現(xiàn)場總線技術及Profibus的概念以及相關的基礎知識

圖1-1：簡化的CIMS網(wǎng)絡體系結(jié)構

　1.1.2現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成是工廠自動化及CIMS不可缺少的重要部分。
　　現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設備單機控制、連機控制、通信連網(wǎng)、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設備運行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務，并將現(xiàn)場設備生產(chǎn)及運行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。同時也可接受工廠管理層下達的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)是實現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎。
　　1.1.3傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)
　　傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點之一是，現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。如圖1-2所示：

圖1-2：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)

　　1.1.4系統(tǒng)主要缺點
（1）信息集成能力不強：控制器與現(xiàn)場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設備參數(shù)、故障及故障紀錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強，不能完全滿足CIMS系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。
（2）系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強：除現(xiàn)場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)很少。
（3）可靠性不易保證：對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。
（4）可維護性不高：由于現(xiàn)場級設備信息不全，現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。
　　1.1.5現(xiàn)場設備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術的原形
　　由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機構、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設備智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。因此，對于這些智能現(xiàn)場設備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)控。如果設想全部或大部分現(xiàn)場設備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設備連接，完成對所有現(xiàn)場設備的監(jiān)控，這就是現(xiàn)場總線技術的初始想法。
　　1.2.4現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生
　　基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化通信，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡構成現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。
　　1.2現(xiàn)場總線技術概念
　　1.2.1現(xiàn)場總線技術
　　目前，公認的現(xiàn)場總線技術概念描述如下：現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。
或者，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
　　1.2.2現(xiàn)場總線技術產(chǎn)生的意義
（1）現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡通信技術；是一次工業(yè)現(xiàn)場級設備通信的數(shù)字化革命?，F(xiàn)場總線技術可使用一條通信電纜將現(xiàn)場設備（智能化、帶有通信接口）連接，用數(shù)字化通信代替4-20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設備控制、監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。
（2）傳統(tǒng)的現(xiàn)場級自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用一對一連線的、4-20mA/24VDC信號，信息量有限，難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自控系統(tǒng)成為工廠中的“信息孤島”，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。
（3）基于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通信技術，使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡，構成企業(yè)信息網(wǎng)絡底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。在CIMS系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線是工廠計算機網(wǎng)絡到現(xiàn)場級設備的延伸，是支撐現(xiàn)場級與車間級信息集成的技術基礎。