21、工业自动化：过程控制与网络通信基础

工业自动化：过程控制与网络通信基础

在工业自动化领域，过程控制和网络通信是至关重要的两个方面。下面我们将详细探讨这两个领域的关键知识。

过程控制基础

过程控制是工业自动化的重要阶段。通过学习，我们应该理解过程控制的基本概念，能够解释各种过程控制术语，并根据ISA5.1标准理解ISA符号。

在工业中，常见的测量包括温度、液位、压力和流量测量。为此，我们需要相应的传感器和变送器。例如，温度传感器和变送器、液位变送器以及压力变送器，它们可以产生4 - 20 mA的模拟输出，这对于过程控制非常重要。我们还学习了如何使用温度控制器将加热器的温度保持在期望的水平。

在更高级的内容中，涉及到PLC（如S7 - 1200）中模拟输入信号的处理。这包括读取模拟信号、归一化和缩放。我们通过逐步指导（模拟）学习了如何对PLC进行编程以处理模拟输入信号，并且还使用了真实的PLC，按照逐步指导学习如何进行布线和编程，以实现控制动作。

以下是一些测试对过程控制理解的问题：
1. 在 _ _过程控制中，输出不会改变控制动作。
2. 在 _过程控制中，输出会对控制动作产生影响。
3. 在 控制中，会测量干扰并在误差到达系统之前采取纠正措施。
4. 是一种将传感器产生的信号转换为适用于过程控制的标准信号（4 - 20 mA、0 - 10 V或3 - 15 psi）的设备。
5. 可以被称为过程变量的目标值。
6. 是过程变量或测量值与设定点之间的差值。
7. 控制器操作以将过程变量保持在设定点的设备称为 。
8. ISA是 的缩写。
9. 是一种通过测量内部旋转涡轮或齿轮的速度来测量流量的流量计。
10. 是S7 - 1200控制器的内置功能，用于将任何给定数据从最小值到最大值转换为0到1的浮点值。
11. 是S7 - 1200控制器的内置功能，用于将归一化值从0到1转换为所需范围。
12. PID是 的缩写。
13. P&ID代表 ___。

工业网络与通信协议基础

工业网络在工业自动化和过程控制中非常重要。它实现了设备（传感器、执行器、控制器和PC等）之间的互连和通信。与传统的计算机及其外设（如打印机、扫描仪等）之间的通信不同，工业网络是一个强大的网络，能够连接工业自动化和控制设备（PLC、HMI、PC、VFD、变送器等），并在恶劣环境中提供实时监控、控制和数据完整性。

理解工业网络

当两个或多个设备连接起来进行数据交换时，就形成了一个网络，每个设备可以称为一个节点。工业网络由控制器（PLC、PAC或DCS）、现场设备、PC和其他工业设备组成，这些设备相互连接以共享和交换数据。工业网络中的节点可以是控制器、现场设备（传感器/变送器或执行器）、HMI、服务器或工作站。这些节点利用特殊的协议进行通信，以实现工业过程的自动化。

理解网络拓扑

网络拓扑是网络的基础，它展示了节点的排列和互连方式，包括物理和逻辑两个方面：
- 逻辑拓扑 ：指网络中节点之间数据传输的模式，定义了数据传输的路径。
- 物理拓扑 ：指网络中节点的物理布局或排列方式，展示了各种节点的连接方式。

常见的物理拓扑包括：
- 点对点拓扑 ：通过单根电线在两个设备之间建立连接。例如，家庭或办公室中PC连接到打印机，工业自动化中PC向PLC下载程序时PLC与PC的连接，以及PLC连接到HMI进行监控和控制。

graph LR
    A[设备1] -- 单根电线 --> B[设备2]

• 总线拓扑 ：每个节点连接到一个称为干线、骨干或总线的单电缆段。两端使用终端电阻来提高信号质量。当一个节点向另一个节点传输数据时，数据会发送到网络中的所有节点，但只有目标节点会接受数据。工业自动化中，使用PROFIBUS协议的PLC、HMI和其他设备组成的网络就是总线拓扑的常见例子。

graph LR
    A[节点1] -- 总线 --> B[节点2]
    B -- 总线 --> C[节点3]
    C -- 总线 --> D[节点4]
    A -.->|发送数据| B
    A -.->|发送数据| C
    A -.->|发送数据| D
    B -.->|接收数据| A

