作者：雷霖
出版社：电子工业出版社
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现场总线控制网络技术(第2版)试读：
前言
本书第一版自2004年由电子工业出版社出版以来，受到国内多所高校教师、同行、同学及读者的关心和支持。为了适应新技术的发展，我们在追踪国际上工业企业网、物联网及现场总线技术发展和从事相关技术研发、研究工作的过程中，收集整理了一些技术资料，并加以总结、整理和修订。
本次修订是在第一版的基础上并结合教育部卓越工程师培养计划的要求，对内容重新进行的梳理，共分为7章，继续保持了上版内容全面系统、简明易懂、循序渐进、原理与应用紧密结合的特色，修改了部分章节，并增加了一些新内容。比如，第2章增加物联网的相关知识及应用等，第4、5、6、7章增加相关技术的应用实例及设计方案等。
第1章介绍企业有关的技术；第2章介绍物联网与控制网络相关知识；第3章介绍现场总线、现场总线控制网络及其相关技术，给读者一个现场总线控制网络的总体概貌；第4章至第7章分别介绍4种具有一定市场占有率和良好应用前景的现场总线技术及应用实例——控制器局域网总线（CAN）、过程现场总线（Profibus）、基金会现场总线（FF）和LonWorks总线技术，并介绍了总线技术在汽车电子领域相关技术的应用实例及设计方案。
本书由雷霖博士、教授担任主编，负责整个教材编写的统筹安排，并负责第1章、第4章内容编撰；唐毅谦博士、教授担任副主编，并负责第2章、第3章编写；喻晓红副教授负责第6章；陈二阳负责内容简介、前言、第5章及最后的校正工作等；罗竣溢博士负责第7章编写。
作者对学习、编作过程中参考过的文献资料的作者深表谢意。
由于现场总线技术内容十分丰富，技术应用发展也日新月异，因此书中内容难以反映这一技术领域的全貌，不妥之处在所难免，诚请指正。
作 者
2014年6月于成都第1章 企业信息网络技术
企业的管理者，总是希望把企业的生产过程、环境、安全、保卫、告警过程、动力分配、给水控制、资产、库房、人力资源、原材料等所有管理功能都监视并控制起来。为此，企业的组织和管理模式经过长时间的演变，从“分层递阶式”向“分布化”、“扁平化”的发展过程，并进一步向“网络化”、“动态重构化”和“柔性化”的方向发展。企业的组织模式和管理模式发生具体的变化，体现在“虚拟企业”、“敏捷制造”、“分散网络化制造”、“企业集成”等概念出现及实现，而企业信息网络是这些新的企业组织模式的基础。如今，管理者更希望能用一个“通用的控制网络”把企业有关的资源网连接在一起，并尽可能降低成本。这就要依靠企业信息网络来实现。目前，企业信息网络一般包含处理企业管理与决策信息的信息网络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两部分。信息网络一般处于企业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息，具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。1.1 企业信息网络
企业网（Enterprise Network），一般是指在一个企业范围内将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，以实现企业内部的资源共享、信息管理、过程控制、经营决策，并能够访问企业外部的信息资源，使得企业的各项事务协调运作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境。
企业网是一个企业的信息基础设施。企业网涉及局域网、广域网、现场总线以及网络互联等技术，是计算机技术、信息技术、分布式计算和控制技术在企业管理与控制中的有机的统一。网络技术与应用的热点和重心向企业网技术的转移，是网络技术发展及应用的一个重要方向。企业网作为一种网络技术，其特点就是要适应各行各业企业的不同应用需求，并确定相应的技术实现方案。
人类进入信息社会后，意识到信息已经成为一项重要的生产力要素，而且信息已成了一项至关重要的资源要素，在社会各行各业的生存和发展中发挥着越来越大的作用。特别是在市场经济条件下，企业要实现管理现代化，要在激烈的市场竞争中求得生存和发展，就必须善于收集信息、处理信息、利用信息，并开发信息资源。全球各国的大企业都把加强信息基础设施建设放在了企业经营发展战略的重要位置，以加快企业自身的信息化建设步伐。信息经济是以信息为主导的全面经济活动，而企业信息化就是企业用信息化的功能去推动企业的管理、生产、销售和决策。因此，企业信息化是企业在21世纪取得信息经济成功的必由之路。
