現場總線的產生與發展一、現場總線的概念二、現場總線的產生背景三、現場總線的發展五、現場總線的各種標準四、現場總線的特點及未來趨勢一、現場總線的概念在工業4.0時代，各種通信技術的蓬勃發展為企業實現智能化和自動化帶來了諸多可能。尤其是在工業互聯網的技術架構中，需要通過車間現場各類通信方式接入不同設備、系統和產品，采集并上傳海量數據。目前，在工業自動化控制領域，車間現場應用最廣泛的技術是工業以太網技術和工業現場總線技術。現場總線(Fieldbus)是近年來在工業領域中迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。現場總線具有簡單、可靠、經濟實用等顯著優點。一、現場總線的概念現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。現場總線是自動化領域中的底層數據通信網絡，連接最底層的現場控制器和現場智能儀表設備，以及自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。現場總線以數字通信替代了傳統42omA模擬信號及普通開關量信號的傳輸，并遵循ISO/OSI參考模型的全部或部分通信協議。OSI(OpenSystemInterconnect,開放系統互聯）參考模型是ISO（國際標準化組織）和CCITT（國際電報電話咨詢委員會）聯合制定的網絡體系結構模型，為開放式互聯信息系統提供了—種功能結構的框架，從低到高分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。一、現場總線的概念可以通過以下兩點理解現場總線：第—，根據工廠自動化信息網絡分層結構（工廠管理級、車間監控級、現場設備級），可知現場總線位千生產控制和網絡機構底層，是工廠底層設備之間的通信網絡。工廠底層應用現場總線技術的好處在于可以實現工廠信息縱向集成的透明通信，即從管理層到自動化底層的數據存取。第二，如圖1所示的現場總線控制系統結構基千ISO/OSI7層參考模型搭建，根據應用需求，該結構可以簡化。需要指出的是，在實際應用中，該模型只是一個參考模型，不同種類的現場總線協議棧有較大的區別，通常會對該模型進行簡化，以獲得更低的通信延遲和更快的速度，從而更有利千實現現場總線的實時特性。二、現場總線的產生背景現場總線大致出現在20世紀80年代末到90年代初，當時，隨著生產規模的日益擴大，工廠的設備有了互聯的需求（此階段的互聯需求主要定位千遠程的1/0數據傳輸，以及生產線內部不同設備的數據交換）。企業希望通過綜合掌握多點的運行參數與信息，進而實現多點信息的操作控制。但受制于當時的技術水平，每個廠商的產品都自成體系，不同廠商的設備之間不能實現互聯互通，想實現更大范圍信息共享的網絡系統還存在很多困難。圖1現場總線控制系統結構二、現場總線的產生背景隨著相關技術的不斷發展，并結合各種應用場景的實際需求，涌現出了許多具有代表性的現場總線技術，如基金會現場恁線(FoundationFieldbus,FF)、LonWorks現場總線、HART現場總線、CAN現場總線、DeviceNet現場急線、PROFIBUS現場總線、lnterbus現場總線、WorldFIP現場總線、CC-Link現場總線等。這些現場總線各具特點并擁有各自特定的應用范圍。由于現場急線種類繁多，通信協議也干差萬別，因此至今現場總線的標準也未能統—，最終形成各種現場總線內容相對獨立的IEC61158標準。三、現場總線的發展現場總線是一種用于工業自動化系統的通信網絡技術，它允許現場設備（如傳感器、執行器和控制器）之間進行數據交換和通信。以下列出現場總線發展歷史中的一些關鍵里程碑：1.20世紀80年代：最早的現場急線概念開始出現。2.20世紀90年代：現場總線技術得到了廣泛的應用和發展。一些重要的現場總線標準（如FF和DeviceNet)開始出現。3.21世紀00年代：寬帶技術的快速發展為現場總線的進一步發展奠定了基礎。工業網絡處理標準（如Ethernet/IP和PROFINET)的出現將工業網絡帶入自動化領域。4.21世紀10年代至今：現場總線技術不斷演進和發展。工業網絡的應用越來越廣泛，實時網絡標準（如EtherCAT和POWERLINK)也得到了推廣和采用。隨著時間的推移，現場恁線技術不斷改進，提供了更高的數據傳輸速度＼更強的可靠性和更靈活的配置選項。它已成為工業自動化系統中的重要組成部分，為設備之間的通信和數據交換提供了可靠的解決方案。四、現場總線的特點及未來趨勢1.多種標準共存：現場總線有多種不同的標準，如PROFIBUS、Modbus、FF、DeviceNet等。這些標準大多都有其特定的優勢和適用范圍，可以根據應用需求選擇適合的標準。