• 星型拓扑 ：每个节点连接到一个中央设备（如交换机、路由器或集线器）。当一个节点要向另一个节点发送数据时，先将数据发送到中央设备，再由中央设备转发到目标节点。

graph LR
    A[节点1] --> O[中央设备]
    B[节点2] --> O
    C[节点3] --> O
    D[节点4] --> O
    A -.->|发送数据| O
    O -.->|转发数据| B

• 环型拓扑 ：网络中的节点连接形成一个环，最后一个节点连接到第一个节点形成闭环。数据从一个节点传输到另一个节点，直到到达目标节点。

graph LR
    A[节点1] --> B[节点2]
    B --> C[节点3]
    C --> D[节点4]
    D --> A
    A -.->|发送数据| B
    B -.->|转发数据| C
    C -.->|转发数据| D

网络介质

网络介质是用于互连网络节点的通信通道，可分为有线和无线两种：
- 有线网络 ：使用铜质双绞线电缆、铜质同轴电缆和光纤电缆等作为通信通道。
- 同轴电缆（如RG59）
- PROFIBUS电缆
- 双绞线电缆（如CAT 6）
- 光纤电缆（单模光纤）
- 无线网络 ：使用无线电波（如蓝牙、Wi-Fi和蜂窝通信）作为通信通道。无线电波是一种电磁波，可以在空气、真空、液体甚至固体中传播，无需电缆即可在两个或多个设备之间建立通信。
- 蓝牙 ：短距离无线技术标准，使用2.402 - 2.48 GHz的超高频无线电波在固定和移动设备之间进行短距离通信或数据交换，用于构建个人区域网络（PAN）。
- Wi-Fi ：一种无线通信技术，使用无线电波在设备之间建立通信，也称为标准无线局域网（WLAN）技术，允许计算机和各种设备无需电缆相互连接并接入互联网。
- 蜂窝通信（移动电话系统） ：通过无线电波在设备之间建立通信。无线电网络通过小区分布在陆地上，每个小区包含一个固定位置的收发器（基站），为更大区域提供无线电覆盖。移动电话或安装了无线电发射器和接收器的设备，即使在移动过程中也能进行通信。

蜂窝通信的各代技术特点如下表所示：
| 代际 | 特点 | 最大速度 |
| ---- | ---- | ---- |
| 1G | 模拟信号 | 2.4 Kbps |
| 2G | 数字网络，用于数据和语音，GPRS（2.5G）技术 | 50 Kbps（GPRS）或1 Mbps（EDGE） |
| 3G | 2001年推出，提供更大的语音和数据容量，低成本数据传输，支持广泛应用 | 2 - 21.6 Mbps（HSDPA +） |
| 4G | 提供高质量、高容量、高速的数据传输，具有改进的安全性和低成本，适用于游戏、高清移动电视等 | 100 Mbps - 1 Gbps |
| 5G | 为移动用户和连接设备提供可靠连接，具有许多出色功能 | 10 - 20 Gbps |

5G技术具有以下突出特点：
- 改进了移动电话的功能，具有强大的支持虚拟现实的能力。
- 能够通过超可靠、高可用性和低延迟的连接远程控制物理基础设施、汽车和其他设备。
- 能够无缝地将大量传感器和设备连接到互联网（物联网），这对于工业4.0（智能工厂）非常有用。

网络连接器和其他网络组件

网络连接器用于将有线网络介质（如同轴电缆、双绞线、光纤等）连接到网络中的设备（如集线器、交换机、路由器、控制器、PC等），并用于终止一段网络电缆。常见的网络连接器包括：
- BNC连接器 ：用于同轴电缆，BNC是Bayone - Neill - Concelman的缩写。
- PROFIBUS连接器 ：通常与PROFIBUS电缆一起使用，用于通过PROFIBUS协议在设备之间建立通信。
- RJ45连接器 ：世界上最常见的网络连接器之一，RJ45是Registered Jack 45的缩写，通常用于双绞线电缆（CAT 5或CAT 6）。

