現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)第一章

第一章現(xiàn)場總線技術(shù)概述主要內(nèi)容自動控制系統(tǒng)發(fā)展及其體系結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與DCS的比較現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的發(fā)展及其體系結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)經(jīng)歷四個階段：直接數(shù)字控制系統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的接線方式一、模擬儀表控制系統(tǒng)（ACS）模擬調(diào)節(jié)儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量變送儀表r+-ey常規(guī)模擬單回路控制系統(tǒng)

在過程控制領(lǐng)域中，從20世紀(jì)50年代至今一直都在使用著一種信號標(biāo)準(zhǔn)：4~20mA的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。二、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）20世紀(jì)70年代，數(shù)字式計算機(jī)引入到測控系統(tǒng)中，進(jìn)行集中式控制處理。CRT計算機(jī)

A/DD/A過程對象

DDC的結(jié)構(gòu)圖三、集散控制系統(tǒng)（DCS）20世紀(jì)80年代，微處理器在控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，嵌入到各種儀器設(shè)備，形成分布式控制系統(tǒng)。過程控制站過程控制站上位計算機(jī)操作站接口接口接口接口通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道子系統(tǒng)DCS的基本組成子系統(tǒng)四、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）20世紀(jì)90年代后期，在DCS的基礎(chǔ)上形成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第二節(jié)集散控制系統(tǒng)一、DCS的結(jié)構(gòu)

操作人員、管理人員集中操作和管理數(shù)據(jù)通信分散過程控制裝置工業(yè)生產(chǎn)過程人機(jī)界面過程界面DCSDCS的三大組成部分1.分散過程控制裝置部分(1)適應(yīng)環(huán)境(2)分散控制(3)實時性(4)獨立性2.集中操作和管理系統(tǒng)部分(1)信息量大(2)易操作性(3)安全性好3.通信系統(tǒng)部分(1)DCS中樞(2)實時性好，動態(tài)響應(yīng)快，可靠性高，適應(yīng)性強二、DCS分類根據(jù)分散過程控制裝置部分、集中操作和管理系統(tǒng)部分、通信部分不同結(jié)構(gòu)，組成不同的五類DCS產(chǎn)品（略）。一、現(xiàn)場總線的基本概念

一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與控制裝置之間進(jìn)行雙向、串行、多節(jié)點、數(shù)字式數(shù)據(jù)交換的通信技術(shù)。（國際電工委員會，InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）

現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，主要目的是用于控制、報警和事件報告等工作。第三節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)二、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)最底層是Infranet控制網(wǎng)（構(gòu)成FCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)），各控制節(jié)點下放分散到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以選擇總線型、星型和環(huán)型等不同形式；通信介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、光纖、無線和紅外線等多種介質(zhì)。

由FCS構(gòu)成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet（企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)）和Internet（全球信息網(wǎng)）互連，形成一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級體系結(jié)構(gòu)。三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比

1.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場總線設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置入現(xiàn)場總線設(shè)備，加上現(xiàn)場總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)徹底的分散。2.由于采用數(shù)字信號替代模擬信號，因而可實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，同時又為多個現(xiàn)場總線設(shè)備提供電源；現(xiàn)場總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝維護(hù)費用創(chuàng)造了條件。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的工程成本對比四、現(xiàn)場總線的技術(shù)特點1.系統(tǒng)的開放性通信協(xié)議公開，各不同廠商的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。2.互可操作性與互用性互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；不同制造商性能類似的設(shè)備可進(jìn)行更換，實現(xiàn)相互替換。3.現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場總線設(shè)備中完成。4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。5.對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，采用兩線制實現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求。FCSDCS(1)全數(shù)字化一對多：一對傳輸線接多臺儀表，雙向傳輸多個信號。一對一：一對傳輸線接一臺儀表，單向傳輸一個信號。(2)可靠性可靠性好：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強，精度高?？煽啃圆睿耗M信號傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。第四節(jié)FCS與DCS的比較FCSDCS（3）可維護(hù)性操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場設(shè)備過現(xiàn)場儀表的工作情況，也能對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測或?qū)ふ夜收?，使設(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測故障，導(dǎo)致操作員對儀表處于“失控”狀態(tài)。（4）分散控制控制功能分散在各個智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。FCSDCS（5）互連與互操作性用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連，實現(xiàn)“即插即用”。盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號標(biāo)準(zhǔn)（4~20mADC），可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換性差。（6）儀表智能儀表除了具有模擬儀表的檢測、變換、補償?shù)裙δ芡?，還具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運算能力。模擬儀表只具有檢測、變換、補償?shù)裙δ堋，F(xiàn)場常規(guī)模擬儀表一對一連接現(xiàn)場總線數(shù)字儀表一對多連接第五節(jié)現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀與發(fā)展一、制訂現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的歷程(1)1983年，現(xiàn)場總線的概念首先在歐洲興起；(2)1984年，國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）就開始制訂現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)，稍后成立了推廣及試用的組織IFC；(3)1989年，Profibus成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)。(4)1990年，F(xiàn)IP成為法國國家標(biāo)準(zhǔn)。(5)1992年，ISP(InteroperableSystemProtocol，可互操作系統(tǒng)協(xié)議)成立。(6)1993年

