工業(yè)化計算機網(wǎng)絡(luò)2-1 控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線技術(shù)

計算機控制網(wǎng)絡(luò)的特點2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)2.2、計算機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)概述2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)計算機控制網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)（一個用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通信系統(tǒng)示意圖）2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的三大功能：（l）數(shù)據(jù)傳送（2）資源共享（3）提高計算機的可靠性和可用性

網(wǎng)絡(luò)的類型通信網(wǎng)絡(luò)的類型可以按不同的標準進行劃分，按網(wǎng)絡(luò)范圍和計算機之間互連的距離可分為廣域網(wǎng)（WAN）和局域網(wǎng)（LAN）兩種。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)1．星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)的特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，便于管理。（2）控制簡單，建網(wǎng)容易，通信功能簡單。（3）網(wǎng)絡(luò)延遲時間小，傳輸誤差較低。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)2．環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)形結(jié)構(gòu)的特點：（1）在環(huán)路上，每個節(jié)點的地位是相同的，每個節(jié)點都可以獲得網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。（2）不需要進行路徑選擇，控制比較簡單，意味在環(huán)形結(jié)構(gòu)中，信息從源地址到目的地的路徑只有一條。（3）傳輸信息的延遲時間固定，有利于實時控制。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)3．總線形結(jié)構(gòu)總線形結(jié)構(gòu)的特點：

（l）較好的擴充性，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的增刪容易，網(wǎng)絡(luò)大小可通過轉(zhuǎn)接部件延伸和擴展。（2）不需要中央控制器，有利于分布控制，可靠性高。（3）由于多臺設(shè)備共用一條通信線，所以信道利用率較高。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)4．樹線形結(jié)構(gòu)樹線形結(jié)構(gòu)的特點：樹形結(jié)構(gòu)是分層結(jié)構(gòu)，適用于分級管理和分級控制系統(tǒng)。與星形結(jié)構(gòu)相比，由于通信線路總長度較短，故它連網(wǎng)成本低，易于維護和擴展，但結(jié)構(gòu)較星形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)又稱傳輸媒體，是通信系統(tǒng)中接收方與發(fā)送方之間的物理通道，起了設(shè)備互連和傳播信息的作用。傳輸介質(zhì)可分為兩大類：有線介質(zhì)（如雙絞線、同軸電纜、光纖等）和無線介質(zhì)（如衛(wèi)星通信、紅外通信、微波通信的載體）。網(wǎng)絡(luò)訪問控制

信息訪問控制有：查詢、令牌環(huán)、令牌總線、CSMA／CD、信息槽等。信息交換技術(shù)

信息交換技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)技術(shù)中十分重要和基本的內(nèi)容，它分為兩類：線路交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換中又分為兩種：報文存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換與報文分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其層次結(jié)構(gòu)

資源共享信息交換通信困難廠家不同軟硬件的差異在通信網(wǎng)絡(luò)中所有“成員”必須遵循某種相互都能接受的一組規(guī)則，以便實現(xiàn)彼此的通信和資源共享。這些規(guī)則的集合稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在計算機網(wǎng)絡(luò)中各終端用戶之間，用戶與資源之間或資源與資源之間的對話與合作必須按照預(yù)先規(guī)定的協(xié)議進行。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其層次結(jié)構(gòu)

利用分層方法，我們可以容易地實現(xiàn)網(wǎng)際聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)配置間的連接。

為了實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間的互連，1977年國際標準化組織（ISO）提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI（OpenSystemInterconnection／ReferenceModel）。OSI網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型規(guī)定了七個功能層，每層都使用它自己的協(xié)議。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)互連是采用網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備將同一類型的網(wǎng)絡(luò)或不同類型的網(wǎng)絡(luò)及其產(chǎn)品相互連接起來組成地理覆蓋范圍更大，功能更強的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)互連常用設(shè)備有：中繼器、網(wǎng)橋、路由器、網(wǎng)關(guān)。中繼器是網(wǎng)絡(luò)物理層的一種介質(zhì)連接設(shè)備，是延長網(wǎng)絡(luò)距離的最簡單、最廉價的互連設(shè)備。網(wǎng)橋同類型網(wǎng)絡(luò)之間的互連設(shè)備。2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)路由器屬于OSI網(wǎng)絡(luò)層的一種互連設(shè)備，對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)，用路由器連接的網(wǎng)絡(luò)可以使用在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層互不相同的協(xié)議。下面為路由器工作原理：

