、网络体系结构（networkarchitecture）：是计算机之间相互通信的层次，以及各层中的协议和层次之间接口的集合。

2、网络协议：是计算机网络和分布系统中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合。
3、语法（syntax）:包括数据格式、编码及信号电平等。
4、语义（semantics）：包括用于协议和差错处理的控制信息。
5、定时（timing）：包括速度匹配和排序。

计算机网络是一个非常复杂的系统，需要解决的问题很多并且性质各不相同。所以，在ARPANET设计时，就提出了“分层”的思想，即将庞大而复杂的问题分为若干较小的易于处理的局部问题。

简介
1974年美国IBM公司按照分层的方法制定了系统网络体系结构SNA（System NetworkArchitecture）。SNA已成为世界上较广泛使用的一种网络体系结构。

一开始，各个公司都有自己的网络体系结构，就使得各公司自己生产的各种设备容易互联成网，有助于该公司垄断自己的产品。但是，随着社会的发展，不同网络体系结构的用户迫切要求能互相交换信息。为了使不同体系结构的计算机网络都能互联，国际标准化组织ISO于1977年成立专门机构研究这个问题。1978年ISO提出了“异种机连网标准”的框架结构，这就是著名的开放系统互联基本参考模型 OSI/RM (Open Systems InterconnectionReferenceModle),简称为 OSI 。

OSI得到了国际上的承认，成为其他各种计算机网络体系结构依照的标准，大大地推动了计算机网络的发展。20世纪70年代末到80年代初，出现了利用人造通信卫星进行中继的国际通信网络。网络互联技术不断成熟和完善，局域网和网络互联开始商品化。

OSI参考模型用物理层、数据链路层、网络层、传输层、对话层、表示层和应用层七个层次描述网络的结构，它的规范对所有的厂商是开放的，具有指导国际网络结构和开放系统走向的作用。它直接影响总线、接口和网络的性能。常见的网络体系结构有FDDI、以太网、令牌环网和快速以太网等。从网络互连的角度看，网络体系结构的关键要素是协议和拓扑

4. 网络体系结构

网络体系结构是指通信系统的整体设计，是计算机之间相互通信的层次，以及各层中的协议和层次之间接口的集合。它为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供标准。主要包括以下几个层次：

1、物理层（PhysicalLayer）：

规定通信设备的机械的、电气的、功能的和规程的特性，用以建立、维护和拆除物理链路连接。

2、数据链路层（DataLinkLayer)

在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。

3、网络层（Network layer）：

在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层报头，其中含有逻辑地址信息- -源站点和目的站点地址的网络地址。

4、传输层（Transport layer）：

第4层的数据单元也称作处理信息的传输层（Transport layer）。它为上层提供端到端（最终用户到最终用户）的透明的、可靠的数据传输服务。所谓透明的传输是指在通信过程中传输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节。

5、会话层（Session layer）：

这一层也可以称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。

6、表示层（Presentation layer）：

这一层主要解决用户信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于 OSI 系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩， 加密和解密等工作都由表示层负责。例如图像格式的显示，就是由位于表示层的协议来支持。

7、应用层（Application layer）

应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层协议的代表包括 Telnet、FTP、HTTP、SNMP 等。