企业网是指将企业范围内的网络、计算、存储等资源链接在一起，提供企业内的信息共享、员工间的便捷通信、企业外部的信息访问，提供面向客户的企业信息查询及业务伙伴间的信息交流等多方面能力的一个计算机网络。企业网应该具有如下几个基本特性。（1）企业网中的“企业”是一个广义的概念，泛指制造业、服务业、行政机关、社会团体等社会单位。因此，不同领域的企业网既有共性，又有特性。（2）企业网是指在企业和与企业相关的范围内通过系统集成的途径建立的网络环境，它不仅涵盖企业本部，而且连通其合作伙伴、贸易渠道等。（3）企业网的建立要以实现企业资源共享、优化调度以及辅助管理决策为目的，是企业的信息基础设施。它要有利于员工间的便利通信，保证数据的一致性和完整性。（4）企业网的目标是实现企业各项事务运作的协同（Collaboration）、协作（Cooperation）和协调（Coordination）——3Co，是网络化企业组织的管理理念的体现。（5）企业网是多种学科（如计算机、控制、通信和管理等）的交叉，是多种技术（如计算机技术、数据库技术、系统集成技术、网络通信技术、多媒体技术、现场总线技术和CSCW技术等）的融合，体现了系统集成的多重含义。（6）企业网具有高度的安全性。企业网是作为相对独立的某个企业的网络环境，是相对开放的系统，即在高度安全性措施保障下的开放的系统，这对企业网的安全提出了更高的要求，确保企业既能通过企业网获取外部信息和发布内部公开信息，又能相对独立和安全地处理内部事务而不受外部干涉。（7）企业网应用需求的多样性决定了相应技术实现方案的多样性。不同的应用 表现为在结构、组成和实现等方面的差异上。在工业自动化应用环境中，企业网技术将集成信息技术和控制技术，支持企业从决策、管理、经营、设计、调度到控制等各种功能和行为。
企业网应该具有高效率、高效益、高柔性的特点，高效率是指从产品的市场预测、设计开发、制造加工到市场销售的各个环节是高效的；高效益是指产出投入比要高；高柔性是指能针对市场变化灵活迅捷地调整经营战略和产品设计，确保跟踪市场的前沿需求。
相应地，现代企业系统构成及运行机制可抽象为图1-1所示的模型。图1-1 现代企业系统构成及运行机制
企业网是适应21世纪企业的新特点、现代企业系统构成及运行机制的形象化体现，它既具备企业网的基本特性，又有适合于工业领域的特点。（1）企业除了具有管理和办公系统外，还有物质生产系统，相应地，企业网在体系结构上可分为信息网和控制网两个层次。其中，信息网位于上层，是企业级数据共享和传输的载体；控制网位于下层，与信息网紧密地集成在一起，服从信息网络的操作，同时又具有独立性和完整性。（2）集中管理、分散控制是工业企业网的指导思想。（3）管理—控制一体化（或称为信息—控制一体化）是企业网要达到的目标，也是它的发展方向。
在企业中，控制技术和控制系统应该与企业的商业战略相联系，不仅需要将控制系统的各部分集成到一起，而且需要将控制系统（硬件和软件）集成到整个企业系统之中，其中包括商业集成、垂直集成和水平集成3种类型的集成。（1）商业集成：把技术用于商业战略的制定之中，相当于信息系统间的集成。（2）垂直集成：控制系统和信息系统的集成。（3）水平集成：控制系统各部分之间的集成。
企业网逻辑集成框架的结构如图1-2所示。图1-2 企业网逻辑集成框架的结构
企业网是众多新技术的综合应用的结果。企业网在技术上涉及其组成和实现，在应用上要考虑企业网本身，而且要考虑企业网周围的环境。企业网组成技术和企业网实现技术是支撑构成企业网应用的基础。企业网的框架如图1-3所示。图1-3 企业网框架
企业网组成技术包括计算机技术、数据库技术、网络与通信技术、控制技术、现场总线技术、多媒体技术和管理技术。
企业网实现技术包括局域网、广域网、网络互联、系统集成、Internet、Intranet和Extranet。
企业网支持下的应用包括管理信息系统MIS（基于Web的现代管理信息系统WMIS）、办公自动化（OA）系统、计算机支持的协同工作CSCW系统、计算机集成制造系统CIMS、制造资源计划MRP-Ⅱ、客户关系管理系统CRM。
其中，企业网支持下的应用具有如图1-2所示的逻辑框架。
