摘要：文章介紹了現(xiàn)場總線技術在工控系統(tǒng)中應用的特點及現(xiàn)場總線條件下控制網(wǎng)絡的分層結構，同時探討了控制網(wǎng)絡間及控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡集成的問題。
　　
　　計算機與通信技術結合產生了計算機網(wǎng)絡后，企業(yè)管理部門間通信都以網(wǎng)絡為中介，實現(xiàn)了信息與資源共享。同時，信息技術的發(fā)展也引起了自動化結構的變革，逐步形成以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)。Fieldbus（現(xiàn)場總線）就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術，它是計算機網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)結合的必然產物，它的出現(xiàn)標志著工業(yè)控制領域又一個新時代的開始。
　　
　　現(xiàn)場總線是對DCS（集散控制系統(tǒng)）的拓展，突破了DCS相對封閉的限制，它將測控任務分散到現(xiàn)場設備中，上位計算機只負責監(jiān)控以及一些復雜的優(yōu)化和*控制的功能。現(xiàn)場總線是工廠底層信息及數(shù)據(jù)傳遞的主體，在整個工廠的控制網(wǎng)絡中，現(xiàn)場總線處于重要的基礎地位。自80年代末以來，國外相繼出現(xiàn)了一些有影響的現(xiàn)場總線標準，如：基金會現(xiàn)場總線（FF，F(xiàn)oundationFieldbas）、lonWork總線、Profibus、CAN控制局域網(wǎng)等，它們大都是在各公司標準的基礎上逐漸形成的，在今后一段時期內，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標準共存的局面。現(xiàn)在一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線通信協(xié)議的標準已經形成，真正的開放互連系統(tǒng)，是大勢所趨。
　　
　　1、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點
　　
　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS）相比，有以下特點：
　　
　　1.1 總線式結構
　　
　　一對傳輸線（總線）掛接多臺現(xiàn)場設備，雙向傳輸多個數(shù)字信號。這種結構比一對一的單向模擬信號傳送結構布線簡單，安裝費用低，維護簡便。
　　
　　1.2 開放互操作性
　　
　　現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡，對用戶是透明的，在傳統(tǒng)的DCS中，不同廠家的設備是不能相互訪問的。而FCS采用統(tǒng)一的標準，不同廠家的網(wǎng)絡產品可以方便地接入同一網(wǎng)絡，集成在同一控制系統(tǒng)中進行互操作，因此簡化了系統(tǒng)集成。
　　
　　1.3 *的分散控制
　　
　　現(xiàn)場總線將控制功能下放到作為網(wǎng)絡節(jié)點的現(xiàn)場智能儀表和設備中，做到*的分散控制，提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了控制站CPU的計算負擔。
　　
　　1.4 信息綜合、組態(tài)靈活
　　
　　通過數(shù)字化傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS能獲取現(xiàn)場儀表的各種狀態(tài)、診斷信息，實現(xiàn)實時的系統(tǒng)監(jiān)控和管
　　
　　理。此外，F(xiàn)CS引入了功能塊的概念，通過統(tǒng)一的組態(tài)方法，使系統(tǒng)組態(tài)簡單靈活，不同現(xiàn)場設備中的功能塊可以構成完整的控制回路。
　　
　　1.5 多種傳輸媒介和拓撲結構
　　
　　FCS由于采用數(shù)字通訊方式，因此可用多種傳輸介質進行通信。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況，可應用多種網(wǎng)絡拓撲結構。這種傳輸介質和網(wǎng)絡拓撲結構的多樣性給自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方便，據(jù)統(tǒng)計，F(xiàn)CS與傳統(tǒng)DCS的主從結構相比，只計算布線工程一項即可節(jié)省40％的經費。
　　
　　2、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡模型
　　