其他网络组件包括：
- 交换机 ：连接网络中的不同设备（如PC、打印机等），使它们能够共享信息和资源。在工业自动化中，交换机可以连接两个或多个PLC、HMI、PC和其他自动化和控制设备，使它们能够相互通信。交换机分为两种类型：
- 非管理型交换机 ：无需任何配置即可工作，用于基本连接。
- 管理型交换机 ：需要进行配置以适应网络或需求，具有许多可配置、启用或禁用的安全功能，如Web认证、访问控制、VLAN和端口启用/禁用等，还允许对数据包进行统计分析，提供比非管理型交换机更多的特殊功能。
- 路由器 ：网络设备，用于在网络中从源到目的地路由数据包。通过交换机联网的设备可以通过路由器连接到互联网。路由器使用IP地址工作，可以连接两个或多个不同的网络或子网，而交换机使用媒体访问控制（MAC）地址工作，用于连接同一网络中的设备。路由器接收传入的数据包，进行分析并将其导向另一个网络。路由器分为无线和有线两种类型。
- 中继器 ：用于放大或增强信号强度，使信号能够以良好的质量传播更远的距离。此外，中继器还可以使不同的物理介质相互适配，例如将同轴电缆连接到光纤。

理解网络协议

网络协议是网络中两个或多个设备之间进行数据通信的方法，是一组为实现设备之间通信而必须遵守的规则。工业网络协议使工业网络设备（如PLC、HMI、VFD、PC、变送器、执行器等）能够进行通信，它涵盖了网络拓扑、网络介质、网络连接器等方面。

常见的工业网络协议可以分为有线和无线网络协议：
- 有线网络协议 ：
- 现场总线 ：一组用于实时分布式控制的工业网络协议，标准化为IEC 61158。其优点是减少了网络电缆的使用，支持多种网络拓扑（如总线、环型和星型），由于其简单性和可靠性，常用于工业网络。常见的现场总线协议包括Foundation Fieldbus H1、PROFIBUS、HART、DeviceNet、CC - Link、AS - i和Modbus RTU。
- 工业以太网 ：利用标准以太网协议进行过程控制和自动化的一组工业网络协议。具有高性能，能够轻松集成到办公室网络中。包括PROFINET、Foundation Fieldbus HSE、Ethernet/IP、Ethernet CAT和Modbus TCP/IP等协议。
- 无线网络协议 ：允许设备之间无需使用电线进行通信的一组协议，主要用于传感器和测量设备。常见的无线网络协议包括蓝牙、Wi-Fi和蜂窝通信。

通过对工业网络和通信协议的学习，我们可以更好地理解工业自动化系统中设备之间的通信方式，为实现高效、可靠的工业自动化控制奠定基础。

工业自动化：过程控制与网络通信基础（续）

常见工业网络协议详解

上文中提到了常见工业网络协议可分为有线和无线网络协议，下面对一些常见的工业网络协议进行更详细的介绍。

现场总线协议

• Foundation Fieldbus H1 ：是一种用于过程自动化的现场总线协议。它采用了数字化通信技术，能够在现场设备之间实现双向、多变量的通信。Foundation Fieldbus H1协议支持总线拓扑结构，一根总线上可以连接多个现场设备，大大减少了布线成本。同时，它还提供了设备管理功能，能够对现场设备进行远程配置、诊断和维护。
• PROFIBUS ：是一种广泛应用于工业自动化领域的现场总线协议。它具有高速、可靠、开放性好等特点，支持多种拓扑结构，如总线型、星型和环型。PROFIBUS协议分为PROFIBUS - DP（用于高速数据传输，主要用于连接PLC与分布式I/O设备）和PROFIBUS - PA（用于过程自动化，支持本质安全）两种类型。在实际应用中，PROFIBUS协议可以实现PLC与各种现场设备之间的快速数据交换，提高工业生产的自动化水平。
• HART ：即高速可寻址远程传感器数据公路，它是一种在模拟信号传输基础上叠加数字信号的通信协议。HART协议可以在不影响原有模拟信号传输的情况下，实现现场设备与控制系统之间的数字通信。它可以对现场设备进行远程配置、校准和诊断，同时还可以传输更多的过程变量信息。HART协议广泛应用于工业过程控制中的温度、压力、流量等传感器与控制器之间的通信。
• DeviceNet ：是一种基于CAN总线技术的现场总线协议。它具有成本低、安装方便、可靠性高等特点，主要用于连接工业自动化中的各种设备，如传感器、执行器、驱动器等。DeviceNet协议支持多主站通信方式，允许网络中的多个设备同时进行数据传输，提高了网络的通信效率。
• CC - Link ：是三菱电机开发的一种现场总线协议。它具有高速、大容量、开放性好等特点，支持多种拓扑结构，如总线型、星型和树型。CC - Link协议可以连接三菱电机的各种PLC、变频器、伺服驱动器等设备，实现设备之间的高速数据通信和协同控制。
• AS - i ：即执行器 - 传感器接口，是一种用于连接现场传感器和执行器的简单、经济的现场总线协议。它采用两线制通信方式，能够在一根电缆上同时传输电源和数据信号。AS - i协议适用于工业自动化中的各种简单控制场合，如生产线的启停控制、传感器信号采集等。
• Modbus RTU ：是一种串行通信协议，常用于工业自动化中的设备通信。它采用主从通信方式，一个主站可以与多个从站进行通信。Modbus RTU协议具有简单、可靠、易于实现等特点，广泛应用于各种工业设备之间的通信，如PLC与变频器、温控器等设备之间的通信。

