通過現(xiàn)場總線技術(shù)和計算機組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)工廠自動化工作模式

毫無疑問現(xiàn)場總線技術(shù)給工業(yè)界帶來了一場深刻的變革。尤其是柔性制造系統(tǒng)的興起，使產(chǎn)業(yè)界由大批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換成集管理、生產(chǎn)于一體的具有高度自動化水平的FA（工廠自動化）模式，而實現(xiàn)工廠自動化的關(guān)鍵便是計算機組網(wǎng)技術(shù)，現(xiàn)場總線無疑成了工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的核心。

分層式工廠自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的工業(yè)自動化模式相比，工廠自動化有如下的特點：

1. 控制方式由集中式轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">智能分布式

集中式控制方式不僅難于處理遠距離控制問題，而且布線復(fù)雜，能耗大，更重要的是，其中央控制單元一旦出現(xiàn)問題，則全局癱瘓。這種控制方式已逐漸被淘汰。分布式控制思想完全克服了前述的弱點。尤其是這種控制方式將可能出現(xiàn)的問題限制在局部范圍，即某一子站若出現(xiàn)問題不影響其它子站的正常工作。由此整個系統(tǒng)的可靠性便得到了很大的提高。另外這種控制方式實際上形成了一種模塊式的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的擴展和縮減便可以象積木那樣操作了。當(dāng)然，系統(tǒng)的模塊化還要求軟件也具備模塊化的特點，即增加硬件時，在不改動原有軟件的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用軟件平面上添加相應(yīng)的軟件模塊。這方面奧地利貝加萊（B&R）公司的PCC 產(chǎn)品尤為突出。

2．集管理與現(xiàn)場控制于一體

工廠自動化網(wǎng)絡(luò)一般可分為三個層次，即：管理層，控制層和現(xiàn)場層。其中控制層和現(xiàn)場層主要負責(zé)控制或監(jiān)控決策的組織和實施，這兩層物理上主要通過現(xiàn)場總線（如CAN ， PROFIBUS 等）的手段來實現(xiàn)。管理層是整個網(wǎng)絡(luò)的最高層次，整個系統(tǒng)的圖文顯示，管理決策制定與實施，各子系統(tǒng)間或與外系統(tǒng)的信息互換與交流以及數(shù)據(jù)庫管理等智能都屬于這個網(wǎng)絡(luò)層次的范疇。這里同時又是廣域網(wǎng)的節(jié)點。這個網(wǎng)絡(luò)層常用的通信協(xié)議是Ethernet 的TCP / IP 。這種集管理與現(xiàn)場控制于一體的自動化網(wǎng)絡(luò)可以體現(xiàn)如下優(yōu)勢：

（ l ）工廠決策層和現(xiàn)場設(shè)備間的透明性 通過對現(xiàn)場設(shè)備的圖文顯示，工廠的決策層可很容易地獲得現(xiàn)場信息，同時結(jié)合管理層的有關(guān)市場營銷、倉儲以及財務(wù)等方面的信息及時作出決策，以便由有關(guān)部門通過計算機網(wǎng)絡(luò)下達到現(xiàn)場層。

（ 2 ）分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng) 分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)系統(tǒng)采用敏捷制造原理，通過工廠自動化網(wǎng)絡(luò)管理層所提供的廣域網(wǎng)接口，可以很方便地將距離甚遠的集團成員組織在一起，從而實現(xiàn)異地決策、異地設(shè)計和異地生產(chǎn)的操作。這樣就可以通過信息集成對企業(yè)實現(xiàn)高效益的管理。

3. 開放性和智能性

國際上標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線如CAN ， PROFIBUS 等的使用可使整個系統(tǒng)具有對外系統(tǒng)很好的兼容性。另一方面，智能分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原則上可以通過任一子站實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控和維護。比如對遠方某一子站的軟件進行維護，工程師無須親自到該站去，只要在就近的子站處理或在家中通過MODEM 進行工作就可以了。當(dāng)然系統(tǒng)的開放性還體現(xiàn)在用戶對系統(tǒng)的參與。數(shù)據(jù)庫可以很方便地以某種方式將用戶自己的應(yīng)用軟件連接到系統(tǒng)中去，從而使系統(tǒng)充分體現(xiàn)用戶的個性。

