通过现场总线技术和计算机组网技术实现工厂自动化工作模式

毫无疑问现场总线技术给工业界带来了一场深刻的变革。尤其是柔性制造系统的兴起，使产业界由大批量生产模式转换成集管理、生产于一体的具有高度自动化水平的FA（工厂自动化）模式，而实现工厂自动化的关键便是计算机组网技术，现场总线无疑成了工业级网络的核心。

分层式工厂自动化网络系统

与传统的工业自动化模式相比，工厂自动化有如下的特点：

1. 控制方式由集中式转变为智能分布式

集中式控制方式不仅难于处理远距离控制问题，而且布线复杂，能耗大，更重要的是，其中央控制单元一旦出现问题，则全局瘫痪。这种控制方式已逐渐被淘汰。分布式控制思想完全克服了前述的弱点。尤其是这种控制方式将可能出现的问题限制在局部范围，即某一子站若出现问题不影响其它子站的正常工作。由此整个系统的可靠性便得到了很大的提高。另外这种控制方式实际上形成了一种模块式的网络拓扑结构，系统的扩展和缩减便可以象积木那样操作了。当然，系统的模块化还要求软件也具备模块化的特点，即增加硬件时，在不改动原有软件的基础上，在应用软件平面上添加相应的软件模块。这方面奥地利贝加莱（B&R）公司的PCC 产品尤为突出。

2．集管理与现场控制于一体

工厂自动化网络一般可分为三个层次，即：管理层，控制层和现场层。其中控制层和现场层主要负责控制或监控决策的组织和实施，这两层物理上主要通过现场总线（如CAN ， PROFIBUS 等）的手段来实现。管理层是整个网络的最高层次，整个系统的图文显示，管理决策制定与实施，各子系统间或与外系统的信息互换与交流以及数据库管理等智能都属于这个网络层次的范畴。这里同时又是广域网的节点。这个网络层常用的通信协议是Ethernet 的TCP / IP 。这种集管理与现场控制于一体的自动化网络可以体现如下优势：

（ l ）工厂决策层和现场设备间的透明性 通过对现场设备的图文显示，工厂的决策层可很容易地获得现场信息，同时结合管理层的有关市场营销、仓储以及财务等方面的信息及时作出决策，以便由有关部门通过计算机网络下达到现场层。

（ 2 ）分散网络化生产系统 分散网络化生产系统采用敏捷制造原理，通过工厂自动化网络管理层所提供的广域网接口，可以很方便地将距离甚远的集团成员组织在一起，从而实现异地决策、异地设计和异地生产的操作。这样就可以通过信息集成对企业实现高效益的管理。

3. 开放性和智能性

国际上标准的现场总线如CAN ， PROFIBUS 等的使用可使整个系统具有对外系统很好的兼容性。另一方面，智能分布式网络系统原则上可以通过任一子站实现对整个系统的监控和维护。比如对远方某一子站的软件进行维护，工程师无须亲自到该站去，只要在就近的子站处理或在家中通过MODEM 进行工作就可以了。当然系统的开放性还体现在用户对系统的参与。数据库可以很方便地以某种方式将用户自己的应用软件连接到系统中去，从而使系统充分体现用户的个性。

这种分布式的系统拓扑结构实际上将智能也进行了空间上的分布，使得系统中的每一个子站既能独立地工作，又能实现与系统其它部分的交流协作。 更形象地说，与集中式自动化系统相比，智能分布式的系统就象一个神经网络一样，将智能分配到了神经系统中的每一个节点或单元。所谓系统的智能性实际上就是系统具有根据获取的信息进行分析运算和判断的能力。系统的智能性主要表现如下几点：

管理层通过提供对广域网的结点使系统自身或对外界的交流具有了硬件基础。同时数据库和专家系统的使用使管理层具有越来越强的人工智能性。

控制层和现场层的计算机控制设备在分析运算能力上向着大型计算机的方向发展。如贝加莱（B&R）的可编程计算机控制器（ PCC ）的多任务分时操作系统，大容量程序存储能力（100kB 一16MB ） 以及高级语言（C）的编程界面等。