，IEC61158-2物理層規(guī)范通過表決成為國際標(biāo)準(zhǔn)，但關(guān)鍵的鏈路層因與Profibus有分歧，遭到德國與歐洲一些小國的抵制而未獲通過。(7)1993年，WorldFIP（WorldFactoryInstrumentationprotocol，世界工廠儀表協(xié)議），它基于法國的FIP，有100多家公司參加，Honeywell公司牽頭。(8)1994年6月，ISP與WorldFIP感到兩大陣營旗鼓相當(dāng)，于是握手言和，合并成為現(xiàn)場總線基金會FF(FieldbusFoundation)，它推出的基金會現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus)。當(dāng)時WorldFIP的北美部分參加了現(xiàn)場總線基金會，但其歐洲部分仍保持獨立。(9)1994年，因FF已成立，IFC解散了。(10)1996年12月30日，對經(jīng)過改進(jìn)后的鏈路層又進(jìn)行了一次投票表決，但還是因為與Profibus不一致而遭到德國和一些歐洲小國家的反對，又未能通過。(11)1998年9月30日，經(jīng)過投票表決，結(jié)果是68贊成，32反對。由于反對率又超過25，又被否決了。(12)1999年6月15日，IEC執(zhí)委會作出決議：修改現(xiàn)有技術(shù)報告包括構(gòu)筑不同框架的協(xié)議以及其所需的服務(wù)，并且至少應(yīng)包括一種其他協(xié)議，在4個月內(nèi)作為FDIS（相當(dāng)于國內(nèi)報批）階段遞交投票。執(zhí)委會同意省略CDV（相當(dāng)于國內(nèi)送審）階段以滿足目標(biāo)設(shè)定時間，若4個月后有可能準(zhǔn)備不好文件，或在投票階段最后投票失敗，現(xiàn)有的技術(shù)報告(指FF的H1)將轉(zhuǎn)化為IEC標(biāo)準(zhǔn)。(13)2000年1月4日，IEC中央辦公室公布投票表決結(jié)果，顯示經(jīng)過修改后的IEC61158己正式獲得通過。投票情況如下：95票贊成，4票反對，1票棄權(quán)。長達(dá)15年之久的，環(huán)繞著國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線大戰(zhàn)以妥協(xié)而告終，結(jié)果是出現(xiàn)了多種標(biāo)準(zhǔn)。二、現(xiàn)有的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)1.IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)

國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEC/ISA）自1984年起著手于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工作。2000年通過8種類型，2003年通過10種類型，至2007年IEC61158第四版標(biāo)準(zhǔn)（IEC61158Ed.4-2007）采納了經(jīng)過市場考驗的的20種主要類型的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)。具體類型如下：Type1TS61158現(xiàn)場總線Type2ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線（美國Rockwell公司支持）Type3Profibus現(xiàn)場總線（德國Siemens公司支持）Type4P-NET現(xiàn)場總線（丹麥ProcessData公司支持）Type5FFHSE現(xiàn)場總線（原FF的H2，F(xiàn)isher-Rosemount公司支持）Type6Swift-Net現(xiàn)場總線（被撤銷）Type7WorldFIP現(xiàn)場總線（德國Alstom公司支持）Type8INTERBUS現(xiàn)場總線（德國PhoenixContact公司支持）Type9FFH1現(xiàn)場總線Type10PROFINET現(xiàn)場總線（實時以太網(wǎng)）Type11TCnet（實時以太網(wǎng)）Type12EtherCAT（實時以太網(wǎng)）Type13EthernetPowerLink（實時以太網(wǎng)）Type14EPA（實時以太網(wǎng)）Type15MODBUS-RTPS（實時以太網(wǎng)）Type16SERCOSI,II（現(xiàn)場總線）Type17VNET/IP（實時以太網(wǎng)）Type18CC-Link（現(xiàn)場總線）Type19SERCOSIII（實時以太網(wǎng)）

