1.0 介紹

在過去這些年中，計算機的處理速度提高了許多倍，相關的網絡技術也突飛猛進。互聯網為全球可靠、安全、快速共享數據信息提供了便利。工業通信就是將現場信息傳輸到控制室，對過程進行可靠、有效的控制。通常，工業網絡稱為現場總線(fieldbus)，它還包括傳感器總線(Sensorbus)和設備總線(Devicebus)，具體引用哪種總線取決于應用場景。

工業自動化系統的用戶對獨立于供應商的工業協議的需求日益增長。要求工業網絡協議應該具備的特性是:一個開放的系統，布線成本低和增加現場設備信息的可用性。

2.0 工廠自動化中的通信層次

在一個行業中，無論是離散制造業還是流程行業，數據或信息從現場流向上層，再到管理層/企業層，反之亦然。為了使信息有序流動和優化過程的性能，整個設置分為幾個層次。如下圖所示：

最低或現場層包括傳感器，定位器和執行器。傳感器給出工藝條件的指示(溫度、壓力、流量等)，可以是數字的、模擬的或混合的，如HART。第二層或I/O層把輸入和輸出集成到一起。傳感器的輸出，通過I/O電平，直接到控制器，然后產生適當的控制信號，并反饋給執行器，以控制過程。在控制層，通常使用可編程邏輯控制器(PLC)或分布控制系統(DCS)生成控制信號。這些信號被發送到傳感器/執行器進行控制動作，可以是閥門的開啟或關閉，電機的起動或停止等。網絡工程工具、工廠維護、計劃程序、資產管理等都是工廠內網/人機接口層的工作。人機界面確保工廠中任何地方的任何工藝變量值都可以顯示在操作員控制臺上，可以在任何情況下警告操作員工藝值下沖/上沖預先設定的限制，可以改變設備配置等。在最頂層的企業/供應鏈管理層，信息流入管理系統進行記錄保存，通過各個訪問窗口記賬，訂購原材料，記錄成品的質量和數量等，記錄不同原材料的當前庫存情況，以保持生產的進行。

不同的級別必須處理特定級別特有的不同需求。例如，企業級必須處理大量的數據，這些數據不是時間緊迫的，也不是經常使用的。

較低的3個層次具有固定使用、短數據包長度和響應時間、確定性通信等特點。當然，制造和過程自動化在這三個層次上存在差異。然而在過程自動化中，速度較慢，信號包含較多的狀態信息，離散制造業的特點是高傳輸速度和短數據長度。

由于在層次結構的不同層次上存在特征需求，顯然沒有一個協議可以解決所有這些問題。數據傳輸速度、數據量和安全性是這些層的主要考慮因素。無論是離散制造業還是流程工業，數據都必須在人機界面和企業層面提供。為了實現不同層次間高效、可靠的數據交換，可采用ISO-OSI參考模型形式的標準化來解決上述問題。

3.0 I/O總線網絡

智能現場設備中的分散控制和分布式智能產生了I/O總線網絡。數據和狀態信息通過I/O總線進行通信，例如，開關的ON/OFF狀態、機器的狀態或流程數據通過I/O總線網絡發送。

下圖，顯示了監控PLC、本地PLC、局域網(LAN)和I/O總線網絡之間的相互連接。

過程總線網絡和設備總線網絡連接到PLC。遠程I/O連接到其他PLC，如圖所示。這些PLC連接到局域網，局域網又連接到監控PLC，然后被帶到其他更高的層，如HMI和企業層。

連接到I/O總線網絡的現場設備本質上必須是智能的，這種現場設備在其內部具有傳感器及其處理電路、微控制器、網絡發射器/接收器和電源模塊。如下圖所示：

3.1 類型

I/O總線網絡分為兩類:設備總線網絡和過程總線網絡。設備總線網絡與低層信息設備(通常是離散設備，如限位開關、按鈕等)接口，而過程總線網絡與高層信息設備(通常是智能傳感器、控制閥、壓力表等)接口。設備總線網絡處理從幾位到幾個字節的數據，而過程總線網絡處理大量的數據（每次幾百字節）。下圖，展示了I / O總線網絡的分類。

過程總線網絡和設備總線網絡分別處理模擬設備和離散設備。設備總線網絡處理模擬設備的例子有熱電偶和變速驅動器，即每次傳輸幾個字節信息的設備。

位型數據總線網絡一次最多處理1字節的數據，而字節型數據總線網絡一次處理1到50字節或更多的數據。位型總線網絡也稱為傳感器總線網絡。

過程總線網絡和設備總線網絡有不同的數據傳輸要求。離散設備每次只傳輸少量的數據，因此滿足了此類設備的高速要求。過程總線網絡相對較慢，因為它們的數據包一次包含大量的信息。

