引言

隨著以知識經濟為特征的信息時代的到來和現代工業文明的發展，企業綜合自動化在現代工業大生產中的作用也越來越重要，它把工廠內各個孤立的局部自動化子系統在新的管理模式與工藝指導下，綜合運用信息技術、自動化技術、計算機網絡及其支持軟件技術等有機地結合起來，構成一個完整的系統，對生產過程的物質流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進行有效的控制和協調，以適應新的競爭形勢下市場對生產管理過程提出的高質量、高速度、高靈活性和低成本的要求。

工業控制網絡作為工業企業綜合自動化系統的基礎，從結構上看可分為三個層次：即管理層、監控層和現場設備層。如圖1所示。

其中，最上層的企業管理層網絡，主要用于企業的計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業的經營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設備之間一般以發送電子郵件、下載網頁、數據庫查詢、打印文檔、讀取文件服務器上的計算機程序等方式進行信息的交換，數據報文通常都比較長，吞吐量較大，而且數據通信的發起是隨機的、無規則的，因此要求網絡必須具有較大的帶寬。管理層層網絡主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）組成。

中間的制造執行層網絡主要用于監控、優化、調度等方面信息的傳輸，其特點是信息傳輸具有一定的周期性和實時性，數據吞吐量較大，因此要求網絡具有較大的帶寬，以前由專用網絡如令牌網組成，如今這一層網絡則主要由傳輸速率較高的網段（如10M、100MEthernet等）組成。

而最底層的現場設備層網絡則主要用于變送器、執行機構等現場設備之間、以及現場設備與控制室儀表之間的信息傳輸。它具有以下特點：

（1）傳輸的信息長度較小。這些信息包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關與閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點與量程調校信息等。其長度一般都比較小，通常僅為幾位（bit）或幾個、十幾、幾十個字節（byte），對網絡傳輸的吞吐量要求不高。

（2）通信響應實時性要求較高。工業控制對實時性的要求是“硬”的，因為它往往涉及安全，所以必須在任何時間都及時響應，不允許有不確定性。它包括兩方面的要求，一是傳輸速度要快，即網絡通信速率要高，二是響應時間要短，響應時間可由4個方面決定：儀表或執行器控制中斷的能力；信息在通信協議的應用層與物理層之間的傳輸時間；等待網絡空閑的時間；避免信息在網絡上碰撞的時間。由于這個時間對大多數通信協議是一個隨機數，過程控制系統通常并不要求這個時間達到最短，但它要求最大值是預先可知的，并小于一定值。另外，通信響應實時性還與系統的巡回時間有關，通常最長巡回時間是預先可知的，并小于一定值。

（3）較強的可靠性與安全性。對于工作在環境惡劣的工業生產現場的通信網絡，必須解決環境適應性問題，它包括電磁環境適應性（傳輸時不要干擾別人，也不要被別人干擾）、氣候環境適應性（要耐溫、防水、防塵）、機械環境適應性（要耐沖擊、耐振動）。而安全性要求則是指網絡傳輸媒體上所傳輸的能量要小，在正常工作或出現故障時，均不致引發災難事故。

（4）總線供電，即工業現場控制網絡不僅能傳輸通信信息，而且要能夠為現場設備傳輸工作電源。這主要是從線纜鋪設和維護方便考慮，同時總線供電還能減少線纜，降低布線成本。

正是由于以上特點和特殊性，目前現場設備層網絡主要由低速現場總線網絡組成。

1.現場總線的產生回顧

所謂現場總線，按照國際電工委員會IEC／SC65C的定義，是指安裝在制造或過程區域的現場裝置之間、以及現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線。以現場總線為基礎而發展起來的全數字控制系統稱作現場控制系統（FCS）。

現場總線的產生是多方面因素共同作用的結果。

首先，