第9章现场总线控制网络与数据网络的集成.docVIP

9 现场总线控制网络与数据网络的集成 现场总线由于适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，一经产生便成为全球工业自动化领域的热点问题，受到人们的广泛关注。它使控制系统的体系结构发生了变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统－现场总线控制系统FCS。因为现场总线基于开放的协议标准，为控制网络与数据网络的连接提供了方便，对控制网络和数据网络的集成起到了积极的作用。本章以作者在研究生期间应用的CAN总线为例，讨论了基于CAN协议的现场总线控制系统的体系结构，在此基础上，着重研究和分析了现场总线控制网络和数据网络集成的有关问题。 9.1 基于CAN协议的现场总线控制系统的体系结构 基于CAN协议的现场总线控制系统称为控制器局域网(CAN：Controller Area Network )，它是由德国Robert Bosch Gmbh开发，最近发展较快的一种现场总线，最初用在汽车内的自动化系统中，由于其性能优异而且价格低廉，使用方便很快推广到工业测控现场。CAN协议现场总线的网络设计采用了符合ISO/OSI网络标准模型的三层结构模型，即物理层、数据链路层和应用层。网络的物理层和链路层的功能是由CAN接口器件完成的，而应用层的功能则由微处理器来完成。 CAN采用了带优先级的CSMA/CD协议对总线进行仲裁[15]，因此其总线允许多站点同时发送，这样既保证了信息处理的实时性，又使得CAN网络可以构成多主结构或冗余结构的系统，保证了系统设计的可靠性，另外，CAN采用短帧结构，且它的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据传输的出错极低，其传输介质可以使用双绞线，同轴电缆或光纤。 CAN协议的现场总线控制系统的体系结构[1][16]如图9.1所示，其中监控计算机通过通信适配卡与现场的节点进行通讯，对于一个企业信息网来说，同时它又是以太网的一部分。 图9.1 CAN协议现场总线控制系统的体系结构 9.2 现场总线控制系统的网络集成 随着网络技术的不断发展，Internet正在把世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。而现场总线技术的兴起，改变了控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展，形成了对人类生产、生活在有重要影响的另一类网络—控制网络Infranet。随着现场总线控制网络的进一步发展，控制网络与数据网络的结合提上了日程，为开放型、全分布式控制系统与网络系统的进一步开拓提供了新的领域。 9.2.1 数据网络 数据网络[17]是指已在办公和通信等领域广为采用的计算机网络，通过数据网络人们可以直接获取信息。这类网络的特点是：数据通信量较大，需要经常传送文档、报表、图形，以及信息量更大的音域、视频等多媒体数据。数据网络从最初的局域网（LAN），局域网与局域网互连而逐渐发展，导致Internet的出现。而当企业看到Internet的巨大商业价值之后，将局域网与Internet成功结合为Intranet，使数据网络的发展和应用进入到一个崭新的阶段。 Intranet又称为企业内部网或企业网，它成功地结合了局域网和Internet的优点，也可以看成是基于Internet和Web技术的信息服务系统。可以认为： Intranet=Internet+Web+Information Technology Intranet采用Internet的通信技术，具有开放性的互联标准，能够提供强大的通信能力。Intranet采用B/S（浏览/服务器）模式的Web技术，使用户可以动态地访问分布式网络数据库，信息共享的能力更加强大。Intranet采用了身份认证技术、网络数据加密技术和防火墙技术，在企业内部网和公共网之间添加了保护屏障，因此Intranet既保留了互联网的开放性，又具有企业网抵抗外部信息侵袭的安全性和可靠性。 数据网络的通信技术已经相当成熟。它采用TCP/IP协议进行通信，其远程访问服务有Telnet、FTP、World Wide Web(WWW)等。其中WWW服务可以提供大量的文字、图片乃至音频、视频等媒体数据的传送，还支持多种嵌入式的应用程序的开发。 Internet和Intranet的结合可以为企业提供一个完善的数据信息资源共享的环境，可以在完成企业内部管理的基础上进一步加强企业同外部的信息交流，给企业创造更多的经济效益。 9.2.2 现场总线控制网络 现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。和 Internet、Intranet等类型的数据网络相比，控制网络直接面向生产过程，主要 有以下特点： ①控制网络主要用于生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视与控制，或实现“家庭自动化”等。数据网络则主要用于通信、办公，提供如文字，声音和