一、工廠目動化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
1．傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)
圖1 所示是傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)。主機通過串行通信接口進入PLC，經(jīng)處理后來控制現(xiàn)場設(shè)備。這種控制方式不僅難以處理遠距離控制問題，而且布線復(fù)雜，能耗也大。更嚴重的是，一旦中央控制單元出了問題，則全局都要癱瘓，所以這種方式正逐漸被智能型的分布式控制系統(tǒng)所取代。
圖1 集中式控制系統(tǒng)
2. 智能型分布式控制系統(tǒng)
智能型分布式控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型控制系統(tǒng)。如圖2 所示。它主要分管理、控制及現(xiàn)場三個層面。其特點有以下幾個部分。
圖2 分層工廠自動化網(wǎng)絡(luò)
第一，系統(tǒng)的可靠性程度高。
由于采用了模塊化組合結(jié)構(gòu)，所以即使某個控制部分發(fā)生故障，也只局限于某個小范圍，不會影響其它子站的正常工作，因此整個系統(tǒng)的可靠性就得到了很大的提高。此外，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)的軟件模塊即可。
第二，集管理與現(xiàn)場控制于一體。
在分布式控制系統(tǒng)中，控制層和現(xiàn)場層主要負責控制或監(jiān)控決策的組織和實施，這兩層物理層上主要通過現(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)庫管理等職能都屬于這個網(wǎng)絡(luò)層次的范疇。這里同時又是廣域網(wǎng)的節(jié)點。
第三，具有開放性和智能性。
當前國際上標準的現(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)原則上可通過任一子站，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控和維護。譬如要對遠方某一子站的軟件進行維護，則工程師無須親自到該站去，只要在就近的子站進行處理或在家中通過MODEM 進行工作就可以了。當然，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)出用戶的個性。
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)和系統(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。
二、現(xiàn)場總線技術(shù)
1 .工業(yè)總線系統(tǒng)概貌
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吃O(shè)備進行遠程維護。這就提出了一個控制與通訊問題。工業(yè)的計算機通信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)的概括。
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)⑵鸬皆絹碓街匾淖饔谩?/p>
2 ．工業(yè)總線的網(wǎng)絡(luò)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)，我們通常稱網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。其慨念是指一方面網(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 兩個通信伙伴最簡單的數(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)，見圖4 所示。
圖4 點對點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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個成員中的每個成員有(n-1）個接口的網(wǎng)絡(luò)，一共需（2"）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)（如圖5）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傳遞到下一個成員依次形成的信息傳輸。當然這里需要規(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，而采用光纖傳輸媒介時，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。
圖5 環(huán)形結(jié)構(gòu)
當一個成員出問題或電纜斷裂時，為了不至于使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓．設(shè)立冗余環(huán)而且需要有一個適當搜尋邏輯對錯誤進行定位并用短路環(huán)切除是完全必要的。
( 3 ）星形結(jié)構(gòu) 如圖6 所示，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)中央站有兩種方法：一是集線器（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。另一種是用智能中央站。在這種情況下，中央站操縱整個網(wǎng)絡(luò)的通信。
圖6 星形結(jié)構(gòu)
由于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。所以一旦中央站出現(xiàn)故障可導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。
( 4 )總線結(jié)構(gòu) 如圖7 所示，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入總線的。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。這也就是工業(yè)總線為什么被廣泛采用的緣故。
圖7 樹狀結(jié)構(gòu)
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。所以總線結(jié)構(gòu)其成員的數(shù)目是有限的，同時總線長度和傳輸速率成反比。
( 5 ）樹狀結(jié)構(gòu) 如圖7 所示，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)當建立一個新的樹枝時使用中繼器。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。
3．工業(yè)總線的通信模型
70 年代屬于聯(lián)合國組織的國際標準組織（ISO）成立了一個工作小組專門制定計算機通信的標準。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）基本參考模型（Basic Reference Model for Opon Systems Interconnection ) ”。這個OSI－－參考模型將通信抽象地分成了7 個層面。
ODI－－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)容和確定可用接口便可創(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用附表示出。
4．工業(yè)總線的訪問方式
當我們了解了<