Type20HART（現(xiàn)場總線）

除上述外，還有IECTC17B通過的3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)：SDS（SmartDistributedSystem）、DeviceNet、AS-I（ActuatorSensorInterface）。2.其他現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898的CAN（ControlAreaNetwork）現(xiàn)場總線和美國Echelon公司推出的Lonworks現(xiàn)場總線等。三、產(chǎn)生多個現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的原因1.技術(shù)方面的原因：(1)現(xiàn)場總線是一項新技術(shù)，正處在“百花齊放”的時期。(2)新的數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)相比，可以實現(xiàn)更多更強大的功能。(3)儀表和執(zhí)行器層的通信在數(shù)字化后已不僅僅是物理信號的傳輸，還包括了許多控制與管理的內(nèi)容。(4)儀表和執(zhí)行器層的通信在數(shù)據(jù)的數(shù)量上大大增加、內(nèi)容上大大豐富了，任何規(guī)約都不能面面俱到。(5)數(shù)字化的儀表和執(zhí)行器能夠滿足更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求，但一種規(guī)約難以滿足各種不同應(yīng)用的需求。(6)功能的加強和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大使得產(chǎn)品帶上了系統(tǒng)的性質(zhì)，產(chǎn)品的復(fù)雜程度增加使標(biāo)準(zhǔn)化的難度大大增加。在這樣的技術(shù)背景下，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的過程將十分漫長。2.市場方面的原因：(1)現(xiàn)場總線意味著儀器儀表行業(yè)的全面升級換代，這是一個巨大的未來市場。(2)技術(shù)上的復(fù)雜性和難度使得實力強大的大公司看到了壟斷市場的機(jī)會。(3)實現(xiàn)壟斷的方法是保持高的技術(shù)門檻并推出自己獨特的產(chǎn)品。(4)現(xiàn)場總線數(shù)字化、信息化和系統(tǒng)性的特點，底層和上層緊密耦合的特點成為保持高技術(shù)門檻的有利條件。第六節(jié)工業(yè)以太網(wǎng)一、概述所謂工業(yè)以太網(wǎng)（IndustrialEthernet），就是應(yīng)該用于自動化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)。

與其他現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點：(1)應(yīng)用廣泛。以太網(wǎng)具是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，可以保證有多種開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境供選擇。(2)成本低廉。以太網(wǎng)有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇，且硬件價格相對低廉。目前，以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有Profibus、FF等現(xiàn)場總線網(wǎng)卡的1/10。(3)通信速率高。目前，10Mbps、100Mbps的快速以太網(wǎng)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，1Gbps以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10Gbps以太網(wǎng)技術(shù)也正在研究。(4)軟硬件資源豐富。以太網(wǎng)以應(yīng)用多年，人們在以太的設(shè)計、應(yīng)用方面有很多的經(jīng)驗，大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著地降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。(5)可持續(xù)發(fā)展、潛力大。以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入。(6)易與Internet連接。能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。

20世紀(jì)90年代中后期開始，以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域就開始逐步得到應(yīng)用。工程應(yīng)用實踐表明，通過采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計和流量控制技術(shù)，以太網(wǎng)完全能夠滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域的通信要求。目前，PLC、DCS等多數(shù)控制設(shè)備或系統(tǒng)已經(jīng)開始提供以太網(wǎng)接口。二、工業(yè)以太網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展和關(guān)鍵問題的突破，使得工業(yè)自動化領(lǐng)域控制級以上的通信網(wǎng)絡(luò)正在逐步統(tǒng)一到工業(yè)以太網(wǎng)，并正在向下逐漸延伸。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)正在加快推廣應(yīng)用，使用哪一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)提到了議事日程。在工業(yè)控制領(lǐng)域，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展不可能脫離原來的DCS、PLC和FCS控制與管理系統(tǒng)基礎(chǔ)，各國的工業(yè)自動化系統(tǒng)公司為了保護(hù)已有的投資利益和擴(kuò)大自己公司產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，紛紛提出工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)方案，從而出現(xiàn)了現(xiàn)場總線在轉(zhuǎn)向工業(yè)以太網(wǎng)的同時，又將現(xiàn)場總線之爭讓路給工業(yè)以太網(wǎng)的局面。