“网络体系结构”的相关概念：

1、网络协议：是计算机网络和分布系统中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合。

2、语法（syntax）：包括数据格式、编码及信号电平等。

3、语义（semantics）：包括用于协议和差错处理的控制信息。

4、定时（timing）：包括速度匹配和排序。

以上内容参考：网络-网络体系结构

5. 目前的网络体系结构有哪些

是指通信系统的整体设计，它为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供标准。它广泛采用的是国际标准化组织（ISO）在1979年提出的开放系统互连（OSI-Open System Interconnection)的参考模型。OSI参考模型用物理层、数据链路层、网络层、传送层、对话层、表示层和应用层七个层次描述网络的结构，它的规范对所有的厂商是开放的，具有知道国际网络结构和开放系统走向的作用。它直接影响总线、接口和网络的性能。目前常见的网络体系结构有FDDI、以太网、令牌环网和快速以太网等。从网络互连的角度看，网络体系结构的关键要素是协议和拓扑。
网络体系结构 Network Architecture ↑
Network Architecture 网络体系结构 网络体系结构定义计算机设备和其他设备如何连接在一起以形成一个允许用户共享信息和资源的通信系统。存在专用网络体系结构，如IBM的系统网络系统结构(SNA)和DEC的数字网络体系结构(DNA)，也存在开放体系结构，如国际标准化组织(ISO)定义的开放式系统互联(OSI)模型。网络体系结构在层中定义(参见“分层体系结构”)。如果这个标准是开放的，它就向厂商们提供了设计与其他厂商产品具有协作能力的软件和硬件的途径。然而，OSI模型还保持在模型阶段，它并不是一个已经被完全接受的国际标准。考虑到大量的现存事实上的标准，许多厂商只能简单地决定提供支持许多在工业界使用的不同协议，而不是仅仅接受一个标准。
分层在一个“协议栈”的不同级别说明不同的功能。这些协议定义通信如何发生，例如在系统之间的数据流、错误检测和纠错、数据的格式、数据的打包和其它特征。基本结构如图N-9所示。
通信是任何网络体系结构的基本目标。在过去，一个厂商需要非常关心它自己的产品可以相互之间进行通信，并且如果它公开这种体系结构，那么其它厂商就也可以生产和此竞争的产品了，这样就使得这些产品之间的兼容通常是很困难的。在任何情况下，协议都是定义通信如何在不同操作的级别发生的一组规则和过程。一些层定义物理连接，例如电缆类型、访问方式、网络拓朴，以及数据是如何在网络之上进行传输的。向上是一些关于在系统之间建立连接和进行通信的协议，再向上就是定义应用如何访问低层的网络通信功能，以及如何连接到这个网络的其它应用
如上所述，OSI模型已经成为所有其它网络体系结构和协议进行比较的一个模型。这种OSI模型的目的就是协调不同厂商之间的通信标准。虽然一些厂商还在继续追求他们自己的标准，但是象DEC和IBM这样的一些公司已经将OSI和象TCP/IP这样的Internet标准一起集成到他们的联网策略中了。
当许多LAN被连接成企业网时，互操作性是很重要的。可以使用许多不同的技术来达到这一目的，其中包括在单一系统中使用多种协议或使用可以隐藏协议的“中间件”的技术。中间件还可以提供一个接口来允许在不同平台上的应用交换信息。使用这些技术，用户就可以从他们的台式应用来访问不同的多厂商产品了。

6. 什么是网络体系结构如何建立符合某种体系结构的网络

定义：网络的体系结构指计算机网络的各层及其协议的集合。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其所应完成的功能的精确定义，它是计算机网络中的层次、各层的协议以及层间接口的集合。
欲建立符合某种体系结构的网络，首先得了解此体系结构的组成要素，职能（原理）、各要素之间的关系等，具有什么样的层次结构，各层的协议，即对等实体间进行通信的规则集合：“硬件实体”规则有信号的表示形式，电平标准，正负逻辑等：“软件实体”规则有PDU的格式，PDU的处理算法，时序等，在此基础上，建立各站点可以应用并识别该体系结构的协议的网络，各站点间可以通过该体系结构的PDU格式及寻址方式实现通信的网络。

7. 工业控制通信协议有哪些

工业控制通信协议有CANBUS、MODBUS、profibus等。

简介：
1、作为ISO11898CAN标准的CANBus（ControLLer Area Net-work Bus），是制造厂中连接现场设备（传感器、执行器、控制器等）、面向广播的串行总线系统，最初由美国通用汽车公司（GM）开发用于汽车工业，后日渐增多地出现在制造自动化行业中。
2、Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。
ModBus网络是一个工业通信系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成。其系统结构既包括硬件、亦包括软件。它可应用于各种数据采集和过程监控。
3、PROFIBUS，是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