由于企业网技术是多种学科的交叉、多种技术的融合，因此对企业网的研究要采取分解整合的方法；另外，企业网又是一个动态的概念，其原理、组成技术和实现技术是随着相关技术的发展而不断发展变化的，在对企业网的研究的过程中，还需要分清其支撑技术、核心技术和相关技术。1.2 企业网技术1.2.1 企业网技术的需求背景
目前，企业网已渗透到国民经济的各个领域，它的发展和应用，对企业的产业结构、产品结构、经营管理和服务方式带来了革命性的影响，并成为衡量一个企业科技水平和综合力量的重要标志。企业网络的应用不仅可以改造传统产业，提高产品的附加值，而且对推动企业的发展，促进产业经济信息化也将起到关键性的作用。因此，在各类企业中应用企业网技术将是我国应该长期坚持的方针，企业网在企业的生存和发展中占有重要的战略地位。从需求上来说，作为企业信息基础设施的企业网越来越被企业所重视。
在一个企业的管理过程中，信息是企业预测的基础，预测必须以信息为起点和终点，才能进行分析、演绎和逻辑推理，并进而得到有用的信息；信息又是企业决策的前提，要使决策者做出正确并切实可行的决策，就必须及时掌握全面可靠的信息，否则，将导致决策的失误。可以说，在现代经济社会里，谁先掌握了正确的信息，谁就有可能做出正确的决策，谁就掌握了经营的主动权。同时，信息也是指挥和控制生产经营活动的依据，从一定意义上说，企业生产经营活动的好坏在于管理者驾驭信息能力的强弱。可见，信息是一项重要的资源，在现代社会，充分有效地利用信息资源是一个组织取得成功的重要条件。而企业网作为企业的信息基础设施恰恰适应了这种需要，能够满足企业对信息的获取、分析和决策的要求。
此外，企业要想在激烈的市场竞争中求得生存和发展，必须改善其过程控制和产品制造模式，依靠虚拟制造、虚拟企业和大大提高自动化水平来实现规模经营和灵活经营，从而降低产品成本，提高企业经营效益。而企业网实现了企业各部门之间以及企业与外界之间的有效联系，实现了现场控制网络与管理信息网络之间的有效联系，为虚拟制造和虚拟企业的建立创造了条件。以现场总线为基础的现场控制网络使过程控制满足了准确性、可靠性、开放性的要求，大大提高了其自动化水平。因此，企业需要企业网。1.2.2 企业网技术背景
从技术上来说，计算机技术、网络技术与通信技术和控制技术的飞速发展，推动着企业网技术的产生和发展。企业网正是这三种技术在企业中的融合和应用。（1）计算机技术。计算机技术特别是微型计算机技术在最近几年获得了突飞猛进的发展，其运算速度越来越快，存储容量越来越大，软件资源越来越丰富，应用领域越来越广泛，同时伴随着多媒体技术的发展，它已被用于教育、科研、生产、商业、娱乐等各个领域，走进了人们生活的每个角落。同时，计算机作为信息处理的工具，它不是孤立存在的，按照某种规则和要求建立起来的计算机网络更显示了其强大的功能。（2）网络与通信技术。高速宽带网的出现大大提高了通信效率，交换以太网、快速以太网、千兆位以太网、FDDI和ATM等网络技术逐渐成熟和完善，使得人们可以传输数据、文本、声音、图像、视频等多媒体信息。更重要的是，飞速发展的Internet对人们的生活观念、生活方式、工作方式产生了革命性的影响，人们已经越来越离不开网络。（3）控制技术。20世纪80年代问世的现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术结合的产物。由于通信协议参照了ISO/OSI七层参考模型，使得现场总线可以与上层办公信息网络集成到一起，从而使过程自动化、楼宇自动化、家庭自动化等成为可能。现场总线作为21世纪现场控制系统的基础，代表着今后测量与控制领域技术发展的方向，它将产生的影响和将发挥的作用是难以估计的。目前，国际上有关现场总线的争议已经演变为一场无形的市场争夺战。现场总线技术的研究、开发和应用成为一个十分复杂的课题。
因此，企业网的产生和发展是需求拉动与技术推动的结果。随着企业对企业网需求的产生，对企业网技术的研究已经成为一个时代的课题，其研究的成功对企业的生存和发展，对国民经济发展都具有重大意义。1.2.3 企业网的特性
