现场总线控制网络与网络集成

计算机与通信技术结合产生了计算机网络后，企业管理部门间通信都以网络为中介，实现了信息与资源共享。同时，信息技术的发展也引起了自动化结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。Fieldbus(现场总线)就是顺应这一形势发展起来的新技术，它是计算机网络与控制系统结合的必然产物，它的出现标志着工业控制领域又一个新时代的开始。
现场总线是对DCS(集散控制系统)的拓展，突破了DCS相对封闭的限制，它将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。现场总线是工厂底层信息及数据传递的主体，在整个工厂的控制网络中，现场总线处于重要的基础地位。自80年代末以来，国外相继出现了一些有影响的现场总线标准，如：基金会现场总线(FF，Foundation Fieldbas)、lonWork总线、 Profibus、CAN控制局域网等，它们大都是在各公司标准的基础上逐渐形成的，在今后一段时期内，会出现几种现场总线标准共存的局面。现在一个统一的现场总线通信协议的国际标准已经形成，真正的开放互连系统，是大势所趋。

1 现场总线控制系统的特点
现场总线系统(FCS)与传统的集散控制系统 (DCS)相比，有以下特点：
1.1 总线式结构
一对传输线(总线)挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。
1.2 开放互操作性
现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，在传统的DCS中，不同厂家的设备是不能相互访问的。而FCS采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成。
1.3 彻底的分散控制
现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站 CPU的计算负担。
1.4 信息综合、组态灵活
通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。此外，FCS引入了功能块的概念，通过统一的组态方法，使系统组态简单灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路。
1.5 多种传输媒介和拓扑结构
FCS由于采用数字通讯方式，因此可用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可应用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，据统计，FCS与传统DCS的主从结构相比，只计算布线工程一项即可节省40％的经费。

2 现场总线网络模型
现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议作了简化，一般只包括ISO／OSl7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。此外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。
基于上述考虑，统一的现场总线控制网络模型应具有三层结构，从底向上依次为：现场智能设备层、现场总线监控层、远程监控层。
2.1 现场智能设备层
依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A／D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能。智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。此外，总线上应有PLC接口，便于连接原有的系统。
现场设备是以网络节点6g形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。常见的现场总线网络拓扑结构有：
2.1.1 环形网
其特点是时延确定性好，重载时网络效率高，但轻载时等待令牌产生不必要的时延，传输效率下降。 2.1.2 总线网
其特点是节点接人方便，成本低。轻载时延时小，但网络通信负荷较重时延时加大，网络效率下降。此外传输延时不定。
2.1.3 树型网
其特点是可扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便。
2.1.4令牌总线网
结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。这样，网络传输延时确定无冲突，同时节点接人方便，可靠性好。
2.2 现场总线监控层
这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功能一般由上位计算机完成，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；或者通过专门的现场总线接口(转换器)实现现场总线网段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。
2.3 远程监控层
其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递。目前，远程监控实现的途径就是通过Internet，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。在这方面，WorldFIP现场总线技术具有优势。WorldFIP的报文比较灵活，兼容TCP／IP，可以无缝连接Internet，同时又不影响实时数据的传送，因此，整个控制网络可以采用统一的协议标准。此外，WorldFIP的现场设备中有内嵌的Web服务器，用户可以直接通过Internet访问现场设备中的信息，无需中间的协议转换器。
在整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网络模型的核心，只有确保总线设备之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以及实现监控功能。当前对现场总线的讨论多停留在底层的现场智能设备网段，但从完整的现场总线控制网络模型出发，应更多地考虑现场设备层与中间监控层、Internet应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集成。

