Ethernet与现场总线器

1 引 言

处于全球市场之中的工业生产为了适应市场竞争的需要，在追求竞争力的过程中逐渐形成了计算机集成制造系统。计算机集成制造系统采用系统集成、信息集成的观点组织生产，把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑的生产过程，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。为了实现这个目标，必须要将企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次智能设备互联成综合自动化网络，实现各层次的住处汇通和数据共享，即实现工业企业的“管控一体化”。

为此，企业首先必须对各种企业资源建立完善的管理网络，使各方面资源充分调配、平衡和控制，最大限度地发挥其能力;其次，必须形成市场、经营、生产和研发之间紧密的协作链。

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。如图一所示。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，因为要求网络必须具有较大的带宽。管理层网络主要由快速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，召集这一层网络则 主要由传输速率较高的网段(如10M、100MEthernet等)组成。

而最底层的现场设备层网络，与变送器、执行机构等现场设备相连，采集现场数据，并将控制数据送入设备。它与以传递信息为主要目标的邮电通信技术以及其它信息网络技术相比，具有一些特殊性。由于工业自动控制网络通信的最终目的是通过传递测量和控制数据及相关信息，产生或引发物质或能量的运动和转换，因此这种网络通信技术具有以下特殊性：

① 数据传输的及时性和系统响应的实时性：通常,制造自动化系统的响应时间要求在0.01—0.5s,过程控制系统的响应时间为0.5—2S。而信息网络的响应时间则是2—6S。显然，工业通信网络的实时性要求高得多。

② 高可靠性：工业通信网络强调在工业环境下数据传送的完整性，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 环境适应性或电磁兼容性EMC、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)。在易爆或可燃的场合，它应具有本质安全的性能。

③ 工业通信网络需要解决不同厂商的产品和系统在网络上相互兼容 的问题，强调 互可操作性，因此它在现代通信系统所基于的ISO/OSI“开放系统互连的参考模型”上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述(DD)功能来解决这种完整的开放性通信。

④ 总线供电。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。

⑤ 广播、多播与单播通信方式：工业通信网络把公散的单一用户(变送器、执行器、控制器或控制系统等)接入某个系统，其通信方式常使用广播方式、多组方式或基于客户/服务器的单播方式。在IT网络中一个自主系统与另一个自主系统只在需要通信时建立一对一的方式。

⑥ 现场控制层设备间传输的信息长度都比较小。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。

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(如FF、Profibus、DeviceNet等)组成。

2、现场总线的产生与发展回顾

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)。

现场总线的生产是多方面因素共同作用的结果。

现场总线的生产首先反映了仪器仪表本身发展的需要。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。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，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。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高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次，现场总线的产生也反映了企业管控一体化信息集成的要求。

因此，从20世纪80年代开始，各种现场总线相继产生，其中主要的有：基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)、控制局域网络CAN(Controller Area Network)、局部操作网络Lon Works(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process FieldBus)和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)以及DeviceNet、ControlNet、P-NET,等等。