企业网具有如下特性。（1）范围确定性。企业网是在有关企业范围内为了实现企业的集成管理和控制而建成的网络环境，具有特定的地域和服务范围，并能实现从现场实时控制到管理决策支持的功能。（2）集成性。企业网通过对计算机技术、信息与通信技术和控制技术等技术的集成达到了现场信号监测、数据处理、实时控制到信息管理、经营决策等功能上的集成，从而构成了企业信息基础设施的基本骨架。（3）安全性。区别于Internet和其他网络，企业网是作为相对独立单位的某个企业的内部网络，在企业信息保密和防止外部入侵方面要求高度的安全性，要确保企业能通过企业网获取外部信息和发布内部公开信息，但又相对独立和安全地处理内部事务不受外部干涉。（4）相对开放性。企业网是连接企业各部门的桥梁和纽带，它是一个广域网，并与Internet连通，以实现企业对外联系的职能，也就是说，企业网是作为Internet的一个组成部分出现的，它具有开放性，但这种开放性是在高度安全措施保障下的相对的开放性。1.2.4 企业网的发展历程
企业网的发展大体可分为以下三个阶段。
第一阶段从20世纪70年代中期开始，那时的企业网是指企业中传统的分时共享中心主机及其各终端所构成的网络，基本上只限于作业处理，其功能和应用是有限的。
企业网发展的第二阶段：随着局域网技术的发展，企业内各种类型的计算机都能接入网络共享信息与资源，其功能有了很大的扩展，而且由于工业以太网、集散控制系统（DCS）以及可编程控制器PLC的产生和发展，工业企业内的现场控制设备也被集成到一起。
第三阶段从20世纪90年代开始，由于Internet技术的成熟和迅速推广，出现了Intranet的概念，进而在Intranet的基础上又出现了Extranet和Infranet的概念，而且现场总线技术也越来越为人们所接受，并被普遍用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等系统之中，于是便分别以Intranet/Extranet技术和现场总线技术（或工业以太网）为信息网和控制网的依托，形成了当前意义上的企业网概念。1.2.5 企业信息化与自动化的层次模型
企业信息化与自动化的层次模型如图1-4所示。图1-4 企业信息化与自动化的层次模型
1.设备层
设备层中的设备种类繁多，有传感器、启动器、驱动器、I／O部件、变送器、执行机构、变换器、阀门等。设备的多样性要求设备层满足开放性要求，各厂商遵循公认的标准，保证产品满足标准化；来自不同厂家的设备在功能上可以用相同功能的同类设备互换，实现可互换性；不同厂家的设备可以相互通信，在多厂家的环境中完成功能，实现可互操作性。
2.自动化层
自动化层实现控制系统的网络化，控制网络遵循开放的体系结构与协议。对设备层的开放性，允许符合开放标准的设备方便地接入。对信息层的开放性，允许与信息化层互联、互通、互操作。
控制网络的出现与发展为实现自动化层开放性策略打下了良好的基础。
3.信息层
信息层已较好地实现开放性策略，各类局域网满足IEEE 802标准，信息网络的互联遵循TCP／IP协议。1.3 企业网的体系结构
根据计算机集成制造系统CIM-OSA模型和PUDU模型，企业的控制管理层次大致可分为5层，如图1-5所示。其中，底层的单元层和设备层是企业信息流和物流的起点，以控制为主，能否实现柔性、高效、低成本的控制管理，直接关系到产品的质量、成本和市场前景，而传统的DCS、PLC控制系统由于其控制的相对集中，导致了可靠性的下降和成本的增加，且无法实现真正的互操作性。另外，由于其自身系统的相对封闭，与上层管理信息系统的信息交换也存在一定困难。因此，进入20世纪90年代以来，现场总线控制系统正逐渐成为该控制领域的主流。图1-5 CIM模型1.3.1 IT企业网的功能体系结构
企业网技术是一种综合的系统集成技术，它涉及计算机技术、通信技术、多媒体技术、管理技术、控制技术和现场总线技术等。应用需求的提高和相关技术的发展，要求企业网能同时处理数据、声音、图像、视频等多媒体信息，满足企业从管理决策到现场控制自上而下的应用需求，实现对多种媒体、多种功能的集成。
在功能上，企业网的结构可分为信息网络和控制网络上下两层，其体系结构如图1-6所示。图1-6 工业企业网的功能体系结构（1）信息网络位于企业网的上层，是企业数据共享和传输的载体，它需满足如下要求。
① 信息网是高速通信网络。
② 能够实现多媒体的传输。
③ 与Internet互联。
④ 是一个开放系统。
⑤ 满足数据安全性要求。
⑥ 易于技术扩展和升级/更新。（2）控制网络位于企业网的下层，与信息网络紧密地集成在一起，服从信息网络的操作，同时又具有独立性和完整性，它的实现既可以用工业以太网，也可以采用自动化领域的新技术——现场总线技术，或者工业以太网与现场总线技术的结合混用。（3）信息网络与控制网络互联的意义及逻辑结构。
