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1、第l章 現(xiàn)場(chǎng)總線概述,討論內(nèi)容概述： 1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介 1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) 1.3 以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),參考文獻(xiàn)： 1陽(yáng)憲惠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用(第二版). 北京：清華出版社 2史久根等CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社 3雷 霖現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社，2004 4甘永梅，李慶豐，劉曉娟等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004 5李正軍現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006,6王黎明等CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2008 7饒運(yùn)濤等現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)（

2、第2版）. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以做些什么？,瀏覽網(wǎng)頁(yè)、收發(fā)電子郵件、網(wǎng)絡(luò)聊天（QQ、MSN、飛信等）。。。 網(wǎng)上購(gòu)物：淘寶、京東、當(dāng)當(dāng)、卓越、各種團(tuán)購(gòu)網(wǎng)站。。。 網(wǎng)上金融：炒股、基金買賣、網(wǎng)銀、在線支付。。。 網(wǎng)上在線聽(tīng)、讀、看（音頻、文本、圖片、視頻）或下載。。。 手機(jī)上網(wǎng)（目前的各種智能手機(jī)）。。。 正在興起的“物聯(lián)網(wǎng)” 。。。,顯然，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正在改變著人們的工作方式與生活方式，并進(jìn)一步引起世界范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，促進(jìn)了全球信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)、文化、科研、軍事、政治、教育和社會(huì)生活等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

3、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信與控制技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的變革，也就是說(shuō)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為主的技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域引起了深刻的變革：,信息技術(shù)迅速滲透到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備層，覆蓋從生產(chǎn)車間到企業(yè)管理的各個(gè)方面，溝通從原料供應(yīng)、生產(chǎn)制造到生產(chǎn)調(diào)度、資源規(guī)劃乃至市場(chǎng)銷售的各個(gè)環(huán)節(jié)，逐步形成了以控制網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。 測(cè)控總線技術(shù)課程主要討論的是：生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的底層控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)。它是順應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)的變革趨勢(shì)而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。,1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介,1.1.1 什么是現(xiàn)場(chǎng)總線 與其他技術(shù)一樣，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也是逐步發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)總線原來(lái)是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間公用的信

4、號(hào)傳輸線。 之后被定義為應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。 技術(shù)發(fā)展至今，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)成為控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的代名詞，廣泛應(yīng)用于離散制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、國(guó)防、環(huán)境保護(hù)以及農(nóng)、林、牧等各行各業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)中。,什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？ 現(xiàn)場(chǎng)總線以測(cè)量控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以雙絞線等傳輸介質(zhì)為紐帶，把位于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、具備數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力的測(cè)控設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在多個(gè)測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)各種應(yīng)用需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)的變化就像計(jì)算機(jī)網(wǎng)

5、絡(luò)給單臺(tái)計(jì)算機(jī)帶來(lái)的變化一樣，它使測(cè)控設(shè)備連成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)并與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，使控制網(wǎng)絡(luò)成為信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。,現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生的背景： 現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的。 隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。而處于生產(chǎn)過(guò)程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，或采用一對(duì)一連線，用電壓、電流（模擬信號(hào)）進(jìn)行測(cè)量控制；或采用自封閉式的集散系統(tǒng)。這些方式難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。 設(shè)想一下你成為“信息孤島”（沒(méi)帶手機(jī)、無(wú)法上網(wǎng)。。。）時(shí)會(huì)怎樣？,要實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的信息集成，實(shí)施綜合自動(dòng)化，就必須設(shè)

6、計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。（要求） 現(xiàn)場(chǎng)總線在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生。（通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)） 作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間互連的控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。（結(jié)果）,現(xiàn)場(chǎng)總線是一項(xiàng)以數(shù)字通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。 它作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間信息溝通的紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備連接為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)測(cè)量功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)諸如PID控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)

7、修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的自動(dòng)化功能，從而使自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)變。 我們通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的回顧來(lái)體會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線使自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)變這一觀點(diǎn)。,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）屬于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（NCS，Networked Control System），這是新一代控制系統(tǒng)。 在此之前的控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程是： 基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)； 電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)； 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)； 集散控制系統(tǒng)（DCS）。 它們的特征簡(jiǎn)單回顧如下。,基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)： 50年代以前，由于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模較小，檢測(cè)

