工业网络与现场总线技术教学课件全书电子讲义.pptx

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/6,#,#,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,#,#,Tianjin Sino-German Vocational Technical College,天津中德职业技术学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/6,#,#,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/6,#,#,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/6,#,#,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,#,#,Tianjin Sino-German Vocational Technical College,天津中德职业技术学院,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/6,#,#,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/6,#,#,#,1.1,现场总线的产生与发展,问题导入：,在某污水处理厂的调节池中，需要根据池中的水位高度以及酸碱度，来决定向池中投放药剂的多少。原本该项工作由人工来完成，现要对该污水处理厂进行升级改造，整个调节池改由,PLC,来控制，池中的水位高度以及酸碱度都由专门的传感器将测量值转化成模拟量电流信号送给,PLC,，调节池的药剂的投放也改由水泵来自动完成。思考一下，用,PLC,以及自带的,DI/DO,、,AI/AO,模块能否完成该系统的控制？,1.1.1,现场总线的定义,现场总线是伴随计算机通信技术发展起来的、应用在工厂自动化领域的一种工业数据通信总线。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线具有使用简单、经济可靠等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。,现场总线是由英文单词“,Fieldbus,”翻译过来的。众所周知，,bus,的本义是公共汽车，而公共汽车是一种连接城市内部各个站点以及城市与城市之间的专用交通工具，多在某个区域内穿梭，属于短途和中短途运输工具。而,field,的本义是指领域、田野、场地。因此，,Fieldbus,可以理解成在某一区域内运行的一种交通工具，在工业领域中就被翻译成了现场总线。日常生活中的,bus,和工业领域中的,bus,如图,1-1,和图,1-2,所示。,图,1-1,日常生活中的,bus(,人的连接,),图,1-2,工业领域中的,bus(,数据连接,),按照,1999,年，,IEC(,国际电工委员会，,International Electrotechnical Commission),给出的标准定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。因此，现场总线系统可以描述为以数字信号的传输替代了普通开关量信号及传统模拟量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化控制系统的全数字、双向、多站点的通信系统。,现场总线的出现对自动化领域的技术发展产生了重要影响，是当今该领域技术发展的热点之一，尤其近三十年来发展迅速，被誉为自动化领域的计算机局域网。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。,1.1.2,现场总线的产生,机械式检测仪表阶段：早在,20,世纪,50,年代之前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于初级发展阶段，所采用的是只具备简单测控功能的、直接安装在生产设备上的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系统，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。机械式检测仪表如图,1-3,所示。,电动化检测仪表阶段：随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，并按照这些信息对多个点实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如,0.0020.01MPa,的气压信号，,15V,直流电压信号，,010mA,、,420mA,的直流电流信号等，送往集中控制室，在控制柜上连接。操作人员坐在控制室就可以纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂控制系统。电气化检测仪表如图,1-4,所示。,图,1-3,机械式检测仪表,图,1-4,电气化检测仪表,DDC,系统的出现：由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，信号传输的抗干扰能力也较差，此外提高计算速度与精度的难度和开销都较大，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，于是出现了直接数字控制系统,(Direct Digit Control,，简称为,DDC,系统,),。