浅析工厂自动化中的通信网络

1.0 介绍

在过去这些年中，计算机的处理速度提高了许多倍，相关的网络技术也突飞猛进。互联网为全球可靠、安全、快速共享数据信息提供了便利。工业通信就是将现场信息传输到控制室，对过程进行可靠、有效的控制。通常，工业网络称为现场总线(fieldbus)，它还包括传感器总线(Sensorbus)和设备总线(Devicebus)，具体引用哪种总线取决于应用场景。

工业自动化系统的用户对独立于供应商的工业协议的需求日益增长。要求工业网络协议应该具备的特性是:一个开放的系统，布线成本低和增加现场设备信息的可用性。

2.0 工厂自动化中的通信层次

在一个行业中，无论是离散制造业还是流程行业，数据或信息从现场流向上层，再到管理层/企业层，反之亦然。为了使信息有序流动和优化过程的性能，整个设置分为几个层次。如下图所示：

最低或现场层包括传感器，定位器和执行器。传感器给出工艺条件的指示(温度、压力、流量等)，可以是数字的、模拟的或混合的，如HART。第二层或I/O层把输入和输出集成到一起。传感器的输出，通过I/O电平，直接到控制器，然后产生适当的控制信号，并反馈给执行器，以控制过程。在控制层，通常使用可编程逻辑控制器(PLC)或分布控制系统(DCS)生成控制信号。这些信号被发送到传感器/执行器进行控制动作，可以是阀门的开启或关闭，电机的起动或停止等。网络工程工具、工厂维护、计划程序、资产管理等都是工厂内网/人机接口层的工作。人机界面确保工厂中任何地方的任何工艺变量值都可以显示在操作员控制台上，可以在任何情况下警告操作员工艺值下冲/上冲预先设定的限制，可以改变设备配置等。在最顶层的企业/供应链管理层，信息流入管理系统进行记录保存，通过各个访问窗口记账，订购原材料，记录成品的质量和数量等，记录不同原材料的当前库存情况，以保持生产的进行。

不同的级别必须处理特定级别特有的不同需求。例如，企业级必须处理大量的数据，这些数据不是时间紧迫的，也不是经常使用的。

较低的3个层次具有固定使用、短数据包长度和响应时间、确定性通信等特点。当然，制造和过程自动化在这三个层次上存在差异。然而在过程自动化中，速度较慢，信号包含较多的状态信息，离散制造业的特点是高传输速度和短数据长度。

由于在层次结构的不同层次上存在特征需求，显然没有一个协议可以解决所有这些问题。数据传输速度、数据量和安全性是这些层的主要考虑因素。无论是离散制造业还是流程工业，数据都必须在人机界面和企业层面提供。为了实现不同层次间高效、可靠的数据交换，可采用ISO-OSI参考模型形式的标准化来解决上述问题。

3.0 I/O总线网络

智能现场设备中的分散控制和分布式智能产生了I/O总线网络。数据和状态信息通过I/O总线进行通信，例如，开关的ON/OFF状态、机器的状态或流程数据通过I/O总线网络发送。

下图，显示了监控PLC、本地PLC、局域网(LAN)和I/O总线网络之间的相互连接。

过程总线网络和设备总线网络连接到PLC。远程I/O连接到其他PLC，如图所示。这些PLC连接到局域网，局域网又连接到监控PLC，然后被带到其他更高的层，如HMI和企业层。

连接到I/O总线网络的现场设备本质上必须是智能的，这种现场设备在其内部具有传感器及其处理电路、微控制器、网络发射器/接收器和电源模块。如下图所示：

3.1 类型

I/O总线网络分为两类:设备总线网络和过程总线网络。设备总线网络与低层信息设备(通常是离散设备，如限位开关、按钮等)接口，而过程总线网络与高层信息设备(通常是智能传感器、控制阀、压力表等)接口。设备总线网络处理从几位到几个字节的数据，而过程总线网络处理大量的数据（每次几百字节）。下图，展示了I / O总线网络的分类。

过程总线网络和设备总线网络分别处理模拟设备和离散设备。设备总线网络处理模拟设备的例子有热电偶和变速驱动器，即每次传输几个字节信息的设备。

位型数据总线网络一次最多处理1字节的数据，而字节型数据总线网络一次处理1到50字节或更多的数据。位型总线网络也称为传感器总线网络。

过程总线网络和设备总线网络有不同的数据传输要求。离散设备每次只传输少量的数据，因此满足了此类设备的高速要求。过程总线网络相对较慢，因为它们的数据包一次包含大量的信息。