2.標準化：隨著現場總線技術的普及，標準化的需求逐漸增加。國際電工委員會(IEC)等標準化組織開始制定現場總線安全標準，如IEC61158和IEC61784系列。3.可靠性和功能增強：現場總線系統通常具有高可靠性，以確保在故障清況下仍能保持系統的穩定運行。總線設計可以提供備用通信路徑，以防止單點故障導致整個系統故障。同時，現場總線系統增加了更多安全協議功能，如支持更高的數據傳輸速率、更復雜的控制算法、更強大的診斷和監測功能等。四、現場總線的特點及未來趨勢4.開放性和互操作性：現場總線的開放性和互操作性是關鍵因素。許多現場總線標準都是開放的，通過標準化接口和協議，不同廠商的設備可以更容易地進行集成和交互。這種開放性使得用戶可以選擇最適合其需求的設備和解決方案。5.網絡拓撲：現場總線網絡拓撲結構—直在不斷變化。最初的現場急線網格拓撲是基千主從結構的，后來發展催生了更靈活的分布式控制系統(DCS)和控制器局域網絡(CAN)等。6.接地化：隨著接地技術的成熟和廣泛應用，現場總線也開始向以太網方向發展。Ethernet/IP和PROFINET等協議成為現場總線領域的重要趨勢，提供更高的帶寬和更廣泛的應用支持。總體來說，現場總線在工業自動化中扮演著重要的角色。現場總線技術在過去幾十年中取得了顯著的發展，為設備之間的通信和控制提供了可靠的解決方案。隨著技術的不斷發展，現場總線系統將不斷演進和改進，以滿足不斷變化的工業需求。五、現場總線的各種標準常見的現場總線標準有以下幾個：1.PROFIBUS：這是一種廣泛應用千工業自動化領域的現場急線標準。2.Modbus:這是一種通用的串行通信協議，用于連接現場設備和監控系統，廣泛應用于工業控制和自動化領域。3.DeviceNet:這是一種基于CAN總線的現場總線標準，用千連接和控制工業設備，主要應用千機械和運動控制領域。4.FF:這是一種數字通信協議，用千連接和控制現場設備，廣泛應用于過程控制領域。5.EtherCAT:這是實時負載通信協議，應用于高性能運動控制和工業自動化領域。6.CANopen:這是一種基千CAN總線的現場總線標準，用于連接和控制工業設備，廣泛應用千汽車、機械和工業自動化領域。工業網絡與現代企業網絡一、工業網絡概述二、工業以太網的概述三、現代企業網絡系統的結構四、多種工業控制網絡的集成一、工業網絡的概述工業網絡是指在工業環境中用于連接和通信的網絡系統。它是為了滿足工業自動化和控制系統的需求而設計的，用千連接各種設備、傳感器、執行器和控制器，以實現數據傳輸、監控和控制功能。工業網絡通常具有以下特性：1.可靠性：工業網絡需要具備高度可靠性，以確保數據的準確傳輸和設備的穩定運行。2.實時性：許多工業應用需要進行實時數據傳輸和響應，如控制系統和監控系統，因此工業網絡需要提供低延遲和高帶寬的通信能力，以保證及時快捷的通信。3.安全性：工業網絡中的數據和通信必須得到保護，以防止未經授權的訪問、數據泄露或網絡攻擊。因此，工業網絡通常采用安全協議、身份驗證以保障網絡安全。4.擴展性：工業網絡需要具備良好的擴展性，以適應不斷增長的設備數量和數據流最，應該能夠支持靈活的拓撲結構和設備的添加或刪除。一、工業網絡的概述工業網絡可以包括各種通信技術和協議、現場總線（如PROFIBUS、Modbus、CAN等）、工業無線網絡等。工業網絡在制造業、能源、交通、物流等領域廣泛應用，為工業自動化和控制系統提供可靠的通信基礎設施。二、工業以太網的概述由于現場急線的標準化制定存在一定的難度，人們開始尋求新的工業通信技術，這時以太網技術出現了。以太網最早出現千20世紀70年代，之后按照IEEE802.3實施了標準化，現在是指符合IEEE802.3標準的局域網(LAN)產品組。以太網技術因具有技術簡單、開放性好、價格低廉等特點，在辦公和商務領域的市場占有率非常高。以太網最初是為辦公自動化的應用而設計的，并沒有考慮工業現場環境的需求。后來，—些廠商提出將以太網技術引入工廠設備底層（如施耐德提出了適用于工業現場的基于以太網＋TCP/IP的解決方案），工業以太網也就隨之產生了。工業以太網是指在工業環境的自動化控制及過程控制中應用以太網的相關組件及技術，采用TCP/IP協議，與IEEE802.3標準兼容，并在應用層加入各自特有協議的通信技術。二、工業以太網的概述1.工業以太網概況工業以太網是基于IEEE802.3（以太網）的強大的區域和單元網絡。工業以太網提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑。企業內部互聯網(Intranet)、外部互聯網(Extranet)及國際互聯網(Internet)提供的廣泛應用不但已經進入辦公室領域，而且可以應用于生產和自動化過程中。