摘要：文章介紹了現場總線技術在工控系統中應用的特點及現場總線條件下控制網絡的分層結構，同時探討了控制網絡間及控制網絡與信息網絡集成的問題。
　　
　　計算機與通信技術結合產生了計算機網絡后，企業管理部門間通信都以網絡為中介，實現了信息與資源共享。同時，信息技術的發展也引起了自動化結構的變革，逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。Fieldbus（現場總線）就是順應這一形勢發展起來的新技術，它是計算機網絡與控制系統結合的必然產物，它的出現標志著工業控制領域又一個新時代的開始。
　　
　　現場總線是對DCS（集散控制系統）的拓展，突破了DCS相對封閉的限制，它將測控任務分散到現場設備中，上位計算機只負責監控以及一些復雜的優化和*控制的功能。現場總線是工廠底層信息及數據傳遞的主體，在整個工廠的控制網絡中，現場總線處于重要的基礎地位。自80年代末以來，國外相繼出現了一些有影響的現場總線標準，如：基金會現場總線（FF，FoundationFieldbas）、lonWork總線、Profibus、CAN控制局域網等，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，會出現幾種現場總線標準共存的局面。現在一個統一的現場總線通信協議的標準已經形成，真正的開放互連系統，是大勢所趨。
　　
　　1、現場總線控制系統的特點
　　
　　現場總線系統（FCS）與傳統的集散控制系統（DCS）相比，有以下特點：
　　
　　1.1 總線式結構
　　
　　一對傳輸線（總線）掛接多臺現場設備，雙向傳輸多個數字信號。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
　　
　　現場總線采用統一的協議標準，是開放式的互聯網絡，對用戶是透明的，在傳統的DCS中，不同廠家的設備是不能相互訪問的。而FCS采用統一的標準，不同廠家的網絡產品可以方便地接入同一網絡，集成在同一控制系統中進行互操作，因此簡化了系統集成。
　　
　　1.3 *的分散控制
　　
　　現場總線將控制功能下放到作為網絡節點的現場智能儀表和設備中，做到*的分散控制，提高了系統的靈活性、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、組態靈活
　　
　　通過數字化傳輸現場數據，FCS能獲取現場儀表的各種狀態、診斷信息，實現實時的系統監控和管
　　
　　理。此外，FCS引入了功能塊的概念，通過統一的組態方法，使系統組態簡單靈活，不同現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由于采用數字通訊方式，因此可用多種傳輸介質進行通信。根據控制系統中節點的空間分布情況，可應用多種網絡拓撲結構。這種傳輸介質和網絡拓撲結構的多樣性給自動化系統的施工帶來了極大的方便，據統計，FCS與傳統DCS的主從結構相比，只計算布線工程一項即可節省40％的經費。
　　
　　2、現場總線網絡模型
　　
　　現場總線本質上是一種控制網絡，因此網絡技術是現場總線的重要基礎。和Internet、Intranet等類型的信息網絡不同，控制網絡直接面向生產過程，因此要求很高的實時性、可靠性、數據完整性和可用性。為滿足這些特性，現場總線對標準的網絡協議作了簡化，一般只包括ISO／OSl7層模型中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。此外，現場總線還要完成與上層工廠信息系統的數據交換和傳遞。綜合自動化是現代工業自動化的發展方向，在完整的企業網構架中，現場總線控制網絡模型應涉及從底層現場設備網絡到上層信息網絡的數據傳輸過程。
　　
　　基于上述考慮，統一的現場總線控制網絡模型應具有三層結構，從底向上依次為：現場智能設備層、現場總線監控層、遠程監控層。
　　
　　2.1 現場智能設備層
　　
　　依照現場總線的協議標準，智能設備采用功能塊的結構，通過組態設計，完成數據采集、A／D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能。智能轉換器對傳統檢測儀表電流電壓進行數字轉換和補償。此外，總線上應有PLC接口，便于連接原有的系統。