2.1、計算機工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)關(guān)又稱為網(wǎng)間連接器，能使不同類型（異種網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）的網(wǎng)絡(luò)連接在一起。下圖是網(wǎng)關(guān)連接示意圖CCITT(InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee)互聯(lián)網(wǎng)分組交換協(xié)議序列分組交換協(xié)議2.2、計算機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)概述)控制網(wǎng)絡(luò)的特點

從技術(shù)上講，控制網(wǎng)絡(luò)有以下一些技術(shù)特點：

(1)要求有高實時性和良好的時間確定性；

(2)傳送的信息多為短幀信息，且信息交換頻繁；

(3)容錯能力強，可靠性、安全性好；

(4)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單實用，工作效率高；

(5)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高度分散性；

(6)控制設(shè)備的智能化與控制功能的自治性；

(7)與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效的通信，易于實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。

2.2、計算機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)概述2.)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)有以下四點區(qū)別：

(1)控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)的實時性是控制系統(tǒng)最基本的要求。

(2)控制網(wǎng)絡(luò)強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴⒖煽啃浴?/p>

(3)在企業(yè)自動化系統(tǒng)中，分散的單一用戶必須借助控制網(wǎng)絡(luò)進入系統(tǒng)，所以通信方式多使用廣播和組播方式，在信息網(wǎng)絡(luò)中某個自主系統(tǒng)與另外一個自主系統(tǒng)一般都建立一對一的通信方式。

(4)控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中相互兼容問題，即互操作性問題。2.2、計算機網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)概述3.)控制網(wǎng)絡(luò)的類型及其相互關(guān)系

2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計原則:

采用分散控制和集中管理的設(shè)計思想、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，并采用層次化的體系結(jié)構(gòu).所謂分散控制是用多臺微型計算機，分散應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制;所謂集中管理是用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把多臺計算機構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).分散控制系統(tǒng)是縱向分層、橫向分散的大型綜合控制系統(tǒng)。1).集散控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem):采用功能分級、軟硬件分布配置、監(jiān)控管理功能集中于中央站和有相當操作級別的終端，實時性強的控制和調(diào)節(jié)功能由分站完成，中央站停止工作不影響分站功能和設(shè)備運轉(zhuǎn)，對于局部網(wǎng)絡(luò)通信控制也不應(yīng)因此而中斷。DCS基本概念：DCS由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系統(tǒng)。即：TDC2000，它只有模擬量控制。目前生產(chǎn)DCS的主要廠家：（1）國外：HONEYWELL公司－ExpersionPKS;ABB－IndustrialIT；Siemens－PCS7；日本橫河的YEPARKMARKⅡ等等。（2）國內(nèi)：浙大中控、和利時等。DCS基本概念：DCS組成DCS由四部份組成：I/O板、控制器、操作站和通訊網(wǎng)絡(luò)。人機接口包括操作站、工程師站和歷史站?？刂破鱅/O部件和生產(chǎn)過程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網(wǎng)絡(luò)把這兩部分聯(lián)成系統(tǒng)。所以操作站是DCS的重要組成部分，工程師站給控制器和操作站組態(tài)。歷史站記錄生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)。最近幾年開發(fā)的人機界面還有動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）2).集散控制系統(tǒng)（DCS）的特點

分散性和集中性自治性和協(xié)調(diào)性靈活性和擴展性先進性和繼承性可靠性和適應(yīng)性友好性和新穎性2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）在化工、石化、冶金及電力行業(yè)中,應(yīng)用效益最直接、最明顯的系統(tǒng)應(yīng)當是工業(yè)過程控制系統(tǒng),特別是集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem)。目前在化工企業(yè)新上裝置大部分仍采用可靠性高、投資較低的DCS。實際使用中,DCS的缺陷主要是：(1)采用模擬信號,數(shù)據(jù)傳輸精度較低。目前現(xiàn)場儀表與控制器之間的信號大都沿用DDZIII型儀表的模擬信號規(guī)格,即4～20mADC或1～5VDC,屬于單方向的模擬信號通信,具有現(xiàn)場儀表只能上傳或接受信號的通信瓶頸現(xiàn)象,而且需要數(shù)/模信號轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)檢測精度低,抗干擾和糾錯能力不佳。(2)操作人員無法在控制室對現(xiàn)場儀表進行診斷維護和組態(tài)。由于DCS采用傳統(tǒng)的的模擬信號作為I/O信號,所以無法在工程師站上對現(xiàn)場儀表進行遠程診斷和維護。實際使用中,DCS的缺陷主要是：(3)需要大量I/O卡件和電纜,種類多,擴展困難?，F(xiàn)場儀表與控制器是點對點的傳輸方式,大量的電纜要進DCS,電纜和I/O卡件的采購、安裝和維護成本很高。(4)PID閉環(huán)控制功能有限。由于DCS的控制功能由控制器實現(xiàn),而且每個控制器要完成多路閉環(huán)控制,因此控制周期長。目前DCS的閉環(huán)控制頻率在2～5次/s。實際使用中,DCS的缺陷主要是：(5)分散性不夠。傳統(tǒng)意義上的DCS實現(xiàn)分散控制、集中管理,但實際上,DCS的控制功能并沒有真正的分散化,管理功能主要是監(jiān)控和協(xié)調(diào)。(6)開放性和通用性差。不同品牌的DCS系統(tǒng)的軟硬件均不通用,DCS擴充成本高、升級困難。2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）3).集散控制系統(tǒng)（DCS）的體系結(jié)構(gòu)