传统的企业模型具有分层递阶结构，然而随着信息网络技术的不断发展，企业为适应日益激烈的市场竞争的需要，已提出分布化、扁平化和智能化的要求，即一是要求企业减少中间层次，使得上层管理与底层控制的信息直接联系；二是扩大企业集团内不同企业之间的信息联系；三是根据市场变化，动态调整决策、管理和制造的功能分配。将信息网络和控制网络互联主要出于以下几点考虑。
① 将测控网络连接到更大的网络系统中，如Intranet、Extranet和Internet。
② 提高生产效率和控制质量，减少停机维护和维修的时间。
③ 实现集中管理和高层监控。
④ 实现远程异地诊断和维护。
⑤ 利用更为及时的信息提高控制管理及决策的水平。
信息网络与控制网络互联的逻辑结构如图1-7所示。连接层为提供在控制网络和信息网络应用程序之间进行一致性连接起着关键作用，它负责将控制网络的信息表达成应用程序可以理解的格式，并将用户应用程序向下传递的监控和配置信息变为控制设备可以理解的格式。在解决实际互联问题时，为了最大限度地利用现有的工具和标准，用户希望采用开放策略解决互联问题，各种标准化工作的展开和进展对控制网络的发展是极为有利的。连接层具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。图1-7 信息网络与控制网络互联的逻辑结构
企业要实现高效率、高效益、高柔性，必须有一体化的企业网支持。建立控制与管理一体化的企业网将为企业综合自动化（Computer Integrated Plant Automation，CIPA）与信息化创造有利的条件：
① 建立综合的、实时的信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据；
② 建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可操作性。
③ 实现企业网的协同工作，充分利用设备资源与网络资源，提高网络服务质量。
④ 实现对控制网络工作的统一管理与优化调度。
⑤ 实现对控制网络工作的远程监控、诊断、软件维护与更新。1.3.2 网络控制系统与企业网的关系
企业网是指在企业和与企业相关的范围内为了实现资源共享、优化调度和辅助管理决策，通过系统集成的途径建立的网络环境，是一个企业的信息基础设施。企业网是网络化企业组织的管理理念的体现。目前，企业网的主流实现形式基本上是以Intranet为中心，以Extranet为补充，依托Internet建立的。
工业企业网是企业网中的一个重要分支，是指应用于工业领域的企业网，是工业企业的管理和信息基础设施，它在体系结构上包括信息管理系统和网络控制系统，体现了工业企业管理—控制一体化（或称为信息—控制一体化）的发展方向和组织模式。网络控制系统作为工业企业网中一个不可或缺的组成部分，除了完成现场生产系统的监控以外，还实时地收集现场信息与数据，并向信息管理系统传送。网络控制系统便是在控制网络的基础上实现的控制系统。信息管理系统与网络控制系统的关系如图1-8所示。图1-8 信息管理系统与网络控制系统关系1.3.3 企业网的一般实现结构
一个完整的企业网包括本地信息处理网络和本地实时控制网络、企业驻外机构以及与企业有关的其他网络，其实现结构如图1-9所示。图1-9 企业网的实现原理
在物理实现上，企业本地网、驻外机构网和其他网络之间通过路由器、Modem等连接设备经由Internet互联起来。对信息网，异步传输方式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）技术是一种支持多媒体应用的高速通信网络，并逐步走向成熟和被推广应用，特别当被用于主干网时，ATM交换机既具有技术先进性，又具有较高的性能价格比。此外，视企业与产品情况，交换以太网、快速以太网、千兆位以太网也是很好的选择。
在应用实现上，现代工业企业网可以描述为以主企业Intranet为主体，以公用数据网或其他通信手段为依托，借用Internet技术与相关企业的Intranet或单机组成的网络，主企业Intranet解决企业内部共享与兼顾Internet公共资源问题；由相关企业的Intranet和单机与主企业Intranet借用公共通信手段组成多个虚拟Extranet。