工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議有多種，如FFHSE、IDA（Schineider公司支持）、PROFINET（Siemens公司支持）、Ethernet/IP（RockwellAutomation和Omrom公司支持）等它們在本質(zhì)上仍基于以太網(wǎng)技術(shù)（IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）。對應(yīng)于ISO/OSI通信參考模型，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層則采用被稱為以太網(wǎng)“事實上”標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議族（UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP），他們構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)的低四層。在高層協(xié)議通常都省略了會話層和表示層，而定義了應(yīng)用層，有的工業(yè)以太網(wǎng)還定義了用戶層（如FFHSE）。應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層應(yīng)用層CIP、HTTP等TCP、UDPIP、ICMPIEEE802.3以太網(wǎng)

Ethernet/IP通信模型ISO/OSI通信模型1.Ethernet/IP（theControlNet/DevicenetObjectsonTCP/IP）Ethernet/IP通信模型是以太網(wǎng)、TCP/IP和CIP的集成，其中應(yīng)用層使用CIP是Ethernet/IP和其他工業(yè)以太網(wǎng)的主要區(qū)別。CIP（ControlandInformationProtocol）包含了所有經(jīng)典的PLC運算，它與DeviceNet和ControlNet是共享的，保證了它們之間的可互操作性。Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信模型Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Ethernet/IP以太網(wǎng)協(xié)議是一種開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它支持顯性和隱性報文，并且使用目前流行的商用以太網(wǎng)芯片和物理媒體。Ethernet/IP網(wǎng)絡(luò)使用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一組裝置點對點地連接到交換機(jī)。星形拓?fù)涞膬?yōu)點是支持10Mbps和100Mbps的產(chǎn)品，可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)品混合使用。星形拓?fù)浣泳€簡便，很容易查找故障，維護(hù)也簡單等。

PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化標(biāo)準(zhǔn)。在2001年8月發(fā)布的PROFINETV1.0，加強了以太網(wǎng)、TCP/UDP/IP以及微軟的DCOM、OPC和XML作用，而在2003年推出的PROFINETV2.0，將通過實時通道（旁路掉TCP/IP協(xié)議棧）加進(jìn)實時的功能。2.PROFINET（ProfibusonEthernet）PROFInetV2.0實時數(shù)據(jù)優(yōu)化通信通道①標(biāo)準(zhǔn)通道實現(xiàn)（TCP/IP和UDP/IP）：參數(shù)化和組態(tài)；診斷數(shù)據(jù)；用戶數(shù)據(jù)傳輸。②實時通道RT：高速循環(huán)用戶數(shù)據(jù)傳輸；事件觸發(fā)的信息/報警。③同步實時通道IRT：同步數(shù)據(jù)傳輸；抖動<1μs。

實質(zhì)上，PROFINET=標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)+COM/DCOM+開放標(biāo)準(zhǔn)+PROFIBUS。

應(yīng)用代理設(shè)備（Proxy）可以將PROFIBUS、Interbus、AS-I和Devicenet等現(xiàn)場總線集成到PROFINET中。由此可見，PROFINET的核心設(shè)備是應(yīng)用代理設(shè)備，它將所掛接的設(shè)備抽象為COM服務(wù)器，設(shè)備之間的交互變成COM服務(wù)器之間的相互調(diào)用，這樣系統(tǒng)易于擴(kuò)展。PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)3.

