下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。现场总线网络和Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议做了简化，一般只包括ISO/OSI七层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。此外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，企业网络信息集成系统应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。
基于上述考虑，统一的企业网络信息集成系统应具有3层结构，企业网络信息集成系统的层次结构如图1-5所示，自底向上依次为：过程控制层（Process Control System, PCS）、制造执行层（Manufacture Execute System, MES）、企业资源规划层（Enterprise Resource Planning, ERP）。
图1-5 企业网络信息集成系统的层次结构
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，遵循ISO的OSI参考模型的全部或部分通信协议。现场总线控制系统则是用开放的现场总线控制通信网络将自动化生产中最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。
依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能。智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。此外，总线上应有PLC接口，便于连接原有的系统。
现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。常见的现场总线网络拓扑结构有以下几种。
（1）环形网
其特点是时延确定性好，重载时网络效率高，但轻载时等待令牌产生不必要的时延，传输效率下降。
（2）总线网
其特点是节点接入方便，成本低。轻载时时延小，但网络通信负荷较重时时延加大，网络效率下降。此外传输时延不确定。
（3）树形网
其特点是可扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便。
（4）令牌总线网
结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。这样，网络传输时延确定无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。
过程控制层通信介质不受限制，可用双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线、红外线等各种形式。
这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。制造执行层的功能一般由上位计算机完成，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信，或者通过专门的现场总线接口（转换器）实现现场总线网段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。制造执行层除上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境，如实时数据库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等。
企业资源规划层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递。这样，企业各个实体将能够不受地域的限制监视与控制工厂局域网里的各种数据，并对这些数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。目前，远程监控实现的途径就是通过Internet，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。
在整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网络模型的核心，只有确保总线设备之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息并实现监控功能。当前对现场总线的讨论大多停留在底层的现场智能设备网段，但从完整的现场总线控制网络模型出发，应更多地考虑现场设备层与中间监控层、Internet应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集成。
现场总线与数据网络相比，主要有以下特点。
1）现场总线主要用于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视与控制，或实现“家庭自动化”等；数据网络则主要用于通信、办公，提供如文字、声音和图像等数据信息。
2）现场总线和数据网络具有各自的技术特点：控制网络信息/控制网络最低层，要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据传输量一般较小；数据网络则需要适应大批量数据的传输与处理。
3）现场总线采用全数字式通信，具有开放式、全分布、互操作性等特点。
4）在现代生产和社会生活中，这两种网络将具有越来越紧密的联系。两者的不同特点决定了它们的需求互补以及它们之间需要信息交换。控制网络信息与数据网络信息的结合，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，可以更好地调度和优化生产过程，提高产品的产量和质量，为实现控制、管理、经营一体化创造了条件。现场总线与管理信息网络特性比较见表1-8。
