毫無疑問現場總線技術給工業界帶來了一場深刻的變革。尤其是柔性制造系統的興起，使產業界由大批量生產模式轉換成集管理、生產于一體的具有高度自動化水平的FA（工廠自動化）模式，而實現工廠自動化的關鍵便是計算機組網技術，現場總線無疑成了工業級網絡的核心。

分層式工廠自動化網絡系統

與傳統的工業自動化模式相比，工廠自動化有如下的特點：

1. 控制方式由集中式轉變為智能分布式

集中式控制方式不僅難于處理遠距離控制問題，而且布線復雜，能耗大，更重要的是，其中央控制單元一旦出現問題，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的問題限制在局部范圍，即某一子站若出現問題不影響其它子站的正常工作。由此整個系統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絡拓撲結構，系統的擴展和縮減便可以象積木那樣操作了。當然，系統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上，在應用軟件平面上添加相應的軟件模塊。這方面奧地利貝加萊（B&R）公司的PCC 產品尤為突出。

2．集管理與現場控制于一體

工廠自動化網絡一般可分為三個層次，即：管理層，控制層和現場層。其中控制層和現場層主要負責控制或監控決策的組織和實施，這兩層物理上主要通過現場總線（如CAN ， PROFIBUS 等）的手段來實現。管理層是整個網絡的最高層次，整個系統的圖文顯示，管理決策制定與實施，各子系統間或與外系統的信息互換與交流以及數據庫管理等智能都屬于這個網絡層次的范疇。這里同時又是廣域網的節點。這個網絡層常用的通信協議是Ethernet 的TCP / IP 。這種集管理與現場控制于一體的自動化網絡可以體現如下優勢：

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

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

3. 開放性和智能性

國際上標準的現場總線如CAN ， PROFIBUS 等的使用可使整個系統具有對外系統很好的兼容性。另一方面，智能分布式網絡系統原則上可以通過任一子站實現對整個系統的監控和維護。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。當然系統的開放性還體現在用戶對系統的參與。數據庫可以很方便地以某種方式將用戶自己的應用軟件連接到系統中去，從而使系統充分體現用戶的個性。

這種分布式的系統拓撲結構實際上將智能也進行了空間上的分布，使得系統中的每一個子站既能獨立地工作，又能實現與系統其它部分的交流協作。 更形象地說，與集中式自動化系統相比，智能分布式的系統就象一個神經網絡一樣，將智能分配到了神經系統中的每一個節點或單元。所謂系統的智能性實際上就是系統具有根據獲取的信息進行分析運算和判斷的能力。系統的智能性主要表現如下幾點：

管理層通過提供對廣域網的結點使系統自身或對外界的交流具有了硬件基礎。同時數據庫和專家系統的使用使管理層具有越來越強的人工智能性。

控制層和現場層的計算機控制設備在分析運算能力上向著大型計算機的方向發展。如貝加萊（B&R）的可編程計算機控制器（ PCC ）的多任務分時操作系統，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，加強系統的智能性的目的有兩個：第一，減少人的干預，提高系統的質量和可靠性；第二，提高工作的速度和效率。

然而要實現所謂的工廠自動化（ PA ） ，現場總線技術將是關鍵所在。尤其是近年來在中國成立了多家現場總線協會，如FF協會，PROFIBUS 協會等。這些機構對現場總線在中國的推廣做了大量的工作。然而至于哪一種現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場總線的基本概念。

現場總線淺釋

在工業自動化領域中常常要實現設備間的數據交流或對某種設備進行遠程維護。這就提出了一個計算機通訊的問題。工業中的計算機通訊通常采用所謂的“總線技術”。圖3列出了對常見總線系統的概述。