這種分布式的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)實際上將智能也進行了空間上的分布，使得系統(tǒng)中的每一個子站既能獨立地工作，又能實現(xiàn)與系統(tǒng)其它部分的交流協(xié)作。 更形象地說，與集中式自動化系統(tǒng)相比，智能分布式的系統(tǒng)就象一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，將智能分配到了神經(jīng)系統(tǒng)中的每一個節(jié)點或單元。所謂系統(tǒng)的智能性實際上就是系統(tǒng)具有根據(jù)獲取的信息進行分析運算和判斷的能力。系統(tǒng)的智能性主要表現(xiàn)如下幾點：

管理層通過提供對廣域網(wǎng)的結(jié)點使系統(tǒng)自身或?qū)ν饨绲慕涣骶哂辛擞布A(chǔ)。同時數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)的使用使管理層具有越來越強的人工智能性。

控制層和現(xiàn)場層的計算機控制設(shè)備在分析運算能力上向著大型計算機的方向發(fā)展。如貝加萊（B&R）的可編程計算機控制器（ PCC ）的多任務(wù)分時操作系統(tǒng)，大容量程序存儲能力（100kB 一16MB ） 以及高級語言（C）的編程界面等。

整個系統(tǒng)具有自診斷、自維護、錯誤記錄以及報警保護等功能。

總而言之，加強系統(tǒng)的智能性的目的有兩個：第一，減少人的干預(yù)，提高系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性；第二，提高工作的速度和效率。

然而要實現(xiàn)所謂的工廠自動化（ PA ） ，現(xiàn)場總線技術(shù)將是關(guān)鍵所在。尤其是近年來在中國成立了多家現(xiàn)場總線協(xié)會，如FF協(xié)會，PROFIBUS 協(xié)會等。這些機構(gòu)對現(xiàn)場總線在中國的推廣做了大量的工作。然而至于哪一種現(xiàn)場總線是最好的確實要看使用的具體情況，而且最好由用戶或市場作答。作者將利用下文的空間介紹一些現(xiàn)場總線的基本概念。

現(xiàn)場總線淺釋

在工業(yè)自動化領(lǐng)域中常常要實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交流或?qū)δ撤N設(shè)備進行遠程維護。這就提出了一個計算機通訊的問題。工業(yè)中的計算機通訊通常采用所謂的“總線技術(shù)”。圖3列出了對常見總線系統(tǒng)的概述。

由圖3可以看出，現(xiàn)場總線是工業(yè)總線系統(tǒng)中串行方式的一個分支，但它在工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)缪莼蛘诎缪菰絹碓街匾慕巧?/p>

1. 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

要實現(xiàn)PC 、PLC 、智能驅(qū)動設(shè)備等之間的相互連接，實際上就構(gòu)成了一個計算機網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的概念是指：一方面網(wǎng)絡(luò)成員在網(wǎng)絡(luò)中幾何上的排序，另一方面與幾何排序無關(guān)的邏輯排序。下面將介紹幾種互為不同的幾何排序方式。

（ l ）點對點連接 兩個通訊伙伴最簡單的數(shù)據(jù)交換方式是通過一根電纜來連接。比如MODEM 連接、PC 和打印機之間的連接等。這也是網(wǎng)絡(luò)中最簡單的一種。若有多個成員要通過點對點方式進行連接，則構(gòu)成了一個網(wǎng)格化的網(wǎng)絡(luò)。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，每兩個通信的成員便構(gòu)成了一個點對點連接。這樣對于n 個成員每個成員有（ nl ）個接口的網(wǎng)絡(luò)，一共需n×（n1）/2個連接。一個結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的費用是可想而知的了。出錯時或者一個成員或者一個通信通道退出。診斷是較為簡單的。