　　現(xiàn)場總線本質上是一種控制網(wǎng)絡，因此網(wǎng)絡技術是現(xiàn)場總線的重要基礎。和Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡不同，控制網(wǎng)絡直接面向生產過程，因此要求很高的實時性、可靠性、數(shù)據(jù)完整性和可用性。為滿足這些特性，現(xiàn)場總線對標準的網(wǎng)絡協(xié)議作了簡化，一般只包括ISO／OSl7層模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。此外，現(xiàn)場總線還要完成與上層工廠信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳遞。綜合自動化是現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展方向，在完整的企業(yè)網(wǎng)構架中，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型應涉及從底層現(xiàn)場設備網(wǎng)絡到上層信息網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸過程。
　　
　　基于上述考慮，統(tǒng)一的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型應具有三層結構，從底向上依次為：現(xiàn)場智能設備層、現(xiàn)場總線監(jiān)控層、遠程監(jiān)控層。
　　
　　2.1 現(xiàn)場智能設備層
　　
　　依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標準，智能設備采用功能塊的結構，通過組態(tài)設計，完成數(shù)據(jù)采集、A／D轉換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能。智能轉換器對傳統(tǒng)檢測儀表電流電壓進行數(shù)字轉換和補償。此外，總線上應有PLC接口，便于連接原有的系統(tǒng)。
　　
　　現(xiàn)場設備是以網(wǎng)絡節(jié)點6g形式掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡上，為保證節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡必須采用合理的拓撲結構。常見的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡拓撲結構有：
　　
　　2．1．1環(huán)形網(wǎng)
　　
　　其特點是時延確定性好，重載時網(wǎng)絡效率高，但輕載時等待令牌產生不必要的時延，傳輸效率下降。2．1．2總線網(wǎng)
　　
　　其特點是節(jié)點接人方便，成本低。輕載時延時小，但網(wǎng)絡通信負荷較重時延時加大，網(wǎng)絡效率下降。此外傳輸延時不定。
　　
　　2．1．3樹型網(wǎng)
　　
　　其特點是可擴展性好，頻帶較寬，但節(jié)點間通信不便。
　　
　　2．1．4令牌總線網(wǎng)
　　
　　結合環(huán)形網(wǎng)和總線網(wǎng)的優(yōu)點，即物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng)。這樣，網(wǎng)絡傳輸延時確定無沖突，同時節(jié)點接人方便，可靠性好。
　　
　　2.2 現(xiàn)場總線監(jiān)控層
　　
　　這一層從現(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設計和下裝。監(jiān)控層的功能一般由上位計算機完成，它通過擴展槽中網(wǎng)絡接口板與現(xiàn)場總線相連，協(xié)調網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；或者通過專門的現(xiàn)場總線接口（轉換器）實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接，這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活。這一層處于以太網(wǎng)中，因此其關鍵技術是以太網(wǎng)與底層現(xiàn)場設備網(wǎng)絡間的接口，主要負責現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。監(jiān)控層除上述功能外，還為實現(xiàn)*控制和遠程操作優(yōu)化提供支撐環(huán)境。
　　
　　2.3 遠程監(jiān)控層
　　
　　其主要目的是在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下構建一個安全的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。首先要將中間監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫中的信息轉入上層的關系數(shù)據(jù)庫中，這樣遠程用戶就能隨時通過瀏覽器查詢網(wǎng)絡運行狀態(tài)以及現(xiàn)場設備的工況，對生產過程進行實時的遠程監(jiān)控。賦予一定的權限后，還可以在線修改各種設備參數(shù)和運行參數(shù)，從而在廣域網(wǎng)范圍內實現(xiàn)底層測控信息的實時傳遞。目前，遠程監(jiān)控實現(xiàn)的途徑就是通過Internet，主要方式是租用企業(yè)專線或者利用公眾數(shù)據(jù)網(wǎng)。由于涉及實際的生產過程，必須保證網(wǎng)絡安全，可以采用的技術包括防火墻、用戶身份認證以及密鑰管理等。在這方面，WorldFIP現(xiàn)場總線技術具有優(yōu)勢。WorldFIP的報文比較靈活，兼容TCP／IP，可以無縫連接Internet，同時又不影響實時數(shù)據(jù)的傳送，因此，整個控制網(wǎng)絡可以采用統(tǒng)一的協(xié)議標準。此外，WorldFIP的現(xiàn)場設備中有內嵌的Web服務器，用戶可以直接通過Internet訪問現(xiàn)場設備中的信息，無需中間的協(xié)議轉換器。