整个系统具有自诊断、自维护、错误记录以及报警保护等功能。

总而言之，加强系统的智能性的目的有两个：第一，减少人的干预，提高系统的质量和可靠性；第二，提高工作的速度和效率。

然而要实现所谓的工厂自动化（ PA ） ，现场总线技术将是关键所在。尤其是近年来在中国成立了多家现场总线协会，如FF协会，PROFIBUS 协会等。这些机构对现场总线在中国的推广做了大量的工作。然而至于哪一种现场总线是最好的确实要看使用的具体情况，而且最好由用户或市场作答。作者将利用下文的空间介绍一些现场总线的基本概念。

现场总线浅释

在工业自动化领域中常常要实现设备间的数据交流或对某种设备进行远程维护。这就提出了一个计算机通讯的问题。工业中的计算机通讯通常采用所谓的“总线技术”。图3列出了对常见总线系统的概述。

由图3可以看出，现场总线是工业总线系统中串行方式的一个分支，但它在工业自动化领域将扮演或正在扮演越来越重要的角色。

1. 网络拓扑结构

要实现PC 、PLC 、智能驱动设备等之间的相互连接，实际上就构成了一个计算机网络。网络拓扑结构的概念是指：一方面网络成员在网络中几何上的排序，另一方面与几何排序无关的逻辑排序。下面将介绍几种互为不同的几何排序方式。

（ l ）点对点连接 两个通讯伙伴最简单的数据交换方式是通过一根电缆来连接。比如MODEM 连接、PC 和打印机之间的连接等。这也是网络中最简单的一种。若有多个成员要通过点对点方式进行连接，则构成了一个网格化的网络。在这种拓扑结构中，每两个通信的成员便构成了一个点对点连接。这样对于n 个成员每个成员有（ nl ）个接口的网络，一共需n×（n1）/2个连接。一个结构网络的费用是可想而知的了。出错时或者一个成员或者一个通信通道退出。诊断是较为简单的。

（ 2 ）环形结构 环形结构同样是利用了点对点连接，只是在这里构成了一个物理环。在环上传递的信息是由一个成员递到下一个成员依次形成的信息传输。当然这里需要规定一个总线访问规约，以保证某一时刻只有一个成员发送信息。由于每个网络成员同时又起到了一个中继器的作用，而采用光纤传输煤介时，两个成员间的距离可达公里级，而且还可获得很高的传输速率。因此可以断定，此拓扑结构一个显著的优点是：可以保证较远的传输距离和较高的传输速率。若无适当措施，当一个成员出问题或电缆断裂时，意味着整个网络的瘫痪。要避免此类问题须设立冗余环而且需要有一个适当的搜寻逻辑以对错误进行定位并用短路环切除。

（ 3 ）星形结构 星形结构是由中央站通过点对点连接和其它成员构成的。实现中央站有两种可能：集线器（HUB ）。它的任务只是将信号从发送站传到正确的接收站。因此集线器既可以是主动的也可以是被动的。智能中央站。在这种情况下，中央站操纵整个网络的通信。原则上一切通信活动要通过中央站。这就出现了一个“瓶颈”的问题。另外，中央站的故障可导致整个网络的瘫痪。

（ 4 ）总线结构 在这种结构中所有网络成员的通信交流是通过一条总线进行的。每一个成员是通过一较短的分接电缆接人总线的。由此布线就极为简洁了。每一个成员只需一个接口就可以和总线上的任一成员进行通信了。这就是工业总线为什么被广泛采用的缘故。然而在总线上的某一时刻只能有一个成员发送信息。这就需要有一个总线访问规约。一般来说总线结构存在如下的问题：

因为总线上的数据交流带有任意性，在每次总线信息发布的时候所有的成员都要“随听”。由此随着总线成员数目的增多，发送者的压力也越大。由于总线的长度一般在几百米范围内，这与要传送的信号波长相比已是不可忽略的了。因此在总线两端要接终端电阻，以避免波反射现象。此终端电阻同样给发送者造成压力。以上的问题给总线结构带来如下限制；总线上的成员数目是有限的；总线长度和传输速率是成反比的。

（ 5 ）树状结构 树状结构实际上是一般总线结构的扩展。其网络覆盖面比之一般的总线结构要大。总线的基本数据如最多成员数，最大传输速率以及最大总线长度同一般总线结构一样。只是这些数值可由中继器提高。对于树状结构当建立一个新的树枝时要使用中继器。如目前国际上应用广泛的PROFIBUS 和CAN 都可以方便地通过中继器做成树状结构，给现场总线的应用带来了灵活性。

