引言

隨著以知識經(jīng)濟(jì)為特征的信息時代的到來和現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，企業(yè)綜合自動化在現(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)中的作用也越來越重要，它把工廠內(nèi)各個孤立的局部自動化子系統(tǒng)在新的管理模式與工藝指導(dǎo)下，綜合運用信息技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其支持軟件技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進(jìn)行有效的控制和協(xié)調(diào)，以適應(yīng)新的競爭形勢下市場對生產(chǎn)管理過程提出的高質(zhì)量、高速度、高靈活性和低成本的要求。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)上看可分為三個層次：即管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層。如圖1所示。

其中，最上層的企業(yè)管理層網(wǎng)絡(luò)，主要用于企業(yè)的計劃、銷售、庫存、財務(wù)、人事以及企業(yè)的經(jīng)營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設(shè)備之間一般以發(fā)送電子郵件、下載網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)庫查詢、打印文檔、讀取文件服務(wù)器上的計算機(jī)程序等方式進(jìn)行信息的交換，數(shù)據(jù)報文通常都比較長，吞吐量較大，而且數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機(jī)的、無規(guī)則的，因此要求網(wǎng)絡(luò)必須具有較大的帶寬。管理層層網(wǎng)絡(luò)主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）組成。

中間的制造執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)控、優(yōu)化、調(diào)度等方面信息的傳輸，其特點是信息傳輸具有一定的周期性和實時性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)具有較大的帶寬，以前由專用網(wǎng)絡(luò)如令牌網(wǎng)組成，如今這一層網(wǎng)絡(luò)則主要由傳輸速率較高的網(wǎng)段（如10M、100MEthernet等）組成。

而最底層的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)則主要用于變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備之間、以及現(xiàn)場設(shè)備與控制室儀表之間的信息傳輸。它具有以下特點：

（1）傳輸?shù)男畔㈤L度較小。這些信息包括生產(chǎn)裝置運行參數(shù)的測量值、控制量、開關(guān)與閥門的工作位置、報警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點與量程調(diào)校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位（bit）或幾個、十幾、幾十個字節(jié)（byte），對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓摺?P>（2）通信響應(yīng)實時性要求較高。工業(yè)控制對實時性的要求是“硬”的，因為它往往涉及安全，所以必須在任何時間都及時響應(yīng)，不允許有不確定性。它包括兩方面的要求，一是傳輸速度要快，即網(wǎng)絡(luò)通信速率要高，二是響應(yīng)時間要短，響應(yīng)時間可由4個方面決定：儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力；信息在通信協(xié)議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時間；等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時間；避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時間。由于這個時間對大多數(shù)通信協(xié)議是一個隨機(jī)數(shù)，過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個時間達(dá)到最短，但它要求最大值是預(yù)先可知的，并小于一定值。另外，通信響應(yīng)實時性還與系統(tǒng)的巡回時間有關(guān)，通常最長巡回時間是預(yù)先可知的，并小于一定值。

（3）較強的可靠性與安全性。對于工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，必須解決環(huán)境適應(yīng)性問題，它包括電磁環(huán)境適應(yīng)性（傳輸時不要干擾別人，也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（要耐溫、防水、防塵）、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（要耐沖擊、耐振動）。而安全性要求則是指網(wǎng)絡(luò)傳輸媒體上所傳輸?shù)哪芰恳。谡９ぷ骰虺霈F(xiàn)故障時，均不致引發(fā)災(zāi)難事故。

（4）總線供電，即工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現(xiàn)場設(shè)備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設(shè)和維護(hù)方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

正是由于以上特點和特殊性，目前現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)主要由低速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)組成。

1.現(xiàn)場總線的產(chǎn)生回顧

所謂現(xiàn)場總線，按照國際電工委員會IEC／SC65C的定義，是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）。

現(xiàn)場總線的產(chǎn)生是多方面因素共同作用的結(jié)果。

首先，