Intranet（通常被称为企业内部网或企业内联网）是采用以TCP/IP为核心的Internet技术实现的企业内部网，它代表了当今企业网信息处理技术发展的主流和动向，并将对企业的管理信息系统（MIS）的实现技术产生革命性的影响。由于Intranet系统的设计和开发基于成熟和主流的Internet技术，软件开发周期短，系统生命周期长，Intranet所有的应用系统的性能和可靠性已经在Internet的实际运行过程中经受了考验，因此，Intranet避免了许多软硬件投资，最大限度地降低了系统的开发和运营成本。
Extranet（通常被称为企业外延网或企业外联网）往往被看成是现有Intranet向外的延伸，一般来说，Intranet的着眼点在于企业内部，是一种与外部世界相对隔离的内部网络，以大幅度地提高生产能力，扩展信息的传播，降低成本，提高效率为目的。而Extranet是一个使用Internet技术使企业与其客户和其他相关企业相连，以完成共同目标的交互式合作网络。Extranet中的信息交流着眼于企业外部，即企业与外部，企业与贸易伙伴之间的信息交流。Internet、Intranet、Extranet的比较如表1-l所示。表1-1 Interanet、Intranet、Extranet的比较
企业网是企业中用于经营、管理、调度、监测与控制的全局通信控制网络，在学科发展方面，工业企业网涉及计算机、通信、自动控制、信息、系统工程、管理等学科与技术，是一个多学科的交叉点。作为一种新型的网络，在工业企业网的设计与实施中，有许多问题值得研究。它们包括：企业网体系结构的研究；信息控制网络与实时控制网络的集成；企业网环境下的管理模式研究；企业网环境下控制科学的发展及企业网络控制系统的结构、技术与研究方法；企业网环境下的调度问题的研究。
计算机技术、网络通信技术、控制技术和管理技术的发展促成了企业网的产生和发展，现在许多企业已经或计划把企业网作为其信息基础设施而放在了企业经营发展战略的重要位置，作为一个多学科的交叉点，企业网及企业网环境下的控制系统需要研究的问题很多，具体来说，主要有以下几个方面。（1）关于企业网的体系结构和企业网支持下的应用
近年来，针对企业模型出现了许多概念，如虚拟企业、敏捷虚拟企业、分散网络化制造、虚拟工厂网络等，而对企业网的实现又出现了如Intranet、Extranet、Infranet的概念。面对如此众多的概念，有必要寻求一种统一的模型来对企业网进行较确切的描述。
对于企业用于控制和管理的应用系统，如MIS系统（基于Web的MIS）、办公自动化系统（OA）、MRP-Ⅱ系统、CIMS系统、CSCW系统等，在企业网出现以后正在发生着深刻的变革，探求企业网环境下企业的经营管理之路已经提到了日程上。
研究一个问题，一定要确定它的支撑技术、核心技术和相关技术，对于企业网这个融合了多种技术和多种学科的交叉课题，更有必要弄清这个问题，只有在此基础上，研究工作才能有的放矢。（2）企业网络控制系统的体系结构、研究方法与技术
面对世界上各大公司推出的企业自动化解决方案，有必要从体系结构和描述模型上来对企业网环境下的控制系统进行统一。例如，可以按层次结构将其划分为设备级、车间级和工厂级；按功能结构将其划分为不同的模块，分别完成数据采集、设备驱动、调度与协调、管理与决策等功能；从实现上来分，可以按硬件结构（物理结构）和软件结构（逻辑结构）来分别对其进行描述，不同的描述方法中有不同的侧重点。（3）企业网下的协调控制/调度/分布式计算/网络计算研究
企业网络出现以后，原来的协调控制和调度算法会受到什么影响，应该如何修改，是不是有更好的解决途径，如分布式计算/网络计算。Java的出现和推广也已引起一场新的计算革命，有人提出企业中的Java计算的概念。最近，又推出了基于Java的控制系统，说明Java已经走进企业并充当重要角色。
从算法的研究到软件实现，其中如软件模型、软件的评价标准、软件设计过程中应遵循的标准、软件实现方法等都是很有意义的研究课题。例如，软件设计要符合客户/服务器结构；遵循COMIDCOM原则；采用面向对象的技术等。（4）企业网对企业集成自动化系统各层次（控制、监控、优化、管理决策等）的影响
企业网出现以后，有人将企业网支持的企业管理系统抽象为如图1-10所示的模型，其中，企业管理的五项职能：计划、组织、指挥、协调和控制都可以用该模型描述。在该模型中，便需要考虑评价标准、信息的分析与过滤以及算法（处理手段和措施）等问题。图1-10 企业网支持的企业管理系统抽象模型1.3.4 以现场总线与企业内部网为基础的企业网结构