（ 2 ）環(huán)形結(jié)構(gòu) 環(huán)形結(jié)構(gòu)同樣是利用了點對點連接，只是在這里構(gòu)成了一個物理環(huán)。在環(huán)上傳遞的信息是由一個成員遞到下一個成員依次形成的信息傳輸。當(dāng)然這里需要規(guī)定一個總線訪問規(guī)約，以保證某一時刻只有一個成員發(fā)送信息。由于每個網(wǎng)絡(luò)成員同時又起到了一個中繼器的作用，而采用光纖傳輸煤介時，兩個成員間的距離可達公里級，而且還可獲得很高的傳輸速率。因此可以斷定，此拓撲結(jié)構(gòu)一個顯著的優(yōu)點是：可以保證較遠的傳輸距離和較高的傳輸速率。若無適當(dāng)措施，當(dāng)一個成員出問題或電纜斷裂時，意味著整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。要避免此類問題須設(shè)立冗余環(huán)而且需要有一個適當(dāng)?shù)乃褜み壿嬕詫﹀e誤進行定位并用短路環(huán)切除。

（ 3 ）星形結(jié)構(gòu) 星形結(jié)構(gòu)是由中央站通過點對點連接和其它成員構(gòu)成的。實現(xiàn)中央站有兩種可能：集線器（HUB ）。它的任務(wù)只是將信號從發(fā)送站傳到正確的接收站。因此集線器既可以是主動的也可以是被動的。智能中央站。在這種情況下，中央站操縱整個網(wǎng)絡(luò)的通信。原則上一切通信活動要通過中央站。這就出現(xiàn)了一個“瓶頸”的問題。另外，中央站的故障可導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

（ 4 ）總線結(jié)構(gòu) 在這種結(jié)構(gòu)中所有網(wǎng)絡(luò)成員的通信交流是通過一條總線進行的。每一個成員是通過一較短的分接電纜接人總線的。由此布線就極為簡潔了。每一個成員只需一個接口就可以和總線上的任一成員進行通信了。這就是工業(yè)總線為什么被廣泛采用的緣故。然而在總線上的某一時刻只能有一個成員發(fā)送信息。這就需要有一個總線訪問規(guī)約。一般來說總線結(jié)構(gòu)存在如下的問題：

因為總線上的數(shù)據(jù)交流帶有任意性，在每次總線信息發(fā)布的時候所有的成員都要“隨聽”。由此隨著總線成員數(shù)目的增多，發(fā)送者的壓力也越大。由于總線的長度一般在幾百米范圍內(nèi)，這與要傳送的信號波長相比已是不可忽略的了。因此在總線兩端要接終端電阻，以避免波反射現(xiàn)象。此終端電阻同樣給發(fā)送者造成壓力。以上的問題給總線結(jié)構(gòu)帶來如下限制；總線上的成員數(shù)目是有限的；總線長度和傳輸速率是成反比的。

（ 5 ）樹狀結(jié)構(gòu) 樹狀結(jié)構(gòu)實際上是一般總線結(jié)構(gòu)的擴展。其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面比之一般的總線結(jié)構(gòu)要大?？偩€的基本數(shù)據(jù)如最多成員數(shù)，最大傳輸速率以及最大總線長度同一般總線結(jié)構(gòu)一樣。只是這些數(shù)值可由中繼器提高。對于樹狀結(jié)構(gòu)當(dāng)建立一個新的樹枝時要使用中繼器。如目前國際上應(yīng)用廣泛的PROFIBUS 和CAN 都可以方便地通過中繼器做成樹狀結(jié)構(gòu)，給現(xiàn)場總線的應(yīng)用帶來了靈活性。

2. 通信模型

計算機間以數(shù)據(jù)交換為目的的通信需要有一個標(biāo)準(zhǔn)。70 平代屬于聯(lián)合國組織的國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）成立了一個工作小組專門制定計算機通信的標(biāo)準(zhǔn)，并于1983 年出臺了一個參考模型，這就是所謂開放系統(tǒng)互連（OSI）的基本參考模型（Basic Reference Model for Open Systems Interconnection ）。這個OSI 一參考模型將通信抽象地分戈了7 個層面，每層具體負責(zé)一個特殊的明確定義的通信部分任務(wù)組。

OSI 分層模型在抽象的層面上描述了伙伴過程的通信。至于每一層具體應(yīng)如何配置，未作任何描述。因此當(dāng)整個系統(tǒng)由多個廠家的成分構(gòu)成時，通過定義每層的內(nèi)容和確定可用的接口便可以創(chuàng)造一個“開放”系統(tǒng)。這由7 個層面構(gòu)成的計算機通信模型可由圖4 示出。

