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Ethernet与现场总线
xiao_xiao1 发表于 2009/9/14 11:28:47 648 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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引言
随着以知识经济为特征的信息时代的到来和现代工业文明的发展，企业综合自动化在现代工业大生产中的作用也越来越重要，它把工厂内各个孤立的局部自动化子系统在新的管理模式与工艺指导下，综合运用信息技术、自动化技术、计算机网络及其支持软件技术等有机地结合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物质流、管理过程的信息流、决策过程的决策流进行有效的控制和协调，以适应新的竞争形势下市场对生产管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。
工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管理层、监控层和现场设备层。如图1所示。
其中，最上层的企业管理层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因此要求网络必须具有较大的带宽。管理层层网络主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）组成。
中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，如今这一层网络则主要由传输速率较高的网段（如10M、100M Ethernet等）组成。
而最底层的现场设备层网络则主要用于变送器、执行机构等现场设备之间、以及现场设备与控制室仪表之间的信息传输。它具有以下特点：
（1）传输的信息长度较小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般都比较小，通常仅为几位（bit）或几个、十几、几十个字节（byte），对网络传输的吞吐量要求不高。
（2）通信响应实时性要求较高。工业控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，所以必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。它包括两方面的要求，一是传输速度要快，即网络通信速率要高，二是响应时间要短，响应时间可由4个方面决定：仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，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。另外，通信响应实时性还与系统的巡回时间有关，通常最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。
（3）较强的可靠性与安全性。对于工作在环境恶劣的工业生产现场的通信网络，必须解决环境适应性问题，它包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。而安全性要求则是指网络传输媒体上所传输的能量要小，在正常工作或出现故障时，均不致引发灾难事故。
（4）总线供电，即工业现场控制网络不仅能传输通信信息，而且要能够为现场设备传输工作电源。这主要是从线缆铺设和维护方便考虑，同时总线供电还能减少线缆，降低布线成本。
正是由于以上特点和特殊性，目前现场设备层网络主要由低速现场总线网络组成。
1.现场总线的产生回顾
所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC／SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（FCS）。
现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。
首先，现场总线的产生反映了仪器仪表发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后，经过V/I电路转换，输出4~20mA或0~5V的模拟信号，（如图2a所示）。其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程变量经调理放大、A/D采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过D/A、V/I等电路，仍然以4~20mA或0~5V的模拟信号输出（如图2b所示），这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表中增加了通信接口（如RS232/485等），以数字通信的方式代替模拟信号传输（如图2c所示）。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各通信层次，则没有统一定义，致使不同仪表所使用的通信协议可能各不相同，不同生产厂家生产的仪器仪表也