工业以太网协议

• PROFINET ：是一种基于以太网技术的工业网络协议。它具有高速、实时性好、开放性强等特点，能够实现工业自动化设备之间的无缝通信。PROFINET协议支持多种拓扑结构，如总线型、星型和环型，并且可以与现有的以太网网络兼容。在工业自动化中，PROFINET协议可以用于连接PLC、HMI、机器人等设备，实现设备之间的高速数据传输和协同控制。
• Foundation Fieldbus HSE ：是Foundation Fieldbus协议的高速以太网版本。它采用了以太网技术，具有更高的通信速度和更大的数据传输容量。Foundation Fieldbus HSE协议支持星型拓扑结构，能够实现现场设备与控制系统之间的高速通信。同时，它还提供了设备管理和系统集成功能，方便用户对工业自动化系统进行管理和维护。
• Ethernet/IP ：是一种基于以太网和TCP/IP协议的工业网络协议。它具有开放性好、易于集成等特点，能够实现工业自动化设备与企业信息网络之间的无缝连接。Ethernet/IP协议支持多种拓扑结构，如总线型、星型和环型，并且可以与现有的以太网网络兼容。在工业自动化中，Ethernet/IP协议可以用于连接PLC、传感器、执行器等设备，实现设备之间的高速数据传输和远程监控。
• Ethernet CAT ：即以太网实时通信技术，是一种高速、实时的工业以太网协议。它采用了独特的通信机制，能够实现数据的高速传输和精确同步。Ethernet CAT协议支持多种拓扑结构，如总线型、星型和树型，并且可以与现有的以太网网络兼容。在工业自动化中，Ethernet CAT协议可以用于连接高速运动控制设备、机器人等，实现设备之间的高速数据传输和精确控制。
• Modbus TCP/IP ：是Modbus协议的以太网版本。它采用了TCP/IP协议，能够实现工业自动化设备与企业信息网络之间的无缝连接。Modbus TCP/IP协议具有简单、可靠、易于实现等特点，广泛应用于各种工业设备之间的通信，如PLC与服务器、监控系统等设备之间的通信。

无线网络协议

• 蓝牙 ：作为一种短距离无线通信技术，蓝牙协议在工业自动化中也有一定的应用。例如，在一些小型设备的调试和监控中，可以使用蓝牙技术实现设备与移动终端之间的通信。使用蓝牙进行通信时，首先需要确保设备支持蓝牙功能，并开启蓝牙配对模式。然后，在移动终端上搜索可用的蓝牙设备，选择要连接的设备进行配对。配对成功后，就可以在移动终端和设备之间进行数据传输。
• Wi - Fi ：是一种广泛应用的无线局域网技术。在工业自动化中，Wi - Fi可以用于实现设备之间的无线通信和远程监控。例如，在一些大型工厂中，可以部署Wi - Fi网络，使分布在不同区域的设备能够通过Wi - Fi连接到控制系统。使用Wi - Fi进行通信时，设备需要支持Wi - Fi功能，并连接到可用的Wi - Fi网络。在连接Wi - Fi网络时，需要输入正确的网络名称和密码。
• 蜂窝通信 ：包括2G、3G、4G和5G等技术，在工业自动化中可以用于实现设备的远程通信和数据传输。例如，在一些偏远地区或移动设备上，可以使用蜂窝通信技术将设备的数据传输到远程监控中心。使用蜂窝通信时，设备需要配备相应的蜂窝通信模块，并插入有效的SIM卡。设备会自动搜索可用的蜂窝网络，并连接到信号最强的基站。