MODBUS-IDA（ModbusprotocolonTCP/IP）IDA（InterfaceforDistributedAutomation）是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，它將一種實時的基于Web的分布自動化環(huán)境與集中的安全體系結(jié)構(gòu)加以結(jié)合，目標(biāo)是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散解決方案。Modbus-IDA工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是總線型分級分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也可以采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。管理級采用以太網(wǎng)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，它由目前流行的商用以太網(wǎng)集線器、交換機(jī)和收發(fā)器等構(gòu)成，可完成用戶各種管理功能；控制級包括PLC、IPC、分布式I/O、人機(jī)界面、電機(jī)速度控制器和網(wǎng)關(guān)等，采用ModbusTCP/IP協(xié)議，完成各種控制功能；現(xiàn)場級可采用基于Modbus協(xié)議或Ethernet協(xié)議的各類設(shè)備和I/O裝備；嵌入式Web服務(wù)是系統(tǒng)核心技術(shù)之一，使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器就可以讀取設(shè)備的各類信息、修改設(shè)備的配置和查看歷史故障記錄。同時，集成式Web服務(wù)器可完成系統(tǒng)設(shè)備的診斷功能。Modbus-IDA通信協(xié)議模型建立在面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上，這些對象可以通過API應(yīng)用程序接口被應(yīng)用層調(diào)用。通信協(xié)議同時提供實時服務(wù)和非實時服務(wù)。非實時通信基于TCP/IP協(xié)議，充分采用IT成熟技術(shù)，如基于網(wǎng)頁的診斷和配置（HTTP）、文件Modbus-IDA通信協(xié)議模型傳輸（FTP）、網(wǎng)絡(luò)管理（SNMP）、地址管理（BOOTP/DHCP）和郵件通知（SMTP）等；實時通信服務(wù)建立在RTPS（實時發(fā)布者/予訂者模式）和Modbus協(xié)議之上。RTPS協(xié)議及其應(yīng)用程序接口（API）由一個對各種設(shè)備都一致的中間件來實現(xiàn)，它采用美國RTI公司的NDDS3.0實時通信系統(tǒng)，并構(gòu)建在UDP協(xié)議上；Modbus協(xié)議構(gòu)建在TCP協(xié)議上。4.FFHSE（FoundationFieldbusHighSpeedEthernet）1998年，美國FieldbusFoundation(FF)決定采用高速以太網(wǎng)(HSE)技術(shù)開發(fā)H2現(xiàn)場總線，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制級以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，控制級以下仍使用解決了兩線制供電的H1現(xiàn)場總線，從而構(gòu)成了信息集成開放的體系結(jié)構(gòu)。FFHSE工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)H1以31.25kbps速度工作，支持過程控制應(yīng)用HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范，并根據(jù)過程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無縫地進(jìn)行操作，因而FFHSE可以使用當(dāng)前流行的商用(COTS)以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓?fù)洳捎媒粨Q機(jī)構(gòu)成星形連接，這種交換機(jī)具有防火墻功能，以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3信號傳輸、標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備與交換機(jī)之間距離，使用雙絞線為100m，使用全雙工光纜則可達(dá)2000m。HSE使用連接裝置(LinkingDevice)連接H1子系統(tǒng)，LD履行網(wǎng)橋功能，它容許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場設(shè)備完成點對點等通信。HSE支持冗余通信，如果一條線路斷開，則數(shù)據(jù)流將立即移至后備線路傳送。采用冗余的交換機(jī)和連接裝置可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、的冗余與容錯，HSE上的任何設(shè)備都能作冗余配置。5.幾個工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對比來自國際PI技術(shù)組織的幾個工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)實時性、TCP/IP和無線自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)安全的調(diào)查報告三、工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)1.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)體系中，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最常用的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但在工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)中，通常將控制區(qū)域分為若干控制子域，根據(jù)不同系統(tǒng)規(guī)模和具體情況，靈活采用星型、環(huán)型（包括冗余雙環(huán)）和線型（或類總線型）結(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(1)星型結(jié)構(gòu)

每個站通過點到點的方式連接到工業(yè)以太網(wǎng)集線器（或交換機(jī)）上，任何節(jié)點之間的通信都通過工業(yè)以太網(wǎng)集線器（或交換機(jī)）進(jìn)行。(2)線型結(jié)構(gòu)

采用線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接的工業(yè)以太網(wǎng)集線器（或交換機(jī)）通常有一對級聯(lián)接口，通過相互之間的級聯(lián)，將不同控制區(qū)域聯(lián)系在一起。(3)環(huán)型結(jié)構(gòu)

將線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中首尾兩個工業(yè)以太網(wǎng)集線器（或交換機(jī)）的輸入/輸出接口再用一根線纜連接在一起，因此是線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種特殊形式。2.傳輸介質(zhì)工業(yè)以太網(wǎng)中使用的通信線纜包括同軸電纜、雙絞線和光纖。