8、控制儀表處于發(fā)展的初級(jí)階段，采用的是直接安裝在生產(chǎn)設(shè)備上、只具備簡(jiǎn)單測(cè)控功能的基地式氣動(dòng)儀表，其信號(hào)僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能傳送給別的儀表或系統(tǒng)，即各測(cè)控點(diǎn)只能處于封閉狀態(tài)，無(wú)法與外界進(jìn)行信息溝通，操作人員只能通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的巡視，了解生產(chǎn)過(guò)程的狀況。,電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)： 隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，操作者需綜合掌握多個(gè)測(cè)控點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，同時(shí)按多點(diǎn)的信息實(shí)行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動(dòng)、電動(dòng)系列的單元組合式儀表，出現(xiàn)了集中控制室。 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)控點(diǎn)的參數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)（如0.0020.01MPa的氣壓信號(hào)，010mA、420mA的直流電流信號(hào)，15V 直流電壓信號(hào)等）送往集中

9、控制室。操作人員可坐在控制室縱觀生產(chǎn)流程各測(cè)控點(diǎn)的狀況，同時(shí)，可把各單元儀表的信號(hào)按需要組合成復(fù)雜控制系統(tǒng)。,集中式數(shù)字控制系統(tǒng)： 模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，因此信號(hào)傳輸緩慢，抗干擾能力也較差。 當(dāng)用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)時(shí)，就出現(xiàn)了直接數(shù)字控制技術(shù)。 但是，由于當(dāng)時(shí)的數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)，價(jià)格昂貴，因此采用了用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代控制室中幾乎所有儀表盤的方式，這樣就出現(xiàn)了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。 但這種結(jié)構(gòu)形式的控制系統(tǒng)中的數(shù)字計(jì)算機(jī)一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓、生產(chǎn)過(guò)程終止。這種危險(xiǎn)的集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過(guò)程接受。,集散控制系統(tǒng)（DCS）： 隨著計(jì)算機(jī)可

10、靠性的提高，價(jià)格的大幅下降，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程控制器 (PLC)以及由多個(gè)計(jì)算機(jī)遞階構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)（DCS）。 DCS在功能和性能上較組合式模擬儀表、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)有了很大的提高，可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)、車間級(jí)的優(yōu)化控制。 但DCS仍然存在缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：,,在DCS形成過(guò)程中，由于受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家的設(shè)備不能互連，難以實(shí)現(xiàn)互換與互操作，并且在組成更大范圍信息共享的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)存在很多困難。,新型的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)： 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)克服了DCS中采用專用網(wǎng)絡(luò)的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開(kāi)

11、化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。即可以把來(lái)自不同廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能（就像帶有網(wǎng)卡的戴爾、聯(lián)想等品牌的計(jì)算機(jī)都能連到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中一樣）。 同時(shí)，把DCS的模擬數(shù)字混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，變成了新型的全分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)PID等基本控制功能。,1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)適應(yīng)了綜合自動(dòng)化的發(fā)展需要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)末，全球市場(chǎng)逐漸形成，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)加劇，要求產(chǎn)品的技術(shù)含量更高、更新?lián)Q代更快。對(duì)處于全球市場(chǎng)中的工業(yè)生產(chǎn)提出了如下要求： 加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，按市場(chǎng)需求調(diào)整產(chǎn)品的上

12、市時(shí)間（T，time to market）； 改善質(zhì)量（Q，quality）； 降低成本（C，cost）； 不斷完善售前售后服務(wù)（S，service）。,為適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要，在追求TQCS的過(guò)程中逐漸形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。即采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點(diǎn)來(lái)組織工業(yè)生產(chǎn)。把市場(chǎng)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造過(guò)程、企業(yè)管理、售后服務(wù)看作需統(tǒng)一考慮的生產(chǎn)過(guò)程，并采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的綜合自動(dòng)化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策等。在集成信息的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化資源配置與生產(chǎn)操作，增加產(chǎn)量，改善TQCS，提高企業(yè)的市場(chǎng)應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。,由于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)把整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程看作是信息的

13、采集、傳送及加工處理過(guò)程，因而信息技術(shù)成為工業(yè)生產(chǎn)制造過(guò)程的重要因素。 在計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為計(jì)算機(jī)集成制造提供了條件?，F(xiàn)場(chǎng)總線是實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程信息集成，實(shí)施綜合自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)，能適應(yīng)信息時(shí)代自動(dòng)化系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合自動(dòng)化的發(fā)展需求。,主要討論： 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線的缺點(diǎn) 即從不同的角度討論現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn)。,1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn),1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比如下： 由圖能看出些什么？,,,,由上述結(jié)構(gòu)圖可看出現(xiàn)場(chǎng)總線系

