Ethernet與現場總線器

1 引 言

處于全球市場之中的工業(yè)生產為了適應市場競爭的需要，在追求競爭力的過程中逐漸形成了計算機集成制造系統。計算機集成制造系統采用系統集成、信息集成的觀點組織生產，把市場、生產計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務看作要統一考慮的生產過程，并采用計算機、自動控制、網絡通信等技術來實現整個過程的綜合自動化，以改善生產加工、管理決策等。為了實現這個目標，必須要將企業(yè)內現場控制、過程監(jiān)控、經營管理、市場管理等各層次智能設備互聯成綜合自動化網絡，實現各層次的住處匯通和數據共享，即實現工業(yè)企業(yè)的“管控一體化”。

為此，企業(yè)首先必須對各種企業(yè)資源建立完善的管理網絡，使各方面資源充分調配、平衡和控制，最大限度地發(fā)揮其能力;其次，必須形成市場、經營、生產和研發(fā)之間緊密的協作鏈。

工業(yè)控制網絡作為工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統的基礎，從結構上看可分為三個層次：即管理層、監(jiān)控層和現場設備層。如圖一所示。其中，最上層的企業(yè)管理層網絡，主要用于企業(yè)的計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業(yè)的經營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設備之間一般以發(fā)送電子郵件、下載網頁、數據庫查詢、打印文檔、讀取文件服務器上的計算機程序等方式進行信息的交換，數據報文通常都比較長，吞吐量較大，而且數據通信的發(fā)起是隨機的、無規(guī)則的，因為要求網絡必須具有較大的帶寬。管理層網絡主要由快速Ethernet(100M、1G、10G等)組成。中間的制造執(zhí)行層網絡主要用于監(jiān)控、優(yōu)化、調度等方面信息的傳輸，其特點是信息傳輸具有一定的周期性和實時性，數據吞吐量較大，因此要求網絡具有較大的帶寬，以前由專用網絡如令牌網組成，召集這一層網絡則 主要由傳輸速率較高的網段(如10M、100MEthernet等)組成。

而最底層的現場設備層網絡，與變送器、執(zhí)行機構等現場設備相連，采集現場數據，并將控制數據送入設備。它與以傳遞信息為主要目標的郵電通信技術以及其它信息網絡技術相比，具有一些特殊性。由于工業(yè)自動控制網絡通信的最終目的是通過傳遞測量和控制數據及相關信息，產生或引發(fā)物質或能量的運動和轉換，因此這種網絡通信技術具有以下特殊性：

① 數據傳輸的及時性和系統響應的實時性：通常,制造自動化系統的響應時間要求在0.01—0.5s,過程控制系統的響應時間為0.5—2S。而信息網絡的響應時間則是2—6S。顯然，工業(yè)通信網絡的實時性要求高得多。

② 高可靠性：工業(yè)通信網絡強調在工業(yè)環(huán)境下數據傳送的完整性，對于工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產現場的通信網絡，必須解決環(huán)境適應性問題它包括電磁 環(huán)境適應性或電磁兼容性EMC、氣候環(huán)境適應性(要耐溫、防水、防塵)、機械環(huán)境適應性(要耐沖擊、耐振動)。在易爆或可燃的場合，它應具有本質安全的性能。

③ 工業(yè)通信網絡需要解決不同廠商的產品和系統在網絡上相互兼容 的問題，強調 互可操作性，因此它在現代通信系統所基于的ISO/OSI“開放系統互連的參考模型”上，加了用戶層，通過標準功能塊和裝置描述(DD)功能來解決這種完整的開放性通信。

④ 總線供電。工業(yè)現場控制網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

⑤ 廣播、多播與單播通信方式：工業(yè)通信網絡把公散的單一用戶(變送器、執(zhí)行器、控制器或控制系統等)接入某個系統，其通信方式常使用廣播方式、多組方式或基于客戶/服務器的單播方式。在IT網絡中一個自主系統與另一個自主系統只在需要通信時建立一對一的方式。

⑥ 現場控制層設備間傳輸的信息長度都比較小。這些信息包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態(tài)、設備的資源與維護信息、系統組態(tài)、參數修改、零點與量程調校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位(bit)或幾個、十幾、幾十個字節(jié)(byte)，對網絡傳輸的吞吐量要求不高。

正是由于以上特點和特殊性，目前現場設備層網絡主要由低速現場總線網絡(如FF、Profibus、DeviceNet等)組成。

2、現場總線的產生與發(fā)展回顧

所謂現場總線，按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置之間、以及現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線。以現場總線為基礎而發(fā)展起來的全數字控制系統稱作現場控制系統(FCS)。

現場總線的生產是多方面因素共同作用的結果。

現場總線的生產首先反映了儀器儀表本身發(fā)展的需要。儀器儀表的發(fā)展經歷了全模擬式儀表、智能儀表、具有通信功能的智能儀表、現場總線儀表等幾個階段。其中，全模擬式儀表是將傳感器信號進行調理放大后，經過V/I電路轉換，輸出4—20mA或0—5V的模擬信號。其后隨著計算機技術的發(fā)展，微處理器在儀器儀表中得到了廣泛應用，過程變量經調理放大、A/D采樣，轉換為數字信號，并經過微處理器的運算、補償等處理后，再通過D/A、V/I等電路，仍然以4—20mA或0—5V的模擬信號輸出，這種智能儀表相對于全模擬儀表來講，測量精度得到大大提高，但信號傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾，傳輸精度和可靠性都不高。于是，人們在儀器儀表中增加了通信接口(如RS232/485等)，以數字通信的方式代替模擬信號傳輸。但由于這些通信標準只規(guī)定了物理層上的電氣特性，而對于數據鏈路層及其以上各高層協議規(guī)范，則沒有統一定義，致使不同生產廠家的儀器儀表由于通信協議的專有與不兼容而無法實現相互之間的信息互訪。為解決這個問題，必須使這些網絡的通信標準進行統一，組成開放互連系統，于是就產生了現場總線。其次，現場總線的產生也反映了企業(yè)管控一體化信息集成的要求。

因此，從20世紀80年代開始，各種現場總線相繼產生，其中主要的有：基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制局域網絡CAN(Controller Area Network)、局部操作網絡Lon Works(Local Operating Network)、過程現場總線PROFIBUS(Process FieldBus)和HART協議(Highway Addressable Remote Transducer)以及DeviceNet、ControlNet、P-NET,等等。