总结与展望

工业自动化中的过程控制和网络通信是一个复杂而又关键的领域。过程控制中的传感器、变送器、控制器等设备的合理使用和配置，以及网络通信中的各种协议和拓扑结构的选择，都直接影响着工业自动化系统的性能和可靠性。

在未来，随着工业4.0和智能制造的发展，工业自动化将朝着更加智能化、网络化和集成化的方向发展。网络通信技术也将不断创新和发展，例如5G技术的广泛应用将为工业自动化带来更高的通信速度、更低的延迟和更大的连接容量。同时，工业网络协议也将更加标准化和开放化，不同厂家的设备之间将能够更加方便地进行通信和协同工作。

为了更好地适应未来工业自动化的发展趋势，我们需要不断学习和掌握过程控制和网络通信的相关知识和技术，提高自己的专业能力和综合素质。同时，我们还需要关注行业的最新动态和发展趋势，积极参与技术创新和应用实践，为推动工业自动化的发展做出自己的贡献。

通过对工业自动化中过程控制和网络通信基础知识的学习和掌握，我们可以更好地理解工业自动化系统的工作原理和运行机制，为实现高效、可靠的工业自动化控制提供有力的支持。

以下是对常见工业网络协议特点的总结表格：
| 协议类型 | 协议名称 | 特点 | 适用场景 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 现场总线协议 | Foundation Fieldbus H1 | 数字化通信、双向多变量、设备管理功能 | 过程自动化 |
| 现场总线协议 | PROFIBUS | 高速、可靠、开放性好，支持多种拓扑 | 工业自动化各领域 |
| 现场总线协议 | HART | 模拟信号叠加数字信号，可远程配置 | 工业过程控制传感器通信 |
| 现场总线协议 | DeviceNet | 基于CAN总线，成本低、安装方便 | 连接工业自动化设备 |
| 现场总线协议 | CC - Link | 高速、大容量、开放性好 | 三菱电机设备通信 |
| 现场总线协议 | AS - i | 两线制，简单经济 | 简单控制场合 |
| 现场总线协议 | Modbus RTU | 主从通信，简单可靠 | 工业设备通信 |
| 工业以太网协议 | PROFINET | 高速、实时、开放性强 | 工业自动化设备通信 |
| 工业以太网协议 | Foundation Fieldbus HSE | 高速以太网，设备管理和集成功能 | 现场设备与控制系统通信 |
| 工业以太网协议 | Ethernet/IP | 开放性好，易于集成 | 工业设备与企业网络连接 |
| 工业以太网协议 | Ethernet CAT | 高速实时，精确同步 | 高速运动控制设备 |
| 工业以太网协议 | Modbus TCP/IP | 基于TCP/IP，简单可靠 | 工业设备与服务器通信 |
| 无线网络协议 | 蓝牙 | 短距离，适用于小型设备 | 小型设备调试监控 |
| 无线网络协议 | Wi - Fi | 无线局域网，广泛应用 | 工厂设备无线通信 |
| 无线网络协议 | 蜂窝通信 | 远程通信，多种代际可选 | 偏远地区或移动设备 |

下面用mermaid流程图展示工业自动化设备通信协议选择的一般流程：

graph TD
    A[确定应用场景] --> B{是否为短距离通信}
    B -- 是 --> C{是否为小型设备}
    C -- 是 --> D[选择蓝牙协议]
    C -- 否 --> E{是否在工厂内部}
    E -- 是 --> F[选择Wi - Fi协议]
    E -- 否 --> G{是否需要远程通信}
    G -- 是 --> H[选择蜂窝通信协议]
    B -- 否 --> I{是否需要实时性高}
    I -- 是 --> J{是否为工业自动化设备}
    J -- 是 --> K[选择PROFINET或Ethernet CAT协议]
    I -- 否 --> L{是否为过程自动化}
    L -- 是 --> M[选择Foundation Fieldbus H1或HSE协议]
    L -- 否 --> N{是否为工业设备通信}
    N -- 是 --> O[选择PROFIBUS、Modbus RTU或TCP/IP协议]

通过以上内容，我们对工业自动化中的过程控制和网络通信有了更深入的了解，希望这些知识能够帮助大家在实际工作中更好地应用和选择合适的技术和协议。