14、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在： （1）傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)按控制回路進(jìn)行連接。位于控制室的控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、馬達(dá)之間均為一對(duì)一的物理連接。而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，設(shè)備之間采用網(wǎng)絡(luò)式連接，各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作為總線上的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)掛接在一條總線上。,（2）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中采用的是智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因此能夠把原先DCS中處于控制室的控制計(jì)算功能模塊（如PID等）、輸入輸出功能模塊（如AI、AO等）置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)的功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表而直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹

15、底的分散控制。,（3）由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)（包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息），同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡(jiǎn)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(fèi)用創(chuàng)造了條件。,1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下5個(gè)特點(diǎn)。 （1）系統(tǒng)的開(kāi)放性 開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)規(guī)范的一致與公開(kāi)，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。 系統(tǒng)的開(kāi)放性體現(xiàn)在通信協(xié)議公開(kāi)，不同廠商提供的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息交換。用戶可按自己的需要，把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成適合控制應(yīng)用

16、需求的系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互連系統(tǒng)。,（2）互可操作性 互可操作性，是指網(wǎng)絡(luò)中互連的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳送與交換。如A設(shè)備可以接收B設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以控制C設(shè)備的動(dòng)作與所處狀態(tài)。 （3）通信的實(shí)時(shí)性與確定性 許多測(cè)控任務(wù)都有嚴(yán)格的時(shí)序要求和實(shí)時(shí)性要求。這就要求現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)能提供相應(yīng)的通信機(jī)制以滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 現(xiàn)場(chǎng)總線中的媒體訪問(wèn)控制機(jī)制、通信模式、網(wǎng)絡(luò)管理與調(diào)度方式等影響通信實(shí)時(shí)性。（后面的章節(jié)將會(huì)述及這些內(nèi)容）,（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性 智能化主要體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

17、的數(shù)字計(jì)算與數(shù)字通信能力。 功能自治性是指將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制計(jì)算等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，借助現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。,（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性 現(xiàn)場(chǎng)總線工作在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。 在高溫、嚴(yán)寒、粉塵環(huán)境下能保持正常工作狀態(tài)，具備抗震動(dòng)、抗電磁干擾能力； 在易燃易爆環(huán)境下能保證本質(zhì)安全，有能力支持總線供電。 上述技術(shù)特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)有別于普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要方面。,1.2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)和檢修維護(hù)方面都體現(xiàn)出了優(yōu)越性。,（1）節(jié)省硬

18、件數(shù)量與投資 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，由于分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能（即功能自治性的技術(shù)特點(diǎn)），因而可減少變送器數(shù)量（不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等），也不再需要DCS的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線（因?yàn)樵贒CS中，測(cè)量變送儀表一般仍然為模擬儀表，控制計(jì)算功能模塊（如PID等）和輸入、輸出功能模塊（如AI、AO等）處于控制室） ，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省硬件投資，并可減少控制室占地面積。,（2）節(jié)省安裝費(fèi)用 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線簡(jiǎn)單，一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校

19、對(duì)的工作量也大大減少。 當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，可就近連接在原有的電纜上而無(wú)需增設(shè)新的電纜，這既節(jié)省了投資，又減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。 有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料表明，可節(jié)約安裝費(fèi)用60以上。,（3）節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷 由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理能力并通過(guò)數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行和診斷維護(hù)信息，以便盡早分析故障原因并快速排除，減少了維護(hù)停工時(shí)間。 同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。 （4）用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán) 用戶可自由選擇不同廠商提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)（系統(tǒng)具有開(kāi)放性的技術(shù)特點(diǎn)），即系統(tǒng)集成

20、過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在用戶手中。,（5）提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性 與模擬信號(hào)相比，由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，因此從根本上提高了測(cè)量與控制的精度，減少了傳送誤差。 同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，因此減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 此外，由于設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，功能的模塊化，因而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。,現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)也存在問(wèn)題： 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。而網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)、通信系統(tǒng)的瞬時(shí)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)包的丟失、各數(shù)據(jù)包發(fā)送與到達(dá)次序的不一致等都有可能破壞傳統(tǒng)控制系統(tǒng)原本具有的確定性，

21、有可能對(duì)控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。 如何使控制網(wǎng)絡(luò)滿足控制系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性、確定性的要求是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)該關(guān)注的重要問(wèn)題。,1.3 以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),1.3.1 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組成 以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如下圖所示。,,,,該系統(tǒng)按功能結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)層次，從底向上依次為： 現(xiàn)場(chǎng)控制層（FCS，F(xiàn)ield Control System）； 制造執(zhí)行層（MES，Manufacturing Execution System）； 企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP，Enterprise Resource Planning）。 各層之間的網(wǎng)絡(luò)連接與信