2. 通信模型

计算机间以数据交换为目的的通信需要有一个标准。70 平代属于联合国组织的国际标准组织（ISO）成立了一个工作小组专门制定计算机通信的标准，并于1983 年出台了一个参考模型，这就是所谓开放系统互连（OSI）的基本参考模型（Basic Reference Model for Open Systems Interconnection ）。这个OSI 一参考模型将通信抽象地分戈了7 个层面，每层具体负责一个特殊的明确定义的通信部分任务组。

OSI 分层模型在抽象的层面上描述了伙伴过程的通信。至于每一层具体应如何配置，未作任何描述。因此当整个系统由多个厂家的成分构成时，通过定义每层的内容和确定可用的接口便可以创造一个“开放”系统。这由7 个层面构成的计算机通信模型可由图4 示出。

3 访问方式

（ l ）主／从方式 在这里主站作为总线控制单元建立与被动的网络成员的连接。从站总是直接回应主站的数据要求。如图5 所示。

由于只有主站上才有智能性，所以总线上添加一个从站是很容易和经济的。一个明显的缺点是：从站之间的通信时间很长。

（ 2 ）令牌原理 这是一种多主站系统。网络所有的成员都能够有总线控制权。在信息流中有一个特殊的符号或一段信息叫做“令牌”。哪个成员在某一时刻得到了这个令牌，它便具有总线控制权。在数据传输结束后，此令牌便传向下一个成员。由于令牌占有的时间极为有限，这种方式颇具有实时性。如图6 所示。

（ 3 ）令牌传递 令牌传递也称“混杂访问方式”，是指令牌总线和主／从方式的结合。这里既有掌握通信控制权的主动成员，也有无通信控制权的挂到一条总线上去的被动成员。令牌在主动式成员间的逻辑环中依次传递。取得令牌的主动成员与被动成员以主／从访问方式通信而与其它主动成员则以令牌原则通信。如图7 所示。

（ 4 ） CSMA 方式 CSMA （ Carrier Sense Multiple Access ） 意思为：要发送信息的成员探听整个总线（Carrier Sense ） ，当总线不被占用时再发送信息。当总线被另一成员占用时，要发送信息的成员将发送请求收回，然后在稍迟的时刻再重新尝试数据传输（Multiple Access ）。因为一个成员只是在要发送信息的时候才访问载体媒介，所以无法事先判断哪一个成员要发送信息。因此这是一个随机的访问方式。同时因为也无法确保总线不被占用，当有发送愿望时，也无法保证多长时间内数据可得以传输。因此此方式不具有实时性。

（ 5 ） CSMA / CA 为了提高效率，各成员在发送信息的同时也从总线上读取信息。假如发送和读取的信息不一样，则表明发生了信息碰撞。则信息传输便马上停止。这种方式称为CSMA / CD（ Collision Detection 一碰撞检测）。

在CSMA / CA的这种方式中要发送信息的成员如同CSMA / CD 一样将探听总线，一旦总线有空便马上开始传输。假如总线被占，将对总线监视等待现行的数据传输完毕马上开始信息发送。如果两个成员同时开始信息发送，则将按优先权原则安排顺序。这就是所谓的碰撞避免方式（collision Avoidance ）。

4．现场总线概括性介绍

目前在国内宣传较多的现场总线有：PROFIBUS ， CAN ， Bitbus ， HART ， LONWORKS 等。限于篇幅的关系本文将对几个有代表性的现场总线作概括性总结（表1~4 ）。

开放式现场总线的运用，使得工厂自动化的网络变成了灵活的模块式、分布式结构。这种集管理和控制于一体的分层式工厂自动化网络结构，将是未来新型制造业的基础。纵观中国的制造业，实际上还基本停留在大批量生产方式上。要向制造的柔性化、系统化和智能化迈进，需要具备以下条件：① 对国际标准化的知识准备。② 管理人员的科技知识准备。③ 现有旧设备的改造。④ 国家经济体制的进一步改革和管理人员的观念更新。

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