主要有三代產(chǎn)品

第一代DCS的基本結(jié)構(gòu)

其基本結(jié)構(gòu)由監(jiān)控機、操作站、數(shù)據(jù)采集裝置、過程控制單元及高速數(shù)據(jù)通道等5部分組成。2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）3).集散控制系統(tǒng)（DCS）的體系結(jié)構(gòu)

主要有三代產(chǎn)品

第二代DCS的基本結(jié)構(gòu)

組成：(1)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)；(2)節(jié)點工作站，即指過程控制單元(PCU)；(3)中央操作站，它是掛接在LAN上的節(jié)點工作站，負責對全系統(tǒng)的信息進行綜合管理，是系統(tǒng)的主操作站；(4)系統(tǒng)管理站，又稱為系統(tǒng)管理模塊；(5)主計算機，也稱管理計算機；(6)網(wǎng)關(guān)(GateWay)。2.3、集散控制系統(tǒng)（DCS）3).集散控制系統(tǒng)（DCS）的體系結(jié)構(gòu)

主要有三代產(chǎn)品

第三代DCS的基本結(jié)構(gòu)

第一、二代DCS基本上為封閉系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間無法互連。第三代DCS局域網(wǎng)(LAN)遵循開放系統(tǒng)互連參考模型的7層通信協(xié)議,符合國際標準，比較容易構(gòu)成信息集成系統(tǒng)。第4代集散控制系統(tǒng)DCS隨著信息技術(shù)發(fā)展,以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加,各DCS廠商(如Honeywell,Emerson,Foxboro,橫河和ABB等為代表)紛紛提升DCS的技術(shù)水平,并不斷地豐富其內(nèi)容。以Honeywell公司最新推出的ExperionPKS(過程知識系統(tǒng)),Emerson公司的PlantWeb(EmersonProcessManagement),Foxboro公司的A2,橫河公司的R3(PRM-工廠資源管理系統(tǒng)),和ABB公司的IndustrialIT系統(tǒng)等為標志的新一代DCS已經(jīng)形成。第4代集散控制系統(tǒng)DCS第4代DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分為4層結(jié)構(gòu):現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠(車間)層和企業(yè)管理層。一般DCS廠商主要提供除企業(yè)管理層之外的3層功能,而企業(yè)管理層則通過提供開放的數(shù)據(jù)庫接口,連接第3方的管理軟件平臺：ERP（EnterpriseResourcePlanning）,CRM（CustomerRelationshipManagement）SCM（SupplyChainManagement）等。DCS主要提供工廠(車間)級的所有控制和管理功能,并集成全企業(yè)的信息管理功能。關(guān)于PLC基本概念：可編程序控制器，專為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計，采用可編程序的存儲器存儲操作指令，并通過數(shù)字式的或模擬式的輸入輸出控制機械或生產(chǎn)過程（IEC—1985）。1969年美國通用公司生產(chǎn)第一套PLC（ProgrammableLogicController）。國內(nèi)外許多生產(chǎn)PLC廠家。發(fā)展歷程

上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。

PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。關(guān)于PLCPLC構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

關(guān)于PLCPLC&DCS1)、發(fā)展背景不同：PLC由傳統(tǒng)繼電器控制發(fā)展而來，早期以數(shù)字量邏輯控制為主；DCS由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，以模擬量回路控制為主。2)、性能指標比較：