3 网络集成
3.1 现场总线控制网络与DCS网络的集成
现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥它的优点，例如简单的小规模数字模拟混合系统，特别是现场和控制室距离近的情况。因此混合控制在统一集中的CPU中进行将比较方便，小系统所冒控制集中的风险也不大。而现场总线的控制分散的特点需要几种设备来实现，则显得繁琐。在当前和今后的一段时间内，工业控制网络将面临现场总线与 DCS网络共存的局面，因此，在工业控制网络结构设计时，考虑如何实现控制网络中异构网段情况下的网络集成的问题也是很现实的。
我们知道，DCS属非开放式专用网络，DCS主机是DCS系统的控制、通信中心。而在新型的工业控制网络体系中，整个DCS系统将作为其中的一个特殊子网存在，DCS主机则是一个普通的节点。在现场总线网络集成时有两种不同的方案：
(1)采用网关将DCS专用网络挂接在高速网络上；
(2)使用特殊网关或通信控制器，将现场总线系统挂接在DCS网络上；
3.2 控制网络和信息网络的集成
控制网络的通信技术不同于以传输信息和资源共享为目的的信息网络，其最终目标是实现对被控对象中能量和物质转移的有效控制，使系统安全稳定地进行。因此要求具有协议简单、安全可靠、纠错性好、成本低等特点。其网络负载稳定，多为短帧传送，信息交换频繁。实现控制网络与信息网络的紧密集成是建立企业综合实时信息库的基础，为企业的优化控制、调度决策提供依据；通过控制网络与信息网络的结构，可以建立统一的分布数据库，保证所有数据的完整性和互操作性；现场设备与信息网络实时通信，使用户通过信息网络中标准的图形界面随时随地的了解生产情况；控制网络和信息网络的紧密集成也便于实现远程监控、诊断和维护。
控制网络与信息网络的集成可以通过以下几种方式：
3. 2.1 在控制网络和信息网络之间加入转换接口
这种方式通过硬件来实现，即在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换；对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到网桥的作用。此外，硬件设备还可以是一块智能接口网板，Fisher – Rosemount的Deltav系统就通过一块机柜中的H1接口卡，完成现场总线智能设备与以太网中监控计算机之间的数据通信。
转换接口的集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用TCP／IP的以太网，而TCP／IP没有考虑数据传输的实时性，当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。
3.2.2 在控制网络和信息网络之间采用DDE技术
当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用DDE方式实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信息网络中的工作站。其中运行两个程序，一是接收、校验实时信息的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据信息；另一个是数据访问应用程序接口，它接收DDE服务器实时数据并写人数据库服务器中，供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。
DDE方式具有较强的实时性，而且比较容易实现，可以采用标准的Windows技术。但是涉及到复杂的协议转换时，DDE方式的软件费用比较大。因此这种方式适合配置简单的小系统。
3.2.3 控制网络和信息网络采用统一的协议标准
这种方式将成为控制网络和信息网络完成集成的最终解决方案。由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准，因此两者集成时总需要某种数据格式的转换机制，这将使系统复杂化，也不能确保数据的完整性。如果信息网络的协议标准是提高其实时性，而控制网络的协议标准是提高其传输速度，两者的兼容性就会提高，两者合二为一，这样从底层设备到远程监控系统，都可以使用统一的协议标准，不仅确保了信息准确、快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。上面提到的WorldFIP协议就可以兼容TCP／IP，因此可以方便地实现以太网和Internet的集成，使控制网络和信息网络紧密地结合在一起，最终实现统一的网络结构。当前多种总线标准并存，信息网络协议也不尽相同，所以要实现控制网络与信息采用统一的协议标准，还有很多问题要解决。
4 结束语
网络是企业综合自动化的基础，在整个企业的网络体系结构中，现场总线处于基础地位，因此构建完整的现场总线控制网络模型具有重要的意义。这种模型延伸到控制领域的最高层，即管理决策层，因此要求控制网络和信息网络紧密结合，保证从底层现场设备到顶层生产管理之间，正确的数据传输和数据转发。从长远来看，控制网络和信息网络终将归为一体，其间现场总线将起到沟通生产过程数据流和信息网络数据流的桥梁作用。