由圖3可以看出，現場總線是工業總線系統中串行方式的一個分支，但它在工業自動化領域將扮演或正在扮演越來越重要的角色。

1. 網絡拓撲結構

要實現PC 、PLC 、智能驅動設備等之間的相互連接，實際上就構成了一個計算機網絡。網絡拓撲結構的概念是指：一方面網絡成員在網絡中幾何上的排序，另一方面與幾何排序無關的邏輯排序。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據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。這也是網絡中最簡單的一種。若有多個成員要通過點對點方式進行連接，則構成了一個網格化的網絡。在這種拓撲結構中，每兩個通信的成員便構成了一個點對點連接。這樣對于n 個成員每個成員有（ nl ）個接口的網絡，一共需n×（n1）/2個連接。一個結構網絡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 ）環形結構 環形結構同樣是利用了點對點連接，只是在這里構成了一個物理環。在環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。當然這里需要規定一個總線訪問規約，以保證某一時刻只有一個成員發送信息。由于每個網絡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，此拓撲結構一個顯著的優點是：可以保證較遠的傳輸距離和較高的傳輸速率。若無適當措施，當一個成員出問題或電纜斷裂時，意味著整個網絡的癱瘓。要避免此類問題須設立冗余環而且需要有一個適當的搜尋邏輯以對錯誤進行定位并用短路環切除。

（ 3 ）星形結構 星形結構是由中央站通過點對點連接和其它成員構成的。實現中央站有兩種可能：集線器（HUB ）。它的任務只是將信號從發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，中央站操縱整個網絡的通信。原則上一切通信活動要通過中央站。這就出現了一個“瓶頸”的問題。另外，中央站的故障可導致整個網絡的癱瘓。

（ 4 ）總線結構 在這種結構中所有網絡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送信息。這就需要有一個總線訪問規約。一般來說總線結構存在如下的問題：

因為總線上的數據交流帶有任意性，在每次總線信息發布的時候所有的成員都要“隨聽”。由此隨著總線成員數目的增多，發送者的壓力也越大。由于總線的長度一般在幾百米范圍內，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，以避免波反射現象。此終端電阻同樣給發送者造成壓力。以上的問題給總線結構帶來如下限制；總線上的成員數目是有限的；總線長度和傳輸速率是成反比的。

（ 5 ）樹狀結構 樹狀結構實際上是一般總線結構的擴展。其網絡覆蓋面比之一般的總線結構要大?？偩€的基本數據如最多成員數，最大傳輸速率以及最大總線長度同一般總線結構一樣。只是這些數值可由中繼器提高。對于樹狀結構當建立一個新的樹枝時要使用中繼器。如目前國際上應用廣泛的PROFIBUS 和CAN 都可以方便地通過中繼器做成樹狀結構，給現場總線的應用帶來了靈活性。

2. 通信模型

計算機間以數據交換為目的的通信需要有一個標準。70 平代屬于聯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，每層具體負責一個特殊的明確定義的通信部分任務組。

OSI 分層模型在抽象的層面上描述了伙伴過程的通信。至于每一層具體應如何配置，未作任何描述。因此當整個系統由多個廠家的成分構成時，通過定義每層的內容和確定可用的接口便可以創造一個“開放”系統。這由7 個層面構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絡成員的連接。從站總是直接回應主站的數據要求。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。網絡所有的成員都能夠有總線控制權。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。在數據傳輸結束后，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／從方式的結合。這里既有掌握通信控制權的主動成員，也有無通信控制權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：要發送信息的成員探聽整個總線（Carrier Sense ） ，當總線不被占用時再發送信息。當總線被另一成員占用時，要發送信息的成員將發送請求收回，然后在稍遲的時刻再重新嘗試數據傳輸（Multiple Access ）。因為一個成員只是在要發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送信息。因此這是一個隨機的訪問方式。同時因為也無法確?？偩€不被占用，當有發送愿望時，也無法保證多長時間內數據可得以傳輸。因此此方式不具有實時性。

（ 5 ） CSMA / CA 為了提高效率，各成員在發送信息的同時也從總線上讀取信息。假如發送和讀取的信息不一樣，則表明發生了信息碰撞。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，將對總線監視等待現行的數據傳輸完畢馬上開始信息發送。如果兩個成員同時開始信息發送，則將按優先權原則安排順序。這就是所謂的碰撞避免方式（collision Avoidance ）。

4．現場總線概括性介紹

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

開放式現場總線的運用，使得工廠自動化的網絡變成了靈活的模塊式、分布式結構。這種集管理和控制于一體的分層式工廠自動化網絡結構，將是未來新型制造業的基礎?？v觀中國的制造業，實際上還基本停留在大批量生產方式上。要向制造的柔性化、系統化和智能化邁進，需要具備以下條件：① 對國際標準化的知識準備。② 管理人員的科技知識準備。③ 現有舊設備的改造。④ 國家經濟體制的進一步改革和管理人員的觀念更新。

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