根據(jù)工業(yè)環(huán)境的現(xiàn)狀，工業(yè)以太網(wǎng)對環(huán)境的適應(yīng)性要比傳統(tǒng)的商業(yè)以太網(wǎng)更強，包括設(shè)備、通信線纜、連接件在內(nèi)的防爆性、抗腐蝕性、機(jī)械強度、電磁兼容性等。但目前尚無關(guān)于以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境下的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。四、工業(yè)以太網(wǎng)通信的實時性

以太網(wǎng)采用CSMA/CD機(jī)制解決通信介質(zhì)層的競爭，其通信的“不確定性”長期以來成為它在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點和主要障礙。研究表明，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較小的情況下，沖突發(fā)生的概率很小；隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性不斷提高，也使以太網(wǎng)逐漸區(qū)域確定性；基于良好設(shè)計的以太網(wǎng)是確定性的實時通信系統(tǒng)，如經(jīng)過精心設(shè)計，工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時間小于4ms，可滿足幾乎所有工業(yè)過程的要求。在工業(yè)以太網(wǎng)中，實現(xiàn)實時性的機(jī)制主要包括：1.工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

在工業(yè)以太網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)中，每一個端口就是一個沖突域，各個沖突域通過交換機(jī)進(jìn)行隔離，實現(xiàn)了系統(tǒng)中沖突域的連接和數(shù)據(jù)幀的交換。

2.全雙工（Full-Duplex）通信

全雙工支持端對端之間的同時發(fā)送和接收，但只能點對點通信，也不再使用CSMA/CD的介質(zhì)訪問方式，故不存在沖突問題。3.虛擬局域網(wǎng)（VLAN）—IEEE802.1q

是一個多播域，它不受地理位置的限制，可以跨多個局域網(wǎng)交換機(jī)。一個VLAN可以根據(jù)部門職能、對象組及應(yīng)用等因素將不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)用戶劃分為一個邏輯網(wǎng)段。4.優(yōu)先級服務(wù)—IEEE802.1p和IEEE802.1d

在工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)中，對多種信息按優(yōu)先級進(jìn)行分組傳輸，是滿足工業(yè)控制某些場合需要嚴(yán)格通信實時的要求?？梢栽趫笪闹性O(shè)置優(yōu)先級標(biāo)記，這樣交換機(jī)就可以根據(jù)報文優(yōu)先級由高到低的順序，進(jìn)行報文轉(zhuǎn)發(fā)。五、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢與前景1.發(fā)展趨勢(1)工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合1)物理介質(zhì)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信線纜（如雙絞線、光纖等）；2)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接設(shè)備（如交換機(jī)等）；3)采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組；4)應(yīng)用層（甚至是用戶層）采用現(xiàn)場總線的應(yīng)用層、用戶層協(xié)議；5)兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等。

這方面比較典型的應(yīng)用，如法國Schineider公司推出的“透明工廠”的概念。將工廠的商務(wù)網(wǎng)絡(luò)、車間制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成暢通的透明網(wǎng)絡(luò)，并與Web相結(jié)合，與工廠的電子商務(wù)、物資供應(yīng)鏈和ERP等形成整體。(2)工業(yè)以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信

目前，國際電工委員會正著手起草實時以太網(wǎng)（Real-timeEthernet，RTE）標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的全面應(yīng)用。

在國內(nèi)，以浙江大學(xué)、浙江中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)和重慶郵電大學(xué)等單位，在國家“863”計劃的支持下，開展了EPA（Ethernet

forPlantAutomation）技術(shù)的研究，重點是研究以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)。取得了以下成果：1)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破：實時通信技術(shù)；總線供電技術(shù)；遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)；可靠性技術(shù)。2)起草了EPA國家標(biāo)準(zhǔn)。3)開發(fā)了基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制設(shè)備軟件的原型樣機(jī)，并在化工生產(chǎn)裝置上成功應(yīng)用。

EPA標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程：1)2002年4月，首次提出制定EPA現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)；2)2003年12月，正式向IEC/SC65C正式提交了中國的EPA標(biāo)準(zhǔn)提案；3)2005年3月，EPAPAS提案以95.8%的贊成票被發(fā)布為IEC/PAS62409標(biāo)準(zhǔn)化文件。4)