8. 工业控制网络的发展趋势

工业控制网络的发展历程是分步骤的，从传统的控制网络发展到较为先进的现场总线，再后来随着科技文明的进步，发展为现在研究热点工业以太网以及到无线网络控制。未来工业网络的发展需要从通信的实时性，安全性和可靠性来努力，想要达到这个层度也不是很简单的，实现多总线路集成，实时异构网络也是将来发展的一个重要方向。 工业控制网络的方向 现如今企业的经营方式随着互联网和其相关技术的出现和发展，已经被改变了很多，它使信息通信环绕在整个社会生活中，并在很大的范围内得以贯穿，世界上有文明的地方就有工业控制网络。在一些领域里，例如办公自动化领域里，办公设备中出现了互联网技术的支持。除此之外，在制造加工工业中，在互联网的基础上，开放式的、透明的商业运作是新技术的发展方向。 更高的带宽 更高的带宽是高性能工业控制网络的要求，要增加带宽，首先要分散控制数据，在将来的几年里，分散控制系统会产生增加二十到三十倍的制造信息。同样地，PLC 从场地设备采集的信息预计也会增加一二十倍。在自动化控制和通信设施中，如果总使用新的处理体系和技术，网络很可能无法承载，离散的网络组织也可能产生瓶颈效应从而对网络变成透明的、覆盖企业范围的应用实体产生阻碍。以太网的标准带宽是10Mbps，近期研究高速以太网，其速度能达到百兆甚至千兆，从而能够成为企业大范围内的主干网络。在这种状况下，只有以太网能满足大家的需要，这同时也促进了多样控制网络的出现。 开放性的工业控制网络体系 随着经济全球化的发展和大部分产品周期的提高，为了降低生产成本，企业大都应用互联网、智能设备和服务器式应用系统以及无线通信等新技术。虽然这样确实降低了成本，但同时这些新技术和商业过程无法避免地生成了很多数据，这些数据分配又是一个难题。虽然在执行方式上，硬件和软件不同，但它们在商业系统中具有相同的本质标准，那就是开放式的生产管理体系。这种体系能使企业脱离单一的设备维护费用的运作方式。除此之外，开放式的系统使动态的制造数据得以释放，在整个企业网络范围内，使我们的管理者能能把数据自由地分配给广大使用者，从而提高了企业的工作效率。

内容提要
本书介绍了工业控制网络的特点、发展历程、技术现状和发展趋势，重点介绍了Modbus、PROFIBUS、CAN、DeviceNet及CANopen等现场总线技术，还介绍了EPA、PROFINET、HSE、Ethernet/IP及Modbus TCP等工业以太网技术，并结合台达工业自动化产品有针对性地安排了大量工业控制网络应用案例和实验内容，着重对学生的实际动手能力、独立思考能力、创新思维能力和综合运用能力进行培养和训练。本书可作为普通高等院校电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、仪器仪表、计算机、机械电子、汽车电子及相关专业的教材，也可作为相关工程技术人员的参考书。

9. 网络体系结构是什么的集合

1、网络体系结构（networkarchitecture）：是计算机之间相互通信的层次，以及各层中的协议和层次之间接口的集合。

2、网络协议：是计算机网络和分布系统中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合。
3、语法（syntax）:包括数据格式、编码及信号电平等。
4、语义（semantics）：包括用于协议和差错处理的控制信息。
5、定时（timing）：包括速度匹配和排序。

计算机网络是一个非常复杂的系统，需要解决的问题很多并且性质各不相同。所以，在ARPANET设计时，就提出了“分层”的思想，即将庞大而复杂的问题分为若干较小的易于处理的局部问题。
网络体系结构网络体系结构定义计算机设备和其他设备如何连接在一起以形成一个允许用户共享信息和资源的通信系统。存在专用网络体系结构，如IBM的系统网络系统结构(SNA)和DEC的数字网络体系结构(DNA)，也存在开放体系结构，如国际标准化组织(ISO)定义的开放式系统互联(OSI)模型。网络体系结构在层中定义(参见“分层体系结构”)。如果这个标准是开放的，它就向厂商们提供了设计与其他厂商产品具有协作能力的软件和硬件的途径。然而，OSI模型还保持在模型阶段，它并不是一个已经被完全接受的国际标准。考虑到大量的现存事实上的标准，许多厂商只能简单地决定提供支持许多在工业界使用的不同协议，而不是仅仅接受一个标准。