一、工廠目動(dòng)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(jī)通過串行通信接口進(jìn)入PLC，經(jīng)處理后來控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這種控制方式不僅難以處理遠(yuǎn)距離控制問題，而且布線復(fù)雜，能耗也大。更嚴(yán)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(chǎng)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(chǎng)三個(gè)層面。其特點(diǎn)有以下幾個(gè)部分。
圖2 分層工廠自動(dòng)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(gè)控制部分發(fā)生故障，也只局限于某個(gè)小范圍，不會(huì)影響其它子站的正常工作，因此整個(gè)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(shí)際上形成了一種模塊式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的擴(kuò)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(diǎn)，即增加硬件時(shí)，在不改動(dòng)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(chǎng)控制于一體。
在分布式控制系統(tǒng)中，控制層和現(xiàn)場(chǎng)層主要負(fù)責(zé)控制或監(jiān)控決策的組織和實(shí)施，這兩層物理層上主要通過現(xiàn)場(chǎng)總線（如CAN 、PROFIBUS 等）的手段來實(shí)現(xiàn)。管理層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最高層次。整個(gè)系統(tǒng)的圖文顯示、管理決策制定與實(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的范疇。這里同時(shí)又是廣域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。
第三，具有開放性和智能性。
當(dāng)前國際上標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線如CAN 、PROFIBUS 等的使用，可使整個(gè)系統(tǒng)具有對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和維護(hù)。譬如要對(duì)遠(yuǎn)方某一子站的軟件進(jìn)行維護(hù)，則工程師無須親自到該站去，只要在就近的子站進(jìn)行處理或在家中通過MODEM 進(jìn)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(duì)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(gè)性。
這種分布式的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際上將智能也進(jìn)行了空間上的分布，使得系統(tǒng)中的每一個(gè)子站既能獨(dú)立地工作，又能實(shí)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(dòng)化系統(tǒng)相比，智能分布式的系統(tǒng)就象一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)或單元。所謂系統(tǒng)的智能性實(shí)際上就是系統(tǒng)具有根據(jù)獲取的信息進(jìn)行分析運(yùn)算和判斷的能力。
二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
1 .工業(yè)總線系統(tǒng)概貌
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中常常要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交流或?qū)δ吃O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。這就提出了一個(gè)控制與通訊問題。工業(yè)的計(jì)算機(jī)通信通常采用所謂的總線技術(shù)。圖3 列出了對(duì)常見總線系統(tǒng)的概括。
由圖3 可以看出，現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)總線系統(tǒng)中串行方式的一個(gè)分支。但它在工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)PC 、PLC、智能驅(qū)動(dòng)設(shè)備等之間的相互連接，實(shí)際上就構(gòu)成了一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，我們通常稱網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接 兩個(gè)通信伙伴最簡(jiǎn)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(jī)之間的連接等。這也是網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的一種。若有多個(gè)成員要通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行連接，則構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)格化的網(wǎng)絡(luò)，見圖4 所示。
圖4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每?jī)蓚€(gè)通信的成員便構(gòu)成了一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。這樣對(duì)于n個(gè)成員中的每個(gè)成員有(n-1）個(gè)接口的網(wǎng)絡(luò)，一共需（2"）連接。一個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用是可想而知的了。出錯(cuò)時(shí)或者一個(gè)成員或者一個(gè)通信通道退出,診斷是較為簡(jiǎn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，只是在這里構(gòu)成了一個(gè)物理環(huán)。在環(huán)上傳遞的信息是由一個(gè)成員傳遞到下一個(gè)成員依次形成的信息傳輸。當(dāng)然這里需要規(guī)定一個(gè)總線訪問規(guī)約，以保證某一時(shí)刻只有一個(gè)成員發(fā)送信息。由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員同時(shí)又起到了一個(gè)中繼器的作用，而采用光纖傳輸媒介時(shí)，兩個(gè)成員間的距離可達(dá)公里級(jí)，而且還可獲得很高的傳輸速率。
圖5 環(huán)形結(jié)構(gòu)
當(dāng)一個(gè)成員出問題或電纜斷裂時(shí)，為了不至于使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓．設(shè)立冗余環(huán)而且需要有一個(gè)適當(dāng)搜尋邏輯對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和其它成員構(gòu)成的。實(shí)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(hào)從發(fā)送站傳到正確的接收站。因此集線器既可以是主動(dòng)的也可以是被動(dòng)的。另一種是用智能中央站。在這種情況下，中央站操縱整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。
圖6 星形結(jié)構(gòu)
由于一切通信活動(dòng)要通過中央站。這就出現(xiàn)了一個(gè)瓶頸的問題。所以一旦中央站出現(xiàn)故障可導(dǎo)致整個(gè)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(jìn)行的。每一個(gè)成員是通過一較短的分接電纜接入總線的。每一個(gè)成員只需一個(gè)接口就可以和總線上的任一成員進(jìn)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(shí)刻只能有一個(gè)成員發(fā)送信息。這就需要有一個(gè)總線訪問規(guī)約。一般來說總線結(jié)構(gòu)存在如下問題：因?yàn)榭偩€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(shí)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(hào)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(shí)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(shí)際上是一般總線結(jié)構(gòu)的擴(kuò)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(duì)于樹狀結(jié)構(gòu)當(dāng)建立一個(gè)新的樹枝時(shí)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(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）成立了一個(gè)工作小組專門制定計(jì)算機(jī)通信的標(biāo)準(zhǔn)。并于1983 年出臺(tái)了一個(gè)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(gè)OSI－－參考模型將通信抽象地分成了7 個(gè)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(dāng)整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)廠家的成分構(gòu)成時(shí)，通過定義每層的內(nèi)容和確定可用接口便可創(chuàng)造一個(gè)開放系統(tǒng)。這由7 個(gè)層面構(gòu)成的計(jì)算機(jī)通信模型可用附表示出。
4．工業(yè)總線的訪問方式
當(dāng)我們了解了<