PLCDCS

（1）高速順序控制強較強

（2）復(fù)雜過程控制較強強

（3）硬件可靠性強強

（4）聯(lián)網(wǎng)和通訊功能弱強

（5）管理能力弱強

（6）系統(tǒng)診斷和報警弱強

3)、應(yīng)用范圍

DCS：過程控制，面向工藝變量。

PLC：機械制造和工廠自動化，面向操作人員。HybridIndustriesandMigrationofFunctionsbySupplierSystems2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)1）.現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線(Fieldbus)是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線是20世紀80年代末、90年代初國際上形成的,用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線技術(shù)以數(shù)字信號取代模擬信號，在3C（Computer計算機、Control控制、Communication通信）技術(shù)的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設(shè)備。國際電工委員會IEC61158的標準定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線?！币话阏J為“現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線?！?.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)是一種以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場自動化系統(tǒng)。2）.現(xiàn)場總線的優(yōu)點一對N結(jié)構(gòu)可靠性高可控狀態(tài)互可操作性與互換性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性系統(tǒng)的開放性2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)3）.現(xiàn)場總線對自動化領(lǐng)域的變革現(xiàn)場總線對當今的自動化領(lǐng)域帶來的變革是：用一對通信線連接多臺數(shù)字儀表取代一對信號線只能連接一臺儀表；用多變量、雙向、數(shù)字通信方式取代單變量、單向、模擬傳輸方式；用多功能的現(xiàn)場數(shù)字儀表取代單功能的現(xiàn)場模擬儀表；用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站；用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)DCS；變革傳統(tǒng)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準；變革傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法和安裝調(diào)試方法。2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)4）.FCS對DCS的變革FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互連。FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為全分散式，它廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)徹底的分散控制。FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性，徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性，使不同廠商的現(xiàn)場設(shè)備既可互連也可互換，還可統(tǒng)一組態(tài)。FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，用戶可非常方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，使同層網(wǎng)絡(luò)可以互連，也可以使不同網(wǎng)絡(luò)互連。FCS的技術(shù)和標準實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用。2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)5）.現(xiàn)場總線的特點系統(tǒng)的分散性系統(tǒng)的開放性產(chǎn)品的互操作性環(huán)境的適應(yīng)性使用的經(jīng)濟性維護的簡易性系統(tǒng)的可靠性目前，國內(nèi)、外的現(xiàn)場總線有60幾種之多。2000年1月4日通過IEC61158.3～6標準，該標準包括了8種類型的現(xiàn)場總線子集，它們分別是：①基金會現(xiàn)場總線FF(原有的技術(shù)規(guī)范IEC61158)；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥SwiftNet；⑦WordFIP；⑧Interbus。④、⑥是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來，本質(zhì)上以遠程I/O總線技術(shù)為基礎(chǔ)，通常不具備通過總線向現(xiàn)場設(shè)備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現(xiàn)場設(shè)備級總線，②、⑤屬于監(jiān)控級現(xiàn)場總線；③、⑦則是包括兩個層次的現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線類型(1)CAN總線CAN是德國Bosch公司從20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線用短幀的方法通訊，抗干擾性能大大優(yōu)于其他總線。

2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)6）.幾種有影響的現(xiàn)場總線

2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)(2)LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)和Lon總線LonWorks

是美國的Echeon公司于1991年推出的全分布智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。帶有完整的OSI的七層網(wǎng)絡(luò)通訊模型，是現(xiàn)場總線中通訊功能最強的之一。有充分的能力應(yīng)付各種控制對象。核心技術(shù)是節(jié)點由神經(jīng)元芯片(含三個CPU)構(gòu)成。它的通訊由CPU來控制。從通訊角度來看是最完整最理想，同時需要指出的是它的效率也是最低的。LonWorks的物理層是現(xiàn)場總線中最為豐富的，有雙絞線、光纖、同軸電纜、電力線載波、無線通訊等等。2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)(3)FF總線FF總線既不被任何單個的公司擁有，也不被單個的國家或標準組織控制,是一個非營利組織，由WorldFIP的北美部分和ISP(InteroperableSystemProtocol)合并而成。FF的H1現(xiàn)場總線的速率是31.28K

。2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)（4）Profibus協(xié)議PROFIBUS是過程現(xiàn)場總線（ProcessFieldBus）的縮寫。它是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170所規(guī)定的現(xiàn)場總線標準。它的通訊有一個主站控制，由主站按輪詢方式對子站“逐個”通訊。它的優(yōu)點是簡單，缺點是危險集中，主站出問題，整個系統(tǒng)癱瘓。