3 訪問方式

（ l ）主／從方式 在這里主站作為總線控制單元建立與被動的網(wǎng)絡(luò)成員的連接。從站總是直接回應(yīng)主站的數(shù)據(jù)要求。如圖5 所示。

由于只有主站上才有智能性，所以總線上添加一個從站是很容易和經(jīng)濟的。一個明顯的缺點是：從站之間的通信時間很長。

（ 2 ）令牌原理 這是一種多主站系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)所有的成員都能夠有總線控制權(quán)。在信息流中有一個特殊的符號或一段信息叫做“令牌”。哪個成員在某一時刻得到了這個令牌，它便具有總線控制權(quán)。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，此令牌便傳向下一個成員。由于令牌占有的時間極為有限，這種方式頗具有實時性。如圖6 所示。

（ 3 ）令牌傳遞 令牌傳遞也稱“混雜訪問方式”，是指令牌總線和主／從方式的結(jié)合。這里既有掌握通信控制權(quán)的主動成員，也有無通信控制權(quán)的掛到一條總線上去的被動成員。令牌在主動式成員間的邏輯環(huán)中依次傳遞。取得令牌的主動成員與被動成員以主／從訪問方式通信而與其它主動成員則以令牌原則通信。如圖7 所示。

（ 4 ） CSMA 方式 CSMA （ Carrier Sense Multiple Access ） 意思為：要發(fā)送信息的成員探聽整個總線（Carrier Sense ） ，當(dāng)總線不被占用時再發(fā)送信息。當(dāng)總線被另一成員占用時，要發(fā)送信息的成員將發(fā)送請求收回，然后在稍遲的時刻再重新嘗試數(shù)據(jù)傳輸（Multiple Access ）。因為一個成員只是在要發(fā)送信息的時候才訪問載體媒介，所以無法事先判斷哪一個成員要發(fā)送信息。因此這是一個隨機的訪問方式。同時因為也無法確保總線不被占用，當(dāng)有發(fā)送愿望時，也無法保證多長時間內(nèi)數(shù)據(jù)可得以傳輸。因此此方式不具有實時性。

（ 5 ） CSMA / CA 為了提高效率，各成員在發(fā)送信息的同時也從總線上讀取信息。假如發(fā)送和讀取的信息不一樣，則表明發(fā)生了信息碰撞。則信息傳輸便馬上停止。這種方式稱為CSMA / CD（ Collision Detection 一碰撞檢測）。

在CSMA / CA的這種方式中要發(fā)送信息的成員如同CSMA / CD 一樣將探聽總線，一旦總線有空便馬上開始傳輸。假如總線被占，將對總線監(jiān)視等待現(xiàn)行的數(shù)據(jù)傳輸完畢馬上開始信息發(fā)送。如果兩個成員同時開始信息發(fā)送，則將按優(yōu)先權(quán)原則安排順序。這就是所謂的碰撞避免方式（collision Avoidance ）。

4．現(xiàn)場總線概括性介紹

目前在國內(nèi)宣傳較多的現(xiàn)場總線有：PROFIBUS ， CAN ， Bitbus ， HART ， LONWORKS 等。限于篇幅的關(guān)系本文將對幾個有代表性的現(xiàn)場總線作概括性總結(jié)（表1~4 ）。

開放式現(xiàn)場總線的運用，使得工廠自動化的網(wǎng)絡(luò)變成了靈活的模塊式、分布式結(jié)構(gòu)。這種集管理和控制于一體的分層式工廠自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將是未來新型制造業(yè)的基礎(chǔ)。縱觀中國的制造業(yè)，實際上還基本停留在大批量生產(chǎn)方式上。要向制造的柔性化、系統(tǒng)化和智能化邁進，需要具備以下條件：① 對國際標(biāo)準(zhǔn)化的知識準(zhǔn)備。② 管理人員的科技知識準(zhǔn)備。③ 現(xiàn)有舊設(shè)備的改造。④ 國家經(jīng)濟體制的進一步改革和管理人員的觀念更新。

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