3.2 网络和协议标准

在I/O总线网络领域，一些组织正在共同努力建立网络和协议标准。美国仪器协会(ISA)和欧洲国际等组织电子委员会(IEC)参与了标准的定。在过程总线领域，主要有两个组织，即现场总线基金会(它是在互操作系统项目(ISP)和世界FIP北美集团)和Profibus(过程现场总线)贸易组织，致力于建立此类协议标准。下图，显示了I/O总线网络下的不同协议标准。

在设备总线网络中，位型数据网络下存在Seriplex、AS-i、InterBus Loop等多种总线协议标准，字节型数据网络下存在CANBUS、DeviceNet、SDS、InterBus- s等多种总线协议标准。

3.3 优势

数字通信的出现使I/O总线网络在过程自动化中得到了广泛的接受。数字通信允许多个现场总线设备通过导线进行数据通信。这是由于智能和智能设备固有的处理能力，它们提供了其过程数据价值、设备状态信息和健康状况等。数字传输有其自身的优势，因为它们不容易受到电磁干扰。同样，与模拟信号不同，将数字信号恢复到原始值是非常容易的。

数字通信的第二个主要优点是，这种智能现场设备可以传递与过程值直接成比例的数字值，从而消除了过程数据线性化或缩放的需要。

I/O总线网络的其他公认优点是布线的大幅减少，工厂扩张或升级的容易性，节省了大量成本，减少了停机时间，非常容易识别和隔离故障。

4.0 OSI参考模型

OSI参考模型已经在前文讨论过。它是一个可以评估当前和未来通信标准的基准。开放系统是一组协议，允许两个不同的通信系统相互交互，而无需考虑架构上的差异。OSI模型分为7个不同的功能层或层次，具有明显不同的任务。每一层都有一个预定义的任务。这确保了使用特定协议的设备之间以及使用不同协议的设备之间的兼容性。下表，从现场总线的角度给出了OSI各层的详细信息。

来自源的数据或消息从第7层或应用层向下传输，接受来自每一层的头信息。物理层决定了速度、传输介质等

5.0 I/O和现场层的网络

现场总线技术的双向控制达到了现场设备的水平，过程控制在近二十年来发生了翻天覆地的变化。控制和I/O现在已嵌入到现场设备中。在现场控制系统(FCS)中，只有两层网络:现场层网络和主机层网络。在目前的情况下，在现有的工厂中，4-20 mA的模拟通信仍然存在，并将在一段时间内继续使用。

二进制现场设备，如限位开关，双位置启闭阀等，通过点对点连接，与PLC的二进制I/O卡集成。远程I/O通过现场总线控制器集成这些信号。对于Modbus和AS-i，必须在控制器中有适当的接口来集成这些二进制现场设备。4 ~ 20ma信号通过PLC中的模拟I/O卡点对点连接。

上图，显示了4-20 mA简单模拟信号和4-20 mA混合信号(即HART信号)与PLC的连接。传统的现场设备通过智能I/O连接到控制网络。

在基金会现场总线中，现场设备连接到基金会现场总线H1段，如下图所示：

连接设备将该总线段连接到高速以太网(HSE)或H2。连接设备只执行协议或波特率转换。对于PROFIBUS，不同速率的PROFIBUS PA段 和PROFIBUS DP段用耦合器链接。耦合器充当两个部分之间的接口。如下图所示：

6.0 控制层网络

在过程自动化中，不同的现场总线 — 现场总线HSE和PROFIBUS-DP和ControlNet一起控制自动化层次结构中的控制层。

基金会现场总线是专门为过程自动化设计的，其中低速H1通过连接设备连接到高速HSE。在PROFIBUS的情况下，一个分段耦合器将PA网络耦合到更高速度的DP网络。除了Interbus(一种用于装瓶和包装工业的制造协议)之外，还有一些其他的专有协议享有相当大的市场份额。

7. 0 企业/管理层的网络

以太网TCP/IP网络用于企业/管理层与外界互联和共享数据。为此，集线器，交换机，路由器等都要用到。标准数据交换格式用于公司间的数据共享、电子商务应用程序等。对于管理层和控制层之间的数据/信息交换，通常使用PLC中的以太网端口连接到监控站。