2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)（5）Modbus協(xié)議

Modbus是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議。與Profibus一樣同屬主從型。（6）Interbus。其拓撲學(xué)結(jié)構(gòu)是環(huán)型的，所有的通訊子站連成一個“環(huán)”，以數(shù)據(jù)移位的方法通訊。它是一種簡單而高效的現(xiàn)場總線，它的傳輸效率是目前現(xiàn)場總線領(lǐng)域中最高的。該現(xiàn)場總線在低壓電器和建筑電器方面有較強的優(yōu)勢，西門子公司的建筑電器就以InterBus為主。2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)（6）

BACnetTM(樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議)由美國供熱、制冷與空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會（ASHRAE）的標準項目委員會135P（SPC135P）于1995年6月通過的標準，主要在智能建筑中使用。由于智能建筑面對的控制對象遠比純粹的工業(yè)控制要復(fù)雜，它對現(xiàn)場總線的適應(yīng)性要求也相當高。BACnetTM的策略是建筑在一些主流現(xiàn)場總線標準的基礎(chǔ)上，發(fā)揮各種現(xiàn)場總線的優(yōu)點，充分考慮智能建筑的控制網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)2.4、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)7）.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的體系結(jié)構(gòu)

采用“操作站——數(shù)字式智能現(xiàn)場儀表”兩層式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場設(shè)備均為智能數(shù)字儀表，見下圖：傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)示意圖FCS的結(jié)構(gòu)示意圖ODAS開放式數(shù)據(jù)采集標準1998年11月10日,

ODAA（OpenDataAcquisitionAssociation，開放式數(shù)據(jù)采集協(xié)會）成立，公布了ODAS（OpenDataAcquisitionStandard），開放式數(shù)據(jù)采集標準。ODAS有兩個關(guān)聯(lián)標準：一個是OPC，另一個是IVI（InterchangeableVirtualInstruments）以及輸入輸出設(shè)備PCPI。ODAS進一步在軟件和硬件方面實現(xiàn)真正的“互操作”。現(xiàn)代工業(yè)控制軟件互操作標準OPCOPC（OLEforprocesscontrol）現(xiàn)代工業(yè)控制軟件互操作標準，1996年秋天問世。OPC基金會建立了一套標準的OLE/COM接口協(xié)議，是建立在Microsoft的OLE/COM技術(shù)上的規(guī)范，采用了先進的客戶－服務(wù)器模型。OPC的特點是把硬件供應(yīng)商和軟件供應(yīng)商分離開來，各自只對數(shù)據(jù)的格式負責，這樣它就把現(xiàn)場總線最惱人的數(shù)據(jù)鏈路層的問題摔到一邊去了。OPC可以采用統(tǒng)一的方式存取不同硬件生產(chǎn)商的設(shè)備，實現(xiàn)“互操作”。也許是現(xiàn)場總線最終走向統(tǒng)一的一種重要的途徑。

CIP和以太網(wǎng)CIPCIP（ControlandinformationProtocol）是為TCP/UDP/IP定義的基于主機/客戶機的控制和信息協(xié)議。以太網(wǎng)的CIP則稱為Ethernet/IP，它有ControlNet、DeviceNet、ModBus、Profibus，等現(xiàn)場總線組織的支持。CIP為解決TCP/IP技術(shù)進入控制領(lǐng)域提供了一個有前途的方案。DCS的發(fā)展趨勢DCS的發(fā)展趨勢2.5、工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet工業(yè)以太網(wǎng),是指其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(IEEE802.3標準)兼容,但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要,即在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。2.5、工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet

過去一直認為，作為信息技術(shù)基礎(chǔ)的Ethernet是為IT領(lǐng)域應(yīng)用而開發(fā)的，在工業(yè)自動化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用，這是由于:Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，在網(wǎng)絡(luò)負荷較重時，網(wǎng)絡(luò)的確定性(determinism)不能滿足工業(yè)控制的實時要求;Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求;在工廠環(huán)境中。Ethernet抗干擾(EMI)性能較差。若用于危險場合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能;Ethernet網(wǎng)還不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。高速以太網(wǎng)當網(wǎng)絡(luò)中的負載越大的時候，發(fā)生沖突的概率也就越大。有資料顯示當一個網(wǎng)絡(luò)的負荷低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時，10M以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的概率是以幾何級數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負荷。交換技術(shù)為了改善以太網(wǎng)負載較重時的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，可以使用以太網(wǎng)交換機（switch）。它采用將共享的局域網(wǎng)進行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的確定性，但該方法成本較高，在分配和緩沖過程中存在一定的延時。2.5、工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet現(xiàn)場總線大戰(zhàn)時,工業(yè)以太網(wǎng)大踏步地進入了控制領(lǐng)域。究其原因：由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展,以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛,為所有的編程語言所支持;軟硬件資源豐富;易于與Internet連接,實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接;可持續(xù)發(fā)展的空間大等等。其中通信已成為關(guān)鍵,用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面,Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展,要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成,并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架,但目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求。2.5、工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet

為解決在無間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)城.網(wǎng)絡(luò)能在極端惡劣的條件下穩(wěn)定地工作的問題：美國SynergeticMicroSystem公司和德國Hirschmann赫斯曼公司專門開發(fā)和生產(chǎn)導(dǎo)軌式收發(fā)器系列、集線器系列和交換機系列，它們安裝在標準DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電；接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。WoodheadConnectivity公司已研制成特殊封裝的工業(yè)以太網(wǎng)接插件RJ-LnxxIP67，能與RJ-45商用接插件和其它工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品一起使用。美國NETSilicon公司研制的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口芯片，每片價格已降至10美元左右，與各種現(xiàn)場總線芯片相比，價格具有極大優(yōu)勢。以太網(wǎng)有以下優(yōu)點:(1)具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率。目前,10Mb/s和100Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用,1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟,而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12Mb/s。顯然,以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快的多,完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬要求。(2)成本低廉。以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多(約為1/10);另外,以太網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用多年,人們對以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多經(jīng)驗,具有相當成熟的技術(shù)。大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用,降低系統(tǒng)的整體成本,并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。(3)資源共享能力強。隨著Internet/Intranet的發(fā)展,以太網(wǎng)已滲透到各個角落,網(wǎng)絡(luò)上的用戶已經(jīng)解除了資源地理位置上的束縛,在聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的任何1臺計算機上就可以瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù),實現(xiàn)“控管一體化”,這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｒ蕴W(wǎng)的引入將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性,用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入,對于這一點,任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)都是無法比擬的。同時,機器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能,通信協(xié)議有更高的靈活性,這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。以太網(wǎng)有以下優(yōu)點:(5)應(yīng)用廣泛。以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),幾乎所有的編程語言如VisualC++,Java和VisualBasic

等都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。(6)允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)有以下優(yōu)點:現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)比較物理層比較現(xiàn)場總線介質(zhì)訪問控制方式：現(xiàn)場總線的介質(zhì)訪問控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間隔和時間是確定的；實時性指網(wǎng)絡(luò)分配給站點的服務(wù)時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務(wù)。

目前現(xiàn)場總線技術(shù)采用的介質(zhì)訪問控制方式主要有：令牌、主從、生產(chǎn)者/客戶（producer/consumer）。以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制方式：

CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)是以太網(wǎng)（或IEEE802.3）采用的介質(zhì)訪問控制方式?，F(xiàn)場總線與以太網(wǎng)比較(2)介質(zhì)訪問控制方式比較PAC基本概念：PAC這個概念的提出是針對PLC的概念而來，作為一種快速和可靠的解決方案，由自動化研究機構(gòu)(ARC)提出的，它表示可編程自動化控制器，用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng)，而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺。采用現(xiàn)有的商業(yè)計算機技術(shù)，所以具有更優(yōu)異的效能，并具有可伸縮性。透過商業(yè)化大量生產(chǎn)的平臺，所以易于維護和具有較低的發(fā)生故障時間等特性。

目前生產(chǎn)PAC的廠家如羅克維爾、研華、貝加萊等。工業(yè)控制領(lǐng)域其它技術(shù)問題PAC技術(shù)是一種新型的控制技術(shù)：與PLC相比，具有開放的體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的互操作性、靈活性；與PC相比，又具有更高的穩(wěn)定性和更好的實時性，因此PAC能更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求，是目前工業(yè)自動化領(lǐng)域研究的熱點之一。PAC發(fā)展前景及趨勢工業(yè)控制領(lǐng)域其它技術(shù)問題（1）SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。工業(yè)控制領(lǐng)域其它技術(shù)問題SCADA：

（2）SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代是基于專用計算機和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。這一階段是從計算機運用到SCADA系統(tǒng)時開始到70年代。第二代是80年代基于通用計算機的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計算機以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX