現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型與網(wǎng)絡集成的探究

盧恒亮 廣東省計算技術(shù)應用研究所

在國內(nèi)，隨著工業(yè)領(lǐng)域建設技術(shù)水平越來越完善，現(xiàn)場總線也成為了其領(lǐng)域研究的焦點課題，分散化、網(wǎng)絡化是控制系統(tǒng)改革的新目標?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種最新的開放式的可控通信系統(tǒng)，可以有效地將現(xiàn)場控制和管理相融合，并且將其延伸為DCS擴展形式?，F(xiàn)場總線對初始封閉的 DCS狀態(tài) 進行了改變，DCS 不是嚴格意義上的分散控制系統(tǒng)，中央控制室內(nèi)掌握著全部的 I/O 和控制站，現(xiàn)場儀表會利用獨立的上位機傳輸信息，其電流信號多為4 ～20 m A，由于廠家協(xié)議標準沒有統(tǒng)一化，致使 DCS系統(tǒng)之間無法進行互相操縱。在這種情況下，需要進行現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型與網(wǎng)絡集成的研究，引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，也成為了很多專家和學者研究的焦點課題。

1 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型的組建

在組建現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型過程中，現(xiàn)場總線能夠?qū)y控任務分散給多個現(xiàn)場設備，上位計算機負責監(jiān)控較為復雜的控制功能。將現(xiàn)場總線作為企業(yè)底層信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕糠?，在企業(yè)整體信息網(wǎng)絡中，現(xiàn)場總線也是最關(guān)鍵的部分?，F(xiàn)場總線源于控制網(wǎng)絡，所以網(wǎng)絡技術(shù)是其核心集成。相對于Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡的不同之處在于，控制網(wǎng)絡需要和生產(chǎn)過程相呼應，所以要求具有較高的實時性、數(shù)據(jù)完整性及其可用性。為了和這些特性相匹配，現(xiàn)場總線簡化了網(wǎng)絡協(xié)議，通常SO/OSI 七層模型可以分為三層即數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。此外，最上層工廠信息系統(tǒng)需要和現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)交互和傳輸。在一個整體的企業(yè)網(wǎng)絡架構(gòu)中，現(xiàn)場控制模型需要和底層網(wǎng)絡和上層信息網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，將其現(xiàn)場的設備層定位為底層信息網(wǎng)絡，以現(xiàn)場總線協(xié)議標準為基礎，采用功能塊結(jié)構(gòu)作為智能設備，以組態(tài)設計為基礎進行多種功能的開發(fā)，利用智能轉(zhuǎn)換器和常規(guī)檢測儀表電流電壓信號完成數(shù)字轉(zhuǎn)換，利用PLC 接口和原有的系統(tǒng)進行連接。

現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡要具有規(guī)范的拓撲結(jié)構(gòu)，其設備要以網(wǎng)絡節(jié)點的模式表述在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中，為了保障節(jié)點間會進行正常、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，可以將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)分為以下幾種:

①環(huán)形(令牌)網(wǎng):

最大特點在于時延較為穩(wěn)定，在重新加載網(wǎng)絡時有較高的效率，但是負載較輕時，等待令牌會形成沒有必要的時延，此時傳輸效率有所下降。

②總線網(wǎng):

主要特點是節(jié)點銜接穩(wěn)定、成本小。輕載的狀態(tài)下時延低，但網(wǎng)絡通信負荷較大時，時延有所加大，網(wǎng)絡效率較低，其數(shù)據(jù)傳輸時延較差

③樹型網(wǎng) :

基本的特點在于擴展性加強，頻帶寬闊，節(jié)點間通信質(zhì)量差。

④令牌總線網(wǎng):

將環(huán)形網(wǎng)和總線網(wǎng)絡的相融合，這樣的網(wǎng)絡時延沒有大的沖突，其節(jié)點接入可靠，穩(wěn)定性較好。

2 現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型與網(wǎng)絡集成的探究

2.1 網(wǎng)絡的硬件平臺設計

在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型與網(wǎng)絡集成的探究中，將硬件平臺的設計方案分為下述幾種:

①購入現(xiàn)有的開發(fā)產(chǎn)品。

②采用單片機來進行自行研究開發(fā)。

③購買專門的芯片，在此基礎上進行二次開發(fā)。

在選取網(wǎng)關(guān)硬件平臺時，需要衡量其工業(yè)應用具有的特點，開發(fā)成本，性價比，周期，穩(wěn)定性及其可擴展性。因此，在上述方案中，第一類方案雖然開發(fā)周期短，魯棒性強，但是其價格頗為昂貴，成本太大，用戶難以大量使用。第二類方案的開發(fā)周期較為漫長，難道較大，魯棒性無法獲得保障，尤其是TCP/IP協(xié)議的研發(fā)，所以第三種類型，購買專門芯片。進行二次開發(fā)是好的選擇，專用芯片價格較為合適，集中了很多片內(nèi)設備供給開發(fā)使用，降低了開發(fā)的難度，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成

控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的融合，可以通過下述方式來實現(xiàn)，即是在底層網(wǎng)段和中間監(jiān)控層間添入中繼器、網(wǎng)橋、路由器等多種硬件設備，將控制網(wǎng)絡定義為信息網(wǎng)絡擴展和之緊密合成:

①在控制網(wǎng)絡和其信息網(wǎng)絡中添入DDE 技術(shù)

在控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡中具有共享存儲器工作時，利用動態(tài)數(shù)據(jù)交換 DDE(dynam-ic data exchange)方式體現(xiàn)二者合成。

②控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡利用統(tǒng)一的協(xié)議標準。

該方式成為控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡集成的最優(yōu)解決方案。

3 結(jié)束語

為了更好地組建自動化企業(yè)系統(tǒng)，給出現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型，對現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡模型與網(wǎng)絡集成進行探究。

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