　　
　　在整個現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型中，現(xiàn)場設備層是整個網(wǎng)絡模型的核心，只有確保總線設備之間可靠、準確、完整的數(shù)據(jù)傳輸，上層網(wǎng)絡才能獲取信息以及實現(xiàn)監(jiān)控功能。當前對現(xiàn)場總線的討論多停留在底層的現(xiàn)場智能設備網(wǎng)段，但從完整的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型出發(fā)，應更多地考慮現(xiàn)場設備層與中間監(jiān)控層、Internet應用層之間的數(shù)據(jù)傳輸與交互問題，以及實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的緊密集成。
　　
　　3、網(wǎng)絡集成
　　
　　3.1 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡與DCS網(wǎng)絡的集成
　　
　　現(xiàn)場總線并不是在所有的控制場合下都能發(fā)揮它的優(yōu)點，例如簡單的小規(guī)模數(shù)字模擬混合系統(tǒng)，特別是現(xiàn)場和控制室距離近的情況。因此混合控制在統(tǒng)一集中的CPU中進行將比較方便，小系統(tǒng)所冒控制集中的風險也不大。而現(xiàn)場總線的控制分散的特點需要幾種設備來實現(xiàn)，則顯得繁瑣。在當前和今后的一段時間內，工業(yè)控制網(wǎng)絡將面臨現(xiàn)場總線與DCS網(wǎng)絡共存的局面，因此，在工業(yè)控制網(wǎng)絡結構設計時，考慮如何實現(xiàn)控制網(wǎng)絡中異構網(wǎng)段情況下的網(wǎng)絡集成的問題也是很現(xiàn)實的。
　　
　　我們知道，DCS屬非開放式網(wǎng)絡，DCS主機是DCS系統(tǒng)的控制、通信中心。而在新型的工業(yè)控制網(wǎng)絡體系中，整個DCS系統(tǒng)將作為其中的一個特殊子網(wǎng)存在，DCS主機則是一個普通的節(jié)點。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成時有兩種不同的方案：
　　
　　（1）采用網(wǎng)關將DCS網(wǎng)絡掛接在高速網(wǎng)絡上；
　　
　　（2）使用特殊網(wǎng)關或通信控制器，將現(xiàn)場總線系統(tǒng)掛接在DCS網(wǎng)絡上；
　　
　　3.2 控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的集成
　　
　　控制網(wǎng)絡的通信技術不同于以傳輸信息和資源共享為目的的信息網(wǎng)絡，其zui終目標是實現(xiàn)對被控對象中能量和物質轉移的有效控制，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定地進行。因此要求具有協(xié)議簡單、安全可靠、糾錯性好、成本低等特點。其網(wǎng)絡負載穩(wěn)定，多為短幀傳送，信息交換頻繁。實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的緊密集成是建立企業(yè)綜合實時信息庫的基礎，為企業(yè)的優(yōu)化控制、調度決策提供依據(jù)；通過控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的結構，可以建立統(tǒng)一的分布數(shù)據(jù)庫，保證所有數(shù)據(jù)的完整性和互操作性；現(xiàn)場設備與信息網(wǎng)絡實時通信，使用戶通過信息網(wǎng)絡中標準的圖形界面隨時隨地的了解生產情況；控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的緊密集成也便于實現(xiàn)遠程監(jiān)控、診斷和維護。
　　
　　控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成可以通過以下幾種方式：
　　
　　3.2．1在控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡之間加入轉換接口
　　
　　這種方式通過硬件來實現(xiàn)，即在底層網(wǎng)段與中間監(jiān)控層之間加入中繼器、網(wǎng)橋、路由器等專門的硬件設備，使控制網(wǎng)絡作為信息網(wǎng)絡的擴展與之緊密集成。硬件設備可以是一臺專門的計算機，依靠其中運行的軟件完成數(shù)據(jù)包的識別、解釋和轉換；對于多網(wǎng)段的應用，它還可以在不同網(wǎng)段之間存儲轉發(fā)數(shù)據(jù)包，起到網(wǎng)橋的作用。此外，硬件設備還可以是一塊智能接口網(wǎng)板，F(xiàn)isher-Rosemount的Deltav系統(tǒng)就通過一塊機柜中的H1接口卡，完成現(xiàn)場總線智能設備與以太網(wǎng)中監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)通信。
　　
　　轉換接口的集成方式功能較強，但實時性較差。信息網(wǎng)絡一般是采用TCP／IP的以太網(wǎng)，而TCP／IP沒有考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，當現(xiàn)場設備有大量信息上傳或遠程監(jiān)控操作頻繁時，轉換接口都將成為實時通信的瓶頸。
　　
　　3．2．2在控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡之間采用DDE技術
　　
　　當控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡之間具有中間系統(tǒng)或共享存儲器工作站時，可以采用DDE方式實現(xiàn)二者的集成，其實質是各應用程序通過共享內存來交換信息，中間系統(tǒng)中的信息處理機是控制網(wǎng)絡的工作站，另外也是信息網(wǎng)絡中的工作站。其中運行兩個程序，一是接收、校驗實時信息的通信程序，為信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫提供實時數(shù)據(jù)信息；另一個是數(shù)據(jù)訪問應用程序接口，它接收DDE服務器實時數(shù)據(jù)并寫人數(shù)據(jù)庫服務器中，供信息網(wǎng)絡實現(xiàn)信息處理、統(tǒng)計分析等功能。
　　
　　DDE方式具有較強的實時性，而且比較容易實現(xiàn)，可以采用標準的Windows技術。但是涉及到復雜的協(xié)議轉換時，DDE方式的軟件費用比較大。因此這種方式適合配置簡單的小系統(tǒng)。
　　
　　3．2．3控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡采用統(tǒng)一的協(xié)議標準
　　
　　這種方式將成為控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡完成集成的zui終解決方案。由于控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡采用了面向不同應用的協(xié)議標準，因此兩者集成時總需要某種數(shù)據(jù)格式的轉換機制，這將使系統(tǒng)復雜化，也不能確保數(shù)據(jù)的完整性。如果信息網(wǎng)絡的協(xié)議標準是提高其實時性，而控制網(wǎng)絡的協(xié)議標準是提高其傳輸速度，兩者的兼容性就會提高，兩者合二為一，這樣從底層設備到遠程監(jiān)控系統(tǒng)，都可以使用統(tǒng)一的協(xié)議標準，不僅確保了信息準確、快速、完整的傳輸，還可以極大地簡化系統(tǒng)設計。上面提到的WorldFIP協(xié)議就可以兼容TCP／IP，因此可以方便地實現(xiàn)以太網(wǎng)和Internet的集成，使控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡緊密地結合在一起，zui終實現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡結構。當前多種總線標準并存，信息網(wǎng)絡協(xié)議也不盡相同，所以要實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，還有很多問題要解決。
　　
　　4、結束語
　　
　　網(wǎng)絡是企業(yè)綜合自動化的基礎，在整個企業(yè)的網(wǎng)絡體系結構中，現(xiàn)場總線處于基礎地位，因此構建完整的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型具有重要的意義。這種模型延伸到控制領域的zui高層，即管理決策層，因此要求控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡緊密結合，保證從底層現(xiàn)場設備到頂層生產管理之間，正確的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉發(fā)。從長遠來看，控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡終將歸為一體，其間現(xiàn)場總線將起到溝通生產過程數(shù)據(jù)流和信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的橋梁作用。