3.2 網絡和協議標準

在I/O總線網絡領域，一些組織正在共同努力建立網絡和協議標準。美國儀器協會(ISA)和歐洲國際等組織電子委員會(IEC)參與了標準的定。在過程總線領域，主要有兩個組織，即現場總線基金會(它是在互操作系統項目(ISP)和世界FIP北美集團)和Profibus(過程現場總線)貿易組織，致力于建立此類協議標準。下圖，顯示了I/O總線網絡下的不同協議標準。

在設備總線網絡中，位型數據網絡下存在Seriplex、AS-i、InterBus Loop等多種總線協議標準，字節型數據網絡下存在CANBUS、DeviceNet、SDS、InterBus- s等多種總線協議標準。

3.3 優勢

數字通信的出現使I/O總線網絡在過程自動化中得到了廣泛的接受。數字通信允許多個現場總線設備通過導線進行數據通信。這是由于智能和智能設備固有的處理能力，它們提供了其過程數據價值、設備狀態信息和健康狀況等。數字傳輸有其自身的優勢，因為它們不容易受到電磁干擾。同樣，與模擬信號不同，將數字信號恢復到原始值是非常容易的。

數字通信的第二個主要優點是，這種智能現場設備可以傳遞與過程值直接成比例的數字值，從而消除了過程數據線性化或縮放的需要。

I/O總線網絡的其他公認優點是布線的大幅減少，工廠擴張或升級的容易性，節省了大量成本，減少了停機時間，非常容易識別和隔離故障。

4.0 OSI參考模型

OSI參考模型已經在前文討論過。它是一個可以評估當前和未來通信標準的基準。開放系統是一組協議，允許兩個不同的通信系統相互交互，而無需考慮架構上的差異。OSI模型分為7個不同的功能層或層次，具有明顯不同的任務。每一層都有一個預定義的任務。這確保了使用特定協議的設備之間以及使用不同協議的設備之間的兼容性。下表，從現場總線的角度給出了OSI各層的詳細信息。

來自源的數據或消息從第7層或應用層向下傳輸，接受來自每一層的頭信息。物理層決定了速度、傳輸介質等

5.0 I/O和現場層的網絡

現場總線技術的雙向控制達到了現場設備的水平，過程控制在近二十年來發生了翻天覆地的變化。控制和I/O現在已嵌入到現場設備中。在現場控制系統(FCS)中，只有兩層網絡:現場層網絡和主機層網絡。在目前的情況下，在現有的工廠中，4-20 mA的模擬通信仍然存在，并將在一段時間內繼續使用。

二進制現場設備，如限位開關，雙位置啟閉閥等，通過點對點連接，與PLC的二進制I/O卡集成。遠程I/O通過現場總線控制器集成這些信號。對于Modbus和AS-i，必須在控制器中有適當的接口來集成這些二進制現場設備。4 ~ 20ma信號通過PLC中的模擬I/O卡點對點連接。

上圖，顯示了4-20 mA簡單模擬信號和4-20 mA混合信號(即HART信號)與PLC的連接。傳統的現場設備通過智能I/O連接到控制網絡。

在基金會現場總線中，現場設備連接到基金會現場總線H1段，如下圖所示：

連接設備將該總線段連接到高速以太網(HSE)或H2。連接設備只執行協議或波特率轉換。對于PROFIBUS，不同速率的PROFIBUS PA段 和PROFIBUS DP段用耦合器鏈接。耦合器充當兩個部分之間的接口。如下圖所示：

6.0 控制層網絡

在過程自動化中，不同的現場總線 — 現場總線HSE和PROFIBUS-DP和ControlNet一起控制自動化層次結構中的控制層。

基金會現場總線是專門為過程自動化設計的，其中低速H1通過連接設備連接到高速HSE。在PROFIBUS的情況下，一個分段耦合器將PA網絡耦合到更高速度的DP網絡。除了Interbus(一種用于裝瓶和包裝工業的制造協議)之外，還有一些其他的專有協議享有相當大的市場份額。

7. 0 企業/管理層的網絡

以太網TCP/IP網絡用于企業/管理層與外界互聯和共享數據。為此，集線器，交換機，路由器等都要用到。標準數據交換格式用于公司間的數據共享、電子商務應用程序等。對于管理層和控制層之間的數據/信息交換，通常使用PLC中的以太網端口連接到監控站。