22、息交換，構(gòu)成完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。,圖中，ERP與MES層大多采用以太網(wǎng)構(gòu)成信息網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多為各種計(jì)算機(jī)及外設(shè)，它們之間的網(wǎng)絡(luò)集成、它們與外界互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交互解決得較好，信息集成相對(duì)容易。 圖中H1、PROFIBUS、LonWorks等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，構(gòu)成FCS，是企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。目前FCS采用的控制網(wǎng)絡(luò)種類較多，再加上DCS、PLC、SCADA等，控制網(wǎng)絡(luò)從通信協(xié)議到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型都與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存在較大差異。這使得控制網(wǎng)絡(luò)之間、控制網(wǎng)絡(luò)與外部互聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)信息交換的難度加大，互聯(lián)和互操作存在較多障礙。,根據(jù)前面的分析，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各層次的信息傳遞示意如下圖所示。該圖可看成是

23、前圖的簡(jiǎn)化形式。,從圖中可見(jiàn)，除現(xiàn)場(chǎng)控制層FCS外，上面的ERP和MES都采用以太網(wǎng)。,,,,1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的作用 早期企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能層次較多，包括從過(guò)程控制、監(jiān)控、調(diào)度、計(jì)劃、管理到經(jīng)營(yíng)決策等。 隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次趨于扁平化，同時(shí)對(duì)功能層次的劃分也更為簡(jiǎn)化。底層為控制網(wǎng)絡(luò)所處的現(xiàn)場(chǎng)控制層(FCS)，最上層為企業(yè)資源規(guī)劃層(ERP)，而將傳統(tǒng)概念上的監(jiān)控、計(jì)劃、管理、調(diào)度等多項(xiàng)控制與管理功能交錯(cuò)的部分，都包括在中間的制造執(zhí)行層(MES)中。,現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的作用主要是為自動(dòng)化系統(tǒng)傳遞數(shù)字信息，借助現(xiàn)場(chǎng)總線把控制設(shè)

24、備連成控制系統(tǒng)。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)臄?shù)字信息主要包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量值、控制量、閥門的工作位置、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)量程調(diào)校信息等。它們是企業(yè)信息的重要組成部分。 企業(yè)的管控一體化系統(tǒng)需要控制信息的參與，生產(chǎn)的優(yōu)化調(diào)度需要集成不同裝置的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這些都需要在現(xiàn)場(chǎng)控制層內(nèi)部，在FCS與制造執(zhí)行層（MES）、企業(yè)資源規(guī)劃層（ERP）各層間，方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享。,1.3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線與上層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線所處的特殊環(huán)境及所承擔(dān)的實(shí)時(shí)控制任務(wù)是普通局域網(wǎng)和以太網(wǎng)難以取代的，因而現(xiàn)場(chǎng)總線至今依然保持著它在現(xiàn)場(chǎng)控制層的地位和

25、作用。 但是，現(xiàn)場(chǎng)總線需要同上層的信息網(wǎng)絡(luò)、與外界的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換，以拓寬控制網(wǎng)絡(luò)的作用范圍，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管控一體化。,目前，現(xiàn)場(chǎng)總線與上層網(wǎng)絡(luò)的連接方式一般有以下三種： 一是采用專用網(wǎng)關(guān)完成不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)中。 下圖給出了通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與上層網(wǎng)絡(luò)的示意圖。,,二是將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)卡都置入工業(yè)PC的PCI插槽（廣義上應(yīng)該是PC的IO總線插槽）內(nèi)，在PC內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換，如下圖所示。,,三是將Web服務(wù)器直接置入PLC或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備內(nèi)，借助Web服務(wù)器和通用瀏覽工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)交互。 這是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接應(yīng)用的結(jié)果，但它需要有一直延伸到工廠底層的以太網(wǎng)支持。正是因?yàn)榭刂圃O(shè)備內(nèi)嵌Web服務(wù)器，使得現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備有條件直接通向互聯(lián)網(wǎng)，與外界直接溝通信息。而在這之前，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備是不能直接與外界溝通信息的。,現(xiàn)場(chǎng)總線與上層信息網(wǎng)絡(luò)的連接使互聯(lián)網(wǎng)信息共享的范圍延伸到設(shè)備層，同時(shí)也拓寬了測(cè)量控制系統(tǒng)的視野和工作范圍，為實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程故障診斷創(chuàng)造了條件。 人們可以在千里之外查察看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，方便地實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地段生產(chǎn)設(shè)備的無(wú)人值守，遠(yuǎn)程診斷生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的故障，在辦公室查詢并操作家中的各類電器等設(shè)備。,