表1-8 现场总线与管理信息网络特性比较
国际标准化组织（ISO）提出的OSI参考模型是一种七层通信协议，该协议每层采用国际标准，其中，第1层是物理介质层，第2层是数据链路层，第3层是网络层，第4层是数据传输层，第5层是会话层，第6层是表示层，第7层是应用层。现场总线体系结构是一种实时开放系统，从通信角度看，一般是由OSI参考模型的物理介质层、数据链路层、应用层3层模式体系结构和通信媒质构成的，如Bitbus、CAN、WorldFIP和FF现场总线等。另外，也有采用在前3层基础上再加数据传输层的4层模式体系结构，如PROFIBUS等。但LonWorks现场总线却比较独特，它是采用包括全部OSI协议在内的七层模式体系结构。
现场总线作为低带宽的底层控制网络，可与Internet及Intranet相连，它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议。由于现场总线的开放性，不同设备制造商提供的遵从相同通信协议的各种测量控制设备可以互连，共同组成一个控制系统，使得信息可以在更大范围内共享。
现场总线控制网络处于企业网络的底层，或者说，它是构成企业网络的基础。而生产过程的控制参数与设备状态等信息是企业信息的重要组成部分。企业网络各功能层次的网络类型如图1-6所示。从图中可以看出，除现场的控制网络外，上面的ERP和MES都采用以太网。
企业网络系统早期的结构复杂，功能层次较多，包括从过程控制、监控、调度、计划、管理到经营决策等。随着互联网的发展和以太网技术的普及，企业网络早期的TOP/MAP式多层分布式子网的结构逐渐被以太网、FDDI主干网所取代。企业网络系统的结构层次趋于扁平化，同时对功能层次的划分也更为简化。底层为控制网络所处的现场控制层（FCS），最上层为企业资源规划层（ERP），而将传统概念上的监控、计划、管理、调度等多项控制管理功能交错的部分，都包罗在中间的制造执行层（MES）中。图中的ERP与MES功能层大多采用以太网技术构成数据网络，网络节点多为各种计算机及外设。随着互联网技术的发展与普及，在ERP与MES层的网络集成与信息交互问题得到了较好的解决。它们与外界互联网之间的信息交互也相对比较容易。
控制网络的主要作用是为自动化系统传递数字信息。它所传输的信息内容主要是生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。企业的管理控制一体化系统需要这些控制信息的参与，优化调度等也需要集成不同装置的生产数据，并能实现装置间的数据交换。这些都需要在现场控制层内部，在FCS与MES、ERP各层之间，方便地实现数据传输与信息共享。
图1-6 企业网络各功能层次的网络类型
目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，本层网络内部的通信一致性很差，个异性强，有形形色色的现场总线，再加上DCS、PLC、SCADA等。控制网络从通信协议到网络节点类型都与数据网络存在较大差异。这些差异使得控制网络之间、控制网络与外部互联网之间实现信息交换的难度加大，实现互连和互操作存在较多障碍。因此，需要从通信一致性、数据交换技术等方面入手，改善控制网络的数据集成与交换能力。
由于现场总线所处的特殊环境及所承担的实时控制任务是普通局域网和以太网技术难以取代的，因而现场总线至今依然保持着它在现场控制层的地位和作用。但现场总线需要同上层与外界实现信息交换。
目前，现场总线与上层网络的连接方式一般有三种。一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把现场总线网段或DCS连接到以太网上，图1-7为通过网关连接现场总线网段与上层网络的示意图。二是将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PC的PCI插槽内，在PC内完成数据交换，在图1-8中采用现场总线的PCI卡，实现现场总线网段与上层网络的连接。三是将Web服务器直接置入PLC或现场控制设备内，借助Web服务器和通用浏览工具实现数据信息的动态交互。这是近年来互联网技术在生产现场直接应用的结果，但它需要有一直延伸到工厂底层的以太网支持。正是因为控制设备内嵌Web服务器，使得现场总线的设备有条件直接通向互联网，与外界直接沟通信息。而在这之前，现场总线设备是不能直接与外界沟通信息的。
图1-7 通过网关连接现场总线网段与上层网络
图1-8 采用PCI卡连接现场总线网段与上层网络
现场总线与互联网的结合拓宽了测量控制系统的范围和视野，为实现跨地区的远程控制与远程故障诊断创造了条件。人们可以在千里之外查看生产现场的运行状态，方便地实现偏远地段生产设备的无人值守，远程诊断生产过程或设备的故障，在办公室查询并操作家中的各类电器等设备。
应用现场总线要适合企业的需要，选择现场总线应考虑以下因素。
1）适应工业控制应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。
2）网络传输的是测控数据及其相关信息，因而多为短帧信息，传输速率低。
3）用户从满足应用需要的角度去选择、评判。
国际、国家、地区、企业标准。
支持的介质；网络拓扑；最大长度/段；本质安全；总线供电；最大电流；可寻址的最大节点数；可挂接的最大节点数；介质冗余等。
传输速率；时间同步准确度；执行同步准确度；媒体访问控制方式；发布/预订接收能力；报文分段能力（报文大小限制，最大数据/报文段）；设备识别；位号名分配；节点对节点的直接传输；支持多段网络；可寻址的最大网段数。
功能块；应用对象；设备描述。
供应商供货的成套性、持久性、地区性、产品互换性和性能价格比。
一致性测试；互操作测试机制。