　　
　　現場設備是以網絡節點6g形式掛接在現場總線網絡上，為保證節點之間實時、可靠的數據傳輸，現場總線控制網絡必須采用合理的拓撲結構。常見的現場總線網絡拓撲結構有：
　　
　　2．1．1環形網
　　
　　其特點是時延確定性好，重載時網絡效率高，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
　　
　　其特點是節點接人方便，成本低。輕載時延時小，但網絡通信負荷較重時延時加大，網絡效率下降。此外傳輸延時不定。
　　
　　2．1．3樹型網
　　
　　其特點是可擴展性好，頻帶較寬，但節點間通信不便。
　　
　　2．1．4令牌總線網
　　
　　結合環形網和總線網的優點，即物理上是總線網，邏輯上是令牌網。這樣，網絡傳輸延時確定無沖突，同時節點接人方便，可靠性好。
　　
　　2.2 現場總線監控層
　　
　　這一層從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態的設計和下裝。監控層的功能一般由上位計算機完成，它通過擴展槽中網絡接口板與現場總線相連，協調網絡節點之間的數據通信；或者通過專門的現場總線接口（轉換器）實現現場總線網段與以太網段的連接，這種方式使系統配置更加靈活。這一層處于以太網中，因此其關鍵技術是以太網與底層現場設備網絡間的接口，主要負責現場總線協議與以太網協議的轉換，保證數據包的正確解釋和傳輸。監控層除上述功能外，還為實現*控制和遠程操作優化提供支撐環境。
　　
　　2.3 遠程監控層
　　
　　其主要目的是在分布式網絡環境下構建一個安全的遠程監控系統。首先要將中間監控層的數據庫中的信息轉入上層的關系數據庫中，這樣遠程用戶就能隨時通過瀏覽器查詢網絡運行狀態以及現場設備的工況，對生產過程進行實時的遠程監控。賦予一定的權限后，還可以在線修改各種設備參數和運行參數，從而在廣域網范圍內實現底層測控信息的實時傳遞。目前，遠程監控實現的途徑就是通過Internet，主要方式是租用企業專線或者利用公眾數據網。由于涉及實際的生產過程，必須保證網絡安全，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現場總線技術具有優勢。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據的傳送，因此，整個控制網絡可以采用統一的協議標準。此外，WorldFIP的現場設備中有內嵌的Web服務器，用戶可以直接通過Internet訪問現場設備中的信息，無需中間的協議轉換器。
　　
　　在整個現場總線控制網絡模型中，現場設備層是整個網絡模型的核心，只有確保總線設備之間可靠、準確、完整的數據傳輸，上層網絡才能獲取信息以及實現監控功能。當前對現場總線的討論多停留在底層的現場智能設備網段，但從完整的現場總線控制網絡模型出發，應更多地考慮現場設備層與中間監控層、Internet應用層之間的數據傳輸與交互問題，以及實現控制網絡與信息網絡的緊密集成。
　　
　　3、網絡集成
　　
　　3.1 現場總線控制網絡與DCS網絡的集成
　　
　　現場總線并不是在所有的控制場合下都能發揮它的優點，例如簡單的小規模數字模擬混合系統，特別是現場和控制室距離近的情況。因此混合控制在統一集中的CPU中進行將比較方便，小系統所冒控制集中的風險也不大。而現場總線的控制分散的特點需要幾種設備來實現，則顯得繁瑣。在當前和今后的一段時間內，工業控制網絡將面臨現場總線與DCS網絡共存的局面，因此，在工業控制網絡結構設計時，考慮如何實現控制網絡中異構網段情況下的網絡集成的問題也是很現實的。
　　
　　我們知道，DCS屬非開放式網絡，DCS主機是DCS系統的控制、通信中心。而在新型的工業控制網絡體系中，整個DCS系統將作為其中的一個特殊子網存在，DCS主機則是一個普通的節點。在現場總線網絡集成時有兩種不同的方案：
　　
　　（1）采用網關將DCS網絡掛接在高速網絡上；
　　
　　（2）使用特殊網關或通信控制器，將現場總線系統掛接在DCS網絡上；
　　
　　3.2 控制網絡和信息網絡的集成
　　
　　控制網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絡，其zui終目標是實現對被控對象中能量和物質轉移的有效控制，使系統安全穩定地進行。因此要求具有協議簡單、安全可靠、糾錯性好、成本低等特點。其網絡負載穩定，多為短幀傳送，信息交換頻繁。實現控制網絡與信息網絡的緊密集成是建立企業綜合實時信息庫的基礎，為企業的優化控制、調度決策提供依據；通過控制網絡與信息網絡的結構，可以建立統一的分布數據庫，保證所有數據的完整性和互操作性；現場設備與信息網絡實時通信，使用戶通過信息網絡中標準的圖形界面隨時隨地的了解生產情況；控制網絡和信息網絡的緊密集成也便于實現遠程監控、診斷和維護。
　　
　　控制網絡與信息網絡的集成可以通過以下幾種方式：
　　
　　3.2．1在控制網絡和信息網絡之間加入轉換接口
　　
　　這種方式通過硬件來實現，即在底層網段與中間監控層之間加入中繼器、網橋、路由器等專門的硬件設備，使控制網絡作為信息網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據包的識別、解釋和轉換；對于多網段的應用，它還可以在不同網段之間存儲轉發數據包，起到網橋的作用。此外，硬件設備還可以是一塊智能接口網板，Fisher-Rosemount的Deltav系統就通過一塊機柜中的H1接口卡，完成現場總線智能設備與以太網中監控計算機之間的數據通信。
　　
　　轉換接口的集成方式功能較強，但實時性較差。信息網絡一般是采用TCP／IP的以太網，而TCP／IP沒有考慮數據傳輸的實時性，當現場設備有大量信息上傳或遠程監控操作頻繁時，轉換接口都將成為實時通信的瓶頸。
　　
　　3．2．2在控制網絡和信息網絡之間采用DDE技術
　　
　　當控制網絡和信息網絡之間具有中間系統或共享存儲器工作站時，可以采用DDE方式實現二者的集成，其實質是各應用程序通過共享內存來交換信息，中間系統中的信息處理機是控制網絡的工作站，另外也是信息網絡中的工作站。其中運行兩個程序，一是接收、校驗實時信息的通信程序，為信息網絡數據庫提供實時數據信息；另一個是數據訪問應用程序接口，它接收DDE服務器實時數據并寫人數據庫服務器中，供信息網絡實現信息處理、統計分析等功能。
　　
　　DDE方式具有較強的實時性，而且比較容易實現，可以采用標準的Windows技術。但是涉及到復雜的協議轉換時，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。
　　
　　3．2．3控制網絡和信息網絡采用統一的協議標準
　　
　　這種方式將成為控制網絡和信息網絡完成集成的zui終解決方案。由于控制網絡和信息網絡采用了面向不同應用的協議標準，因此兩者集成時總需要某種數據格式的轉換機制，這將使系統復雜化，也不能確保數據的完整性。如果信息網絡的協議標準是提高其實時性，而控制網絡的協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控系統，都可以使用統一的協議標準，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設計。上面提到的WorldFIP協議就可以兼容TCP／IP，因此可以方便地實現以太網和Internet的集成，使控制網絡和信息網絡緊密地結合在一起，zui終實現統一的網絡結構。當前多種總線標準并存，信息網絡協議也不盡相同，所以要實現控制網絡與信息采用統一的協議標準，還有很多問題要解決。
　　
　　4、結束語
　　
　　網絡是企業綜合自動化的基礎，在整個企業的網絡體系結構中，現場總線處于基礎地位，因此構建完整的現場總線控制網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，因此要求控制網絡和信息網絡緊密結合，保證從底層現場設備到頂層生產管理之間，正確的數據傳輸和數據轉發。從長遠來看，控制網絡和信息網絡終將歸為一體，其間現場總線將起到溝通生產過程數據流和信息網絡數據流的橋梁作用。