由于早期的数字计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘，出现了集中式数字控制系统。但这种控制系统的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有控制回路瘫痪，因此这种系统结构很难为生产过程所接受。当然，随着数字计算机技术的飞速发展，,DDC,系统的可靠性已经有了很大的提升，目前，市场上也有许多直接数字控制器，多用在楼宇自动化系统,(Building Automation System,，简称,BAS),领域。,DDC,在楼宇自动化系统中的应用如图,1-5,所示。,图,1-5 DDC,在楼宇自动化系统中的应用,DCS,系统的出现：随着计算机技术的不断发展，计算机的可靠性不断提高、价格不断下降，于是出现了由数字调节器、可编程控制器、以及多个计算机递阶构成的集中分散相结合的集散控制系统，这就是今天正在被许多企业采用的,DCS,系统,(Distributed Control System,，集散控制系统，简称,DCS,系统,),。,DCS,系统属于模拟数字混合系统，其中测量变送仪表一般采用模拟信号，而控制器一般采用数字信号。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，在,DCS,系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备无法实现互联、互换与互操作，因而很难组成更大范围信息共享的网络系统。,DCS,系统的典型结构图如图,1-6,所示。,图,1-6 DCS,系统的典型结构图,现场总线控制系统的出现：新型的现场控制总线系统,(Fieldbus Control System,，简称,FCS,系统,),克服了,DCS,系统中采用专用网络所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化标准化的解决方案。这样可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，同时把,DCS,的模拟数字混合系统结构，变成了新型的全分布式网络系统结构。这里的全分布是指把控制功能彻底下放到现场，在生产现场实现,PID,等基本控制功能。这样做的好处是优化了控制系统中各个控制器的计算负荷，最大限度的提升了系统的运行效率。,FCS,系统的典型结构图如图,1-7,所示。,图,1-7 FCS,系统的典型结构图,FCS,既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统。例如在基于,IEC61131-3,的编程组态方法、人机界面操作站、远程,I/O,、热备冗余思想和方法、现场变送器和阀门定位器等仪表的两线制供电、本质安全防爆等方面都有详细的标准和规定。因此，,FCS,在技术层面相对于,DCS/PLC,产生了质的飞跃，超越了,DCS/PLC,的框架，也不适合再称之为“改进了的,DCS/PLC,”。,FCS,最深刻的改变是现场设备的数字化、智能化和网络化。,DCS,多为模拟数字混合系统，,FCS,是分步式网络自动化系统。,DCS,采用独家封闭的通信协议，,FCS,采用标准的通信协议。,DCS,属多级分层网络结构，,FCS,为分散控制结构。故,FCS,比传统,DCS,性能好，准确度高，误码率低。,FCS,相对于,DCS,组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。,FCS,与,DCS,之间的区别可通过表,1-1,中的内容进行对比。,性能,FCS,DCS,结构,一对多,:,一对传输线接多台仪表，双,向传输多个信号。,一对一,:,一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。,可靠性,可靠性好,:,数字信号传输抗干扰能力强，精度高。,可靠性差,:,模拟信号传输不仅精度低而且容易受干扰。,失控状态,操作员在控制室既可以了解现场设备过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中,操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故障，导致操作员对仪表处于“失控状态。,控制,控制功能分散在各个智能仪器中。,所有的控制功能集中在控制站中,互换性,用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现“即插即用,尽管模拟仪表统一了信号标准,(420mad),可是大部分技术参数仍由制造厂自定致使不同品牌的仪表互换性差。,仪表,智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力仪表,模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能,表,1-1 FCS,与,DCS,之间的区别,从现场总线技术的形成来看，它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果；而智能仪表为现场总线技术的应用奠定了基础。自,1983,年,Honywell,公司推出智能化现场仪表,ST-3000 100,系列变送器后，全球各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。为解决开发性资源的共享问题，从用户到厂商都强烈要求形成统一标准，这样极大促进了现场总线技术的发展。目前有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、,LonWorks,、,ProfiBus,、,CAN,、,HART,等，除,HART,外均为全数字化现场总线协议。,全数字化意味着取消模拟信号的传递方式，要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员能实时得到现场设备,(,传感器、执行器等,),各方面的情况,(,如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等,),，同时也能向现场发送指令,(,如设定值、量程、报警值等,),。此外，原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上，这样大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术的关键在于系统的开放性，强调对标准的共识与遵从，打破了传统生产厂家各自标准独立的局面，保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中，并且可以通过网关与其他系统共享资源。,1.1.3,现场总线的现状,工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求。而且，现场总线技术的发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约，技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。因此，不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准长期的现实世界。,由于各个国家各个公司的利益之争，很多公司都推出了其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。虽然早在,1984,年国际电工技术委员会,/,国际标准协会,(IEC/ISA),就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。目前现场总线市场有着以下的特点：,(1),多种总线并存,(2),应用领域各异,(3),国际组织与制造商干预,各种现场总线的技术特点和应用场合都不相同，如表,1-2,给出了典型现场总线的比较。,总线类型,技术特点,主要应用场合,价格,支持公司,FF,功能强大，本安，实时性好，总线供电,;,但协议复杂，实际应用少,流程控制,较贵,Honeywell,，,Rosemount,ABBFoxboro,，横河，山武等,WorldFIP,有较强的抗干扰能力，实时性好，稳定性好,工业过程控制,一般,Alstone,ProfibusPA,本安，总线供电，实际应用较多,;,但支持的传输介质较少，传输方式单一,过程自动化,较贵,Siemens,Profibus DP/EMIS,速度较快，组态配置灵活,车间级通讯、工业、楼宇自动化,一般,Siemens,InterBus,开放性好，与,PLC,的兼容性好，协议芯片内核由国外厂商垄断,过程控制,较便宜,独立的网络供应商支持,P-NET,系统简单，便宜，再开发简易，扩展性好,;,但响应较慢，支持厂商较少,农业、养殖业、,食品加工业,便宜,PROCES-DATA A/S,SwifiNet,安全性好，速度快,航空,较贵,Boeing,CAN,采用短帧，抗干扰能力强，速度较慢，协议芯片内核由国外厂商垄断,汽车检测、控制,较便宜,Philips,，,siemens,，,Honeywell,等,LonWorks,支持,OSI,七层协议，实际应用较多，开发平台完善，协议芯片内核由国外厂商垄断,楼宇自动化、工业、能源,较便宜,Echelon,表,1-2,典型现场总线的比较,1.1.4,现场总线的发展,随着计算机技术与网络技术的迅速发展，计算机集成制造系统具备了良好的实施基础。处于企业生产过程底层的测控自动化系统，如果继续采用模拟仪表，采用,DCS,模拟数字混合系统，就难以与外界交换信息，难以支持计算机集成制造系统的实施。现场总线系统是实现整个生产过程信息集成，实施综合自动化的重要基础，它适应了信息时代自动化系统智能化、网络化、综合自动化的发展需求。,现场总线最初是指现场设备之间公用的信号传输线，之后又被定义为应用在生产现场和测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。随着技术内容的不断发展和更新，现场总线已经成为控制网络技术的代名词。它在离散制造业、流程工业、交通、楼宇、国防、环境保护以及农、林、牧等各行各业的自动化系统中具有广泛的应用前景。,总结起来，现场总线呈现出以下发展趋势：,(1),现场总线的本质是信息处理现场化,一个控制系统，无论是采用,DCS,还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和管理信息。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。,(2),现场总线的实时性不断提高,对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这体现在以下三个方面：传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。这可以通过简化网络形式来实现，例如将通信模型简化为只有一、二层，实际上此时网络的结构已经由网状简化为线状。,响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是不仅由信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间决定，还需要考虑仪表或执行器控制中断的能力、等待网络空闲的时间、避免信息在网络上碰撞的时间等方面的因素。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。因此减少响应时间的不确定性，从而改善现场总线的实时性，是现场总线的重要发展趋势。,巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间，主要取决于节点的访问时间和网络管理、调度等能力。主要可以通过减少节点的访问时间来实现，将节点的信息简化到只有几比特，节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主,-,从方式轮询访问，如图,1-8,所示。只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。,图,1-8,主,-,从方式轮询访问示意图,随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十,ms,，过程控制对系统的实时性要求是几,ms,到十几,ms,。多媒体对实时性的要求相对较低，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是硬性的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。,(3),“一网到底”尚不可取,随着工业,4.0,概念的提出，无人化工厂也一度成为时代热词。但要想实现无人化，首先要实现全数字化，以此来保证所有的数据是可控制的、可诊断的。在这样的背景下，西门子公司首先提出了“基于以太网在工业中构建物联网”的概念，以太网作为一种成熟的网络通讯技术，在,IT,应用、商业领域已经形成绝对的统治性地位，而基于工业以太网协议，可以支持实时工业控制信号的传输，可见其可靠性毋庸置疑。作为一种开放性网络标准，工业以太网可以最高效、且最大程度地实现各种网络与网络之间的通信，并实现现场层、操控层、管理层的垂直管控架构的透明化数据通路。而这正是西门子工业通讯的构想与理念：“多网合一，一网到底。”让模拟信号、数模混合信号、各种现场总线、各种工业以太网和各种无线通讯都能统一起来，整体网络无论从横向，还是纵向看，都是无缝连接的，数据可以在此透明网络中自由的传输。,1.1.5,现场总线的特点,主要从结构和技术两个层面来描述现场总线的特点。,一、现场总线系统的结构特点,传统模拟控制系统在设备之间采用一对一的连线，测量变送器、控制器、执行器、开关、电机之间均为一对一物理连接。而在现场总线系统中，各现场设备分别作为总线上的一个网络节点，设备之间采用网络式连接是现场总线系统在结构上最显著的特征之一。在两根普通导线制成的双绞线上，挂接着几个、十几个自控设备,.,总线在传输多个设备的多种信号，如运行参数值、设备状态、故障、调校与维护信息等的同时，还可为总线上的设备提供直流工作电源。现场总线系统不再需要传统,DCS,系统中的模拟,/,数字、数字,/,模拟转换卡件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆、节省各种安装、维护费用创造了条件。图,1-9,比较了它们在结构上的区别。,图,1-9,模拟控制系统与数字化控制系统的结构区别,在现场总线系统中，由于设备增强了数字计算能力，有条件将各种控制计算功能模块、输入输出功能模块置入到现场设备之中。借助现场设备所具备的通信能力，直接在现场完成测量变送仪表与阀门等执行机构之间的信号传送，实现了彻底分散在现场的全分布式控制。,二、现场总线系统的技术特点,现场总线是控制系统运行的动脉、通信的枢纽，因而从技术方面应关注系统的开放性、互操作性、通信的实时性、以及对环境的适应性等问题。,(1),系统的开放性,系统的开放性体现在通信协议公开，不同制造商提供的设备之间可实现网络互连与信息交换。,(2),互操作性,指网络中互连的设备之间可实现数据信息传送与交换,。,(3),通信的实时性与确定性,现场总线系统的基本任务是实现测量控制,(4),对现场环境的适应性,现场总线系统工作在生产现场，应具有对现场环境的适应性。,感谢聆听！,1.2,工业网络与现代企业网络,问题导入：,工业网络与现场总线到底有何区别？工业以太网跟工业网络是一个概念吗？现代企业网络系统都包含哪些形式的网络？这么多工业网络有统一的标准吗？,1.2.1,工业网络的定义,工业网络,(Industrial networks),，是指安装在工业生产环境中的一种通信系统，它具有全数字化、双向、多站的特点。从定义上看，工业网络与现场总线的概念并没有明显的差别，事实上，这两个概念在很多场合都被直接划上了等号。从广义上讲，现场总线就是应用在工业领域的网络，是工业自动化向信息化发展的结果，是自下而上的。从狭义上讲，现场总线主要是指应用在控制层与现场设备层的数字通信网络，所以又叫工业控制网络,(Industrial control network),。而狭义上的工业网络主要是指工业以太网,(Industrial Ethernet),，是将,TCP/IP,为代表的以太网应用于工业领域，是信息化向工业自动化发展的结果，是自上而下的。但从广义上讲，工业网络也包括控制层和设备层的各种通信网络。他们之间的关系可以通过图,1-10,来表示。,图,1-10,工业网络、现场总线、工业以太网之间的关系,现有的工业网络根据其应用场合的不同可以分为以下几类,:,(1)EnterpriseNet:,企业的骨干网络，一般为,Ethernet TCP/IP,。,(2)ControlBus:,提供高阶控制设备,(,例如,PLC,，,CNC),间的对等网络通信,(Peer-to-Peer),，例如,ControlNet,。,(3)FieldBus:,通常是架构在,Devicebus,之上，用来传输大批量的数据，但传输速度较慢。有的也提供一些设备终端控制的功能，例如,WorldFIP,、,Foundation Fieldbus,、,Profibus-PA,。,(4)DeviceBus:,它界定的范围最广，只要是能对网络化设备提供通信或诊断功能的都属于这种类型。例如,CANOpen,、,DeviceNet,、,LonWorks,、,Profibus-DP,。,(5)SensorBus:,低阶网络，通常用来连接低阶的传感器、执行器等现场设备，传输数据量最少，例如,AS-i,、,Interbus-S,。,上述五类工业网络中，第,1-2,类属于工业以太网范畴，第,2-4,类属于现场总线范畴，第,5,类由于并非完全数字化通信，严格意义上并不属于现场总线，但也是一种工业网络。,1.2.2,工业以太网的定义,如果把现场总线比喻成公路交通，那么工业以太网就可以比喻成铁路交通，它具有更加统一的通信标准、更快的通信速度、更远的通信距离，以及更大的数据承载量。同样，与铁路很难实现“家门到家门”一样，工业以太网也同样较难实现现场节点到现场节点。,所谓工业以太网，是一种在技术上与商用以太网,(IEEE802.3,标准,),兼容的区域和单元网络，但同时它在材质的选用、产品的强度和适用性方面又能满足工业现场的需要。目前工业以太网主要应用在企业内部互联网,(Intranet),，外部互联网,(Extranet),，以及国际互联网,(Internet),等领域，而且随着其可靠性的提升，工业以太网不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化领域。并且，继,10M,波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的,100M,波特率快速以太网,(Fast Ethernet,，符合,IEEE 802.3u,的标准,),也已成功运行多年。,工业以太网技术的优点表现在：良好的兼容性和扩展性，使其易于与,Internet,连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；可持续发展的空间大等等。,一个工业以太网系统应以下三类网络器件：网络部件,(,工业,PC,、,PLC,、办公,PC,等,),、连接部件,(,路由器、网关、交换机等,),、以及通信介质,(,双绞线、屏蔽双绞线、光纤等,),。当以太网用于信息技术时，应用层包括,HT-TP,、,FTP,、,SNMP,等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。可惜的是，到目前为止，还没有统一的应用层协议，但有,4,种主要协议,:HSE,、,Modbus TCP/IP,、,ProfINet,、,Ethernet/IP,已经开发出相应产品并受到广泛支持。,1.2.3,现代企业网络系统的结构,图,1-11,是以现场总线为基础的企业网络系统示意图。该系统按功能结构划分为以下三个层次：企业资源规划层,ERP(Enterprise Resource Planning),、制造执行层,MES(Manufacturing Execution System),以及现场控制层,FCS(Field Control System),。通过各层之间的网络连接与信息交换，构成完整的企业网络系统。,图,1-11,以现场总线为基础的企业网络系统示意图,企业网络系统早期的结构比较复杂，功能层次较多，包括控制、监控、调度、计划、管理、经营决策等。随着互联网技术的发展和普及，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。下层为现场总线所处的现场控制层,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，都分配在中间的执行层,MES,中。,由于,ERP,与,MES,功能大多采用以太网技术构成信息网络，网络节点多为各种计算机及外设。随着互联网技术的发展，,ERP,与,MES,层之间的网络集成和它们与外界互联网之间的信息交互问题得到了较好解决，其信息集成相对比较容易。,图,1-11,中,PROFIBUS,等现场总线网段与工厂现场设备连接，构成现场控制层,FCS,，它是企业网络的基础。目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，有形形色色的现场总线，再加上,DCS,、,PLC,、,SCADA,等，本层网络内部的通信一致性很差。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。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较大，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。,图,1-12,为企业网络系统各功能层次的信息传递示意图。可把它视为图,1-11,的简化形式。从图中可以看到，除现场控制层,FCS,之外，上层的,ERP,和,MES,都采用以太网。图,1-12,清楚的描绘了各层的网络类型、网络节点设备、信息传递的流向等。,图,1-12,企业网络系统各功能层次信息传递示意图,1.2.4,多种工业控制网络的集成,随着技术的不断发展，现场总线不再只局限于数据通信的技术范畴，各种控制功能块、控制网络的网络管理、系统管理内容的不断扩充，使现场总线系统逐渐成为网络系统与自动化系统的结合体，形成了控制网络技术。而现场总线控制网络与互联网的结合，使控制网络又进一步拓宽了作用范围。,控制网络由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而构成。它采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。图,1-13,为简单控制网络的示意图。这是一个位于生产现场的网络系统，网络在各控制设备之间构筑起沟通数据信息的通道，在现场的多个测量控制设备之间、以及现场设备与监控计算机之间，实现工业数据通信。这又是一个以网络为支撑的控制系统，依靠网络在传感侧量、控制计算、执行器等功能模块之间传递输入输出信号，构成完整的控制系统，完成自动控制的各项任务。,图,1-13,简单控制网络示意图,相对普通计算机网络系统而言，控制网络的组成成员种类比较复杂。除了作为普通计算机网络系统成员的各类计算机、工作站、打印机、显示终端之外，大量的网络节点还包括各种可编程控制器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等，其中大部分节点的智能程度远不及计算机。有的现场控制设备内嵌有,CPU,、单片机或其他专用芯片，有的只是功能相当简单的非智能设备。,控制网络是一种比较特殊的计算机网络。它应用于生产现场，是用于完成自动化任务的网络系统。其应用涉及范围很广，例如离散、连续制造业，交通、楼宇、家电，甚至农、林、牧、渔等行业。其网络规模可以从两三个数据节点到成千上万台现场设备。一个汽车组装生产线可能有多达,25,万个,I/O,节点，石油炼制过程中的一个普通装置也会有上千台测量控制设备。由它们组成的控制网络，其规模相当可观。,控制网络的出现，使自动化系统原有的信息孤岛的僵局发生了转变，为工业数据的集中管理与远程传送，为自动化系统与其他信息系统的沟通创造了条件。控制网络与办公网络、,Internet,的结合，拓宽了控制系统的视野与作用范围。为实现企业的管理控制一体化、实现远程监视与操作提供了基础条件。让操作远在数百公里之外的电气开关、在某些特定条件下建立无人值守机站等成为了可能。,控制网络的出现，导致了传统控制系统结构的变革，形成了以网络作为各组成部件之间信息传递通道的新型控制系统，即网络化控制系统,NCS,。网络成为这种新型控制系统各组成部分之间信息流动的命脉，网络本身也成为控制系统的组成环节之一。,控制网络改变了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。网络化控制系统则借助网络在传感器、控制器、执行器各单元之间传递信息，通过网络连接形成控制系统。如图,1-14,所示比较了网络化控制系统与传统控制系统的结构。这种网络化的连接方式简化了控制系统各部分之间的连线关系，为系统设计、安装、维护带来很多方便。,图,1-14,网络化控制系统与传统控制系统的结构比较,从以上讨论可以看到，无论从哪个角度看，现场总线系统都处于企业网络的底层，或者说，它是构成企业网络的基础。,现场总线系统在企业网络中的作用主要是为了自动化系统传递数字信息，借助现场总线把控制设备连接成控制系统。它所传递的数字信息主要包括生产运行参数的测量值、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，他们是企业信息的重要组成部分。,企业的管理控制一体化系统需要控制信息的参与，生产的优化调度需要实现装置间的数据交换，需要集成不同装置的生产数据。这些都要求在现场控制层内部，在,FCS,与,MFS,、,ERP,各层之间，能实现数据传输与信息共享。现场总线系统在实施生产过程控制、为企业网络提供、传输、集成生产数据方面，发挥着重要作用。,由于现场总线系统所处的特殊环境及所承担的实时控制任务，现场总线技术是普通局域网、以太网技术所难以取代的，因而它至今依然保持着在现场控制曾的地位和作用。但是它需要与上层的信息网络、与外界的互联网实现信息交换，以拓宽控制网络的作用范围，实现企业的管理控制一体化。,目前，控制网络与上层网络的连接方式一般有以下三种：一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或,DCS,连接到以太网上。图,1-15,画出了通过网关连接控制网段与上层网络的示意图。二是将现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。图,1-16,中采用现场总线的,PCI,卡，实现控制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直接应用于现场设备的结果，但它需要有一直延伸到生产底层的以太网支持。正是因为控制设备内嵌,WEB,服务器，使得控制网络的设备有条件直接通向互联网，与外界直接沟通信息。,现场总线系统与上层信息网络的连接，使互联网信息共享的范围延伸到设备层，同时也拓宽了测量控制系统的视野与工作范围，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询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；在办公室查看并操作家中的各类电器等等。,图,1-15,现场总线控制网段与信息网络之间的网关连接,图,1-16,采用,PCI,卡连接控制网段与上层网络,1.2.5,现场总线的各种标准,自上世纪六七十年代开始，欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力，研究开发现场总线技术，出现了百花齐放、兴盛发展的态势。据说，世界上已出现各式各样的现场总线,100,多种，其中宣称为开放型总线的就有,40,多种。有些已经在特定的应用领域显示了各自的特点和优势，表现了较强的生命力。出现了各种以推广现场总线技术为目的的组织，如,PROFIBUS,协会，,LonMark,协会，现场总线基金会,(Fieldbus Foundation),，工业以太网协会,IEA(Industrial EtherNet Association),，工业自动化开放网络联盟,IAONA(Industrial Automation OpenNetwork Alliance),等。并形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准。这种多标准现状的本身就违背了标准化的初衷。标准的一致性无疑会有益于用户，有益于促进该项技术本身的发展。形形色色的现场总线使数据通信与网络连接的一致性不得不面临许多问题。,国际标准化组织,ISO,、,IEC,都卷入了现场总线标准的制定。最早成为国际标准的是,CAN,，它属于,ISO-11898,标准。但,IEC/TC65,主持的制定现场总线标准的工作历经了,20,多年的坎坷。其负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作的,SC65C/WG6,，是最先开始现场总线标准化工作的组织。它于,1984,年就开始着手总线标准的制定，初衷是致力于推出世界上单一的现场总线标准。作为一项数据通信技术，单从应用需要与技术特点的角度，统一通信标准应该是首选。但由于行业、地域发展历史和商业利益的驱使，以及种种经济、社会的复杂原因，总线标准的制定工作并非一帆风顺。,IEC,现场总线物理层标准,IEC61158-2,诞生于,1993,年，从数据链路层开始，标准的制定一直处于混乱状态。在历经了波及全球的现场总线标准大战之后，迎来的依然是多种总线并存的尴尬局面。,IEC,于,2000,年初宣布：由原有的,IEC61158,；,ControlNet,；,PROFIBUS,；,P-Net,；,HighSpeedEtherNet,；,Newcomer SwiftNet,；,WorldFIP,；,Interbus-S,八种现场总线标准共同构成,IEC,现场总线国际标准子集。,而近两年正在进行的实时以太网的标准化进程又重蹈覆辙，有,11,个基于实时以太网的,PAS,文件,(PASCAL,源程序文件,),进入了,IEC61784-2,，它们是：,EtherNet/IP,，,PROFINET,，,P-Net,，,Interbus,，,VNET/IP,，,TCnet,，,EtherCAT,，,EtherNet Powerlink,，,EPA,，,Modbus-RTPS,，,SERCOS-III,。这些结果都违背了当初制定单一现场总线标准的初衷，令人无奈的多种总线并存依然是今后相当长一段时期不得不面对的现实。,相比较而言，,IEC/17B,的工作要顺利得多。它负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准，即,IEC 62026,国际标准已经通过。该标准包括,ASI,，,DeviceNet,，,SDS(Smart Distributed System),，,Seriplex,。,在国际标准组织制定各种现场总线标准的同时，各个国家和地区也在纷纷制定自己的现场总线标准。例如：丹麦国家标准,DSF21906,：,P-Net,、德国国家标准,DIN19245(1-4),：,ProfiBus-FMS/ProfiBus-DP/ProfiBus-PA,、法国国家标准,FIPC46601-607,：,WorldFIP,、日本,JEMA,标准,CC-Link,、美国国家标准,ANSI/NEMA,以等同方式支持的,ISA/IEC,标准草案、欧洲标准,EN50254(CLC65CX),、欧洲标准,EN50295(CLCTC17B),等等。,中国也早在上世