现场总线产生以后，世界各大公司纷纷推出自己的以现场总线与企业内部网为基础的工业企业网解决方案。典型的方案有以下几种。（1）西门子公司提出了基于Profibus的全集成自动化TIA（Totally Integrated Automation）的概念，它是一种开放式的利用SIMATIC系列产品实现的工厂控制网络的全面解决方案。（2）罗克韦尔自动化公司推出了将信息网（Ethernet）、控制网（ControlNet）、设备网（DeviceNet）集成到一起的系列产品，并在世界各地迅速推广。（3）美国Honeywell公司也推出了TPS（Total Plant Solution System）。（4）Fisher-Rosemount公司提出了利用FF总线实现的PlantWeb的概念。
以上四者的共同之处在于实现了数据管理、组态和编程、通信的集成，消除了计算机与PLC之间的壁垒、操作员与控制系统之间的壁垒以及集中式与分布式自动化组态之间的壁垒和工厂自动化与过程自动化之间的壁垒。1.4 企业网的实现1.4.1 建立企业网的策略
建立企业网有如下几种方式。（1）将信息网络与自动化层的控制网络统一组网，融为一体，然后通过路由器与设备层的现场总线控制网络进行互联，从而形成一体化的工业企业网，如图1-11所示。图1-11 通过互联构建一体化的企业网（2）各现场设备的控制功能由嵌入式系统实现，嵌入式系统通过网络接口接入控制网络。该控制网络与信息网络统一构建，从而形成一体化的工业企业网，如图1-12所示。图1-12 通过控制网络构建一体化的企业网（3）将现场总线控制网络与Intranet集成，如图1-13所示。在该方案中，动态数据库处于核心位置，它一方面根据现场信息动态地修改自身数据，并通过动态浏览器的方式为监控站提供服务；另一方面接收监控站的控制信息对其进行处理并送往现场。此外，为了保证控制的实时性，控制信息也可不经过动态数据库而直接下发到现场。其中主要涉及以下技术。图1-13 现场总线控制网络与Intranet信息网络的集成方案
① 客户/服务器模式。客户/服务器模式作为分布式应用程序之间通信的一种有效方式得到了广泛应用，通常服务器和客户运行于通过某种网络互联的不同平台之上，运行在服务器上的进程为发出请求的客户进程提供所需信息。在企业网中，现场总线与信息网在物理上的连接使其可作为整个网络的一个节点加入到客户/服务器模式之中，并服从客户/服务器模式的技术规范。
② 动态浏览器技术。浏览器是Internet和Intranet中最有代表性的应用之一，它以HTTP协议和HTML语言为通用标准，以超文本界面的形式极大地方便了人们在Internet和Intranet上查找和提取有用信息。使用动态浏览器技术（Dynamic Browser），可以把现场设备的运行状况通过浏览器的方式动态地展现在处于监控站位置的操作员面前。
③ 动态数据库技术。动态数据库是动态浏览器的前提和基础，动态数据库根据现场信息动态地修改自身数据，时刻保持与现场的同步，与之相对应，便需要一个动态数据库管理系统DDBMS（Dynamic Data Base Management System）对其提供管理。
④ Java技术。Java是1995年由Sun公司开发而成的新一代编程语言，经过几年的发展，随着JavaOS、Java芯片、Java卡和嵌入式Java等新概念的出现，Java将以一种平台、一种计算模式影响诸多领域。就控制领域而言，因Java起初就是为控制电视、烤面包箱等家用电器开发的，这注定它在控制领域会得到一定程度的应用。1.4.2 分布式控制网络平台
1.分布式控制网络技术的目标
分布式控制网络技术的目标如下。（1）屏蔽各种现场总线控制网络之间的差异，实现各现场总线控制网络透明地互联，使现场总线之间的通信及其现场设备之间的通信畅通无阻。（2）实现分布式控制网络接入系统与设备的协同工作，构筑一个开放式的控制网络。（3）实现控制网络与信息网络的无缝集成，建立一体化的企业网。
2.分布式控制网络的结构
主从式结构控制网络的不足之处是：增加了系统的复杂性与额外的资源开销；通信控制器一般为专用控制器，不具备开放性系统的基本条件；控制网络的层次结构使网络间通信受到限制。为了克服主从式控制网络结构的不足，可采用一种分布式控制网络结构，如图1-14所示。图1-14 分布式控制网络结构