繼10Mbit/s以太網成功運行之后，具有交換功能、全雙工和自適應的100Mbit/s快速以太網(FastEthernet,符合IEEE802.3u標準）也已成功運行多年。采用何種性能的以太網取決千用戶的需要，通用的兼容性允許用戶無縫升級到新技術。在今天的控制系統和工廠自動化系統中，以太網的應用幾乎和PLC一樣普及。正確選擇工業以太網要考慮哪些因素呢？簡單來說，要從以太網通信協議、電源、通信速率、工業環境認證、安裝方式、外殼對散熱的影響、簡單通信功能和通信管理功能、電口或光口等方面來考慮，這些都是最基本的產品選擇因素。二、工業以太網的概述如果對工業以太網的網絡管理有更高要求，那么需要考慮所選擇產品的高級功能，如信號強弱、端口設置、出錯報警、串口使用、主干冗余(Trunking)、環網冗余(RapidRing)、服務質量(QoS)、虛擬局域網(VLAN)、簡單網絡管理協議(SNMP)和端口鏡像等其他工業以太網管理交換機可以提供的功能。不同的控制系統對網絡的管理功能要求不同，自然對管理型交換機的使用也有不同要求。應根據系統的設計要求，挑選適合系統的工業以太網產品。由于工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求，工業以太網的冗余功能應運而生。從快速生成樹冗余、環網冗余到主干冗余，它們都有各自不同的特點，控制工程師可以根據要求進行選擇。二、工業以太網的概述2.工業以太網的技術特點和優勢以太網具有價格低廉、穩定可靠、通信速率高、軟／硬件產品豐富、應用廣泛及支持技術成熟等優點已成為最受歡迎的通信網絡之—。近些年來，隨著網絡技術的發展，以太網進入控制領域，形成新型的工業以太網技術。這主要是由千工業自動化系統向分布化、智能化控制方面發展，開放的、透明的通信協議是必然的要求。將以太網技術引入工業控制領域，其技術特奪帶來的優勢具體有以下幾點：（1）應用廣泛。工業以太網兼容應用最廣泛的計算機網絡技術，大多數編程語言（如VisualC+＋、Java和VisualBasic等）都支持以太網的應用開發。采用不同網絡協議的設備可以很容易實現互聯。（2）資源共享能力強。隨著互聯網的發展，工業以太網已滲透到各個角落，網絡上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，接入互聯網上的任何—臺計算機后都能瀏覽工業控制現場的數據，實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接，形成企業級管控—體化的全開放網絡。二、工業以太網的概述（3）軟／硬件成本低廉。由千工業以太網技術已經非常成熟，支待工業以太網的軟／硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發環境和硬件設備供用戶選擇。（4）通信速率高。隨著企業信息系統規模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要實現音頻和視頻數據的傳輸。通信速率為100Mbit/s、1000Mbit/s的快速以太網開始廣泛應用，萬兆以太網技術也逐漸成熟，其速率比現場急線快很多，可以滿足工業控制網絡不斷增長的帶寬要求。實現“控管—體化”，這是其他任何—種現場總線都無法比擬的。（5）可持續發展潛力大。工業以太網的引入為控制系統的后續發展提供可能性，用戶在技術升級方面無須獨自研究投入。同時，工業機器人技術和工業控制技術的發展要求通信網絡具有更高的帶寬和性能，通信協議具有更高的靈活性，這些要求工業以太網都能很好地滿足。三、現代企業網絡系統的結構現代企業網絡系統的結構通常基于分層架構，其中包含以下幾個主要組成部分：1.邊緣層（Edgelayer）：現代企業網絡系統的最低層，負責連接終端設備（如計算機、手機、打印機）。2.分布層（DistributionLayer）：位千邊緣層和核心層之間，負責實現網絡的分層。3.核心層（CoreLayer）：現代企業網絡系統的中心，負責處理大量的數據流量。它提供高帶寬、低延遲的交換和路由功能，確保網絡的性能和可靠性。三、現代企業網絡系統的結構4.無線鏈路（WirelessLink）：現代企業網絡系統通常包括無線鏈路，用于支持移動設備的無線接入寺。無線局域網可以與穩定網絡存儲結合使用，提供靈活的網絡連接和覆蓋范圍。5.數據中心（DataCenter）：對于大型企業來說，數據中心是現代企業網絡系統的重要組成部分。6.安全層（SecurityLayer）：現代企業網絡系統必須具備強大的安全性能，以保護敏感數據并防止網絡攻擊。安全層包括防火墻、入侵檢測系統(IDS)、虛擬專用網絡(VPN)等安全設備和技術。這些組成部分相互連接和交