2005年6月，EPA正式作為第十四共用行規(guī)簇（CommonProfileFamily14，CPF14）列入實時以太網(wǎng)應(yīng)用行規(guī)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2。5)

2007年11月，EPA成功被IEC（國際電工委員會）接收為現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，EPA被發(fā)布為第14類型TYPE14現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158-3-14/-4-14/-5-14/-6-24。EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.發(fā)展前景

美國權(quán)威調(diào)查機(jī)構(gòu)ARC（AutomationResearchCompany）報告指出，今后Ethernet不僅繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機(jī)和工業(yè)控制系統(tǒng)上層網(wǎng)絡(luò)通信市場，也必將領(lǐng)導(dǎo)未來現(xiàn)場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。

由于以太網(wǎng)有著“一網(wǎng)到底”的美景，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)將成為現(xiàn)場總線中的主流技術(shù)。

第七節(jié)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成一、控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要由處理企業(yè)管理與決策信息的信息網(wǎng)絡(luò)和處理企業(yè)現(xiàn)場實時測控信息的控制網(wǎng)絡(luò)組成。企業(yè)資源計劃生產(chǎn)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.信息網(wǎng)絡(luò)

信息網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的上層，處理大量的、變化多樣的信息，是企業(yè)數(shù)據(jù)共享和傳輸?shù)妮d體。它需要滿足如下要求：(1)是高速通信網(wǎng)絡(luò)；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體的傳輸；(3)與Internet互聯(lián)；(4)是一個開放的系統(tǒng)；(5)滿足數(shù)據(jù)安全性要求；(6)易于技術(shù)擴(kuò)展和升級更新。2.控制網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)處于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的下層，處理實時的、現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備的現(xiàn)場信息。它的實現(xiàn)既可采用現(xiàn)場總線技術(shù)，也可采用工業(yè)以太網(wǎng)，或者兩者的結(jié)合。其技術(shù)特點如下：(1)要求節(jié)點有高度的實時性。(2)容錯性強，具有高可靠性和安全性。(3)協(xié)議實用、簡單、可靠。(4)結(jié)構(gòu)的分散性。(5)現(xiàn)場控制設(shè)備的智能化和功能自治性。(6)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量小和節(jié)點處理能力需要減少。(7)性能價格比高。3.控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的區(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)的最基本要求。在信息網(wǎng)絡(luò)的大部分使用中實時性是忽略的。

(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?、可靠性。在易燃易爆場合，控制網(wǎng)絡(luò)還具有本質(zhì)安全性。(3)在控制網(wǎng)絡(luò)中，通信方式多使用廣播或組播方式。在信息網(wǎng)絡(luò)中，一般使用一對一的通信方式。(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)中的互操作問題。二、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)

現(xiàn)場總線作為底層控制網(wǎng)絡(luò)，得到了大量的應(yīng)用。由于國際上現(xiàn)場總線存在著多種標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)多元化趨勢也將會長期存在，這就給廣大使用者帶來一個重要的問題：如何實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線之間的通信聯(lián)系，以及現(xiàn)場總線（控制網(wǎng)絡(luò)）與信息網(wǎng)絡(luò)的信息交換等，這將涉及所謂的網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)問題。

從使用角度來講，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成主要需要解決以下兩個問題：(1)控制網(wǎng)絡(luò)如何實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；(2)不同現(xiàn)場總線之間的集成。1.控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成的目標(biāo)是實現(xiàn)管理與控制一體化的、統(tǒng)一的和集成的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。主要的集成方式有：(1)互連技術(shù)。在底層網(wǎng)段與中間監(jiān)控層之間加入中繼器、網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)等專門的硬件設(shè)備，使控制網(wǎng)絡(luò)作為信息網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與之緊密集成。(2)遠(yuǎn)程通信技術(shù)。當(dāng)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)地理上相距較遠(yuǎn)時，遠(yuǎn)程通信技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成的有效方法之一。遠(yuǎn)程通信技術(shù)有：利用調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)通信，基于TCP/IP的遠(yuǎn)程通信（包括應(yīng)用TCP/IP中的FTP協(xié)議和PPP協(xié)議）。(3)動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DynamicDataExchange，DDE）技術(shù)。實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)中實時數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)動態(tài)交換。該集成方式實時性較好、連接控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的通信處理機(jī)