该分布式控制网络的上层为一般的WAN、LAN、Internet/Intranet，下层现场总线/以太控制网络通过IP路由器与上层网络连接。
分布式控制网络的软件分层结构如图1-15所示。图1-15 分布式控制网络的软件分层结构
分布式控制网络软件分三层。上层为全局控制服务器和控制客户机。全局控制服务器的功能包括Web服务器、数据文件管理、对局域控制器的管理等。控制客户机实现控制网络的监控、操作和维护等功能。中层IP路由器在逻辑上起网关作用。其功能是网络连接、路由选择、协议转换等。下层是现场总线/以太网络控制节点，其功能是实现现场设备的控制功能和过程I/O、控制节点接入网络的通信协议。
分布式控制网络上层全局控制网络与中层IP路由器的连接遵循TCP/IP协议，下层现场总线/以太网络控制节点的接入遵循现场总线/以太网络通信协议。1.4.3 分布式控制网络平台
分布式网络计算平台是一种全新的分布式计算概念，便可在任何时间任何地点将任何计算设施加入网络，并且能和网络中已有的各种软硬件一起协调工作，完成分布式网络系统的功能，包括网络访问、网络管理与网络资源共享等。同样，分布式控制网络平台对一体化的企业网实现其通信功能、控制功能及控制网络与信息网络的集成功能。分布式控制网络平台有以下两种方式。
1.增强型Jini分布式控制网络平台
Jini分布式网络计算系统具有强大的功能和良好的应用前景，已广泛应用于分布式控制网络。Jini体系结构最重要的概念是服务。一个服务是一个实体，它可能是一次计算、存储过程，或一个用户交流的通道、软件过滤器、硬件设备的一次运作等。
Jini系统提供一种机制，在分布式系统中实现对服务的构造、查找、通信与使用。服务间的通信通过使用Java远程方法调用RMI完成。
Jini的基本构件分为三类：基础设施、编程模式和服务。基础设施指构建Jini的构件集，该设施实现分布式系统中服务的联合，包括发现／加入服务、查找服务以及将Java平台的安全模式扩展到分布式系统等。编程模式指构造出可靠服务的接口集，包括租用接口、事件和通知接口、事务两个阶段的提交接口。服务指Jini结构中的实体。一般来说，Jini基础设施和编程模式为分布式计算提供可靠基础，使在基础设施中的服务使用编程模式较好地完成分布式服务。服务以Java语言编写的对象形式体现，定义操作的接口，这些操作能被其他服务访问。服务的类型决定组成该服务的接口，并定义能够访问该服务的方法。
Jini系统在分布式网络环境中的基本功能包括：允许用户或设备在网络上共享服务和资源；当用户或设备在网络中的位置变化时，该用户或设备仍能容易地访问网络中任何地方的资源；为编程者提供一个编程模式和工具，以便开发健壮的、安全的分布式控制网络应用系统；简化分布式控制网络的建造与维护。当设备、控制或网络规模改变时，仍能方便地组建分布式网络。
2.增强型公用对象请求代理体系结构CORBA（Common Object Request Broker Architecture）分布式控制网络平台
CORBA是一个工业标准，它为可重用和可移植的应用对象间通信与互操作提供公共基础性框架结构和应用开发框架。该标准实现软件总体结构，建立动态的客户程序和服务器程序之间的调用关系。任何系统作为一个对象，只要遵守一定的规则，对主接口参数进行定义和说明，就可接到对象请求代理上，提供服务和请求，达到即插即用的效果。
CORBA的对象管理结构（Object Management Architecture，OMA）如图1-16所示。图1-16 CORBA的对象管理结构
对象请求代理（Object Request Broker，ORB）是 OMA的基础，负责部件间的通信，使不同对象在分布环境中实现平台之间的交互。对象服务（Object Services，OS）可以不考虑具体应用领域的对象服务程序。对象服务面向服务构件，如方法调用处理过程、对象的永久性存储、安全机制、名字服务等。应用对象通过应用接口与对象请求代理连接。公共设施（Common Facilities）为应用提供共享服务的集合。
CORBA的实时应用系统建立在实时网络协议和实时操作系统之上。实时网络协议支持满足服务质量QoS要求的通信，要求有足够的网络带宽。实时操作系统提供多线程的同步机制。CORBA应用程序实现分布对象中远程方法的实时激活，将上层定义的QoS映射到对象请求代理ORB层。高性能和实时的ORB包括CORBA中介、网络适配器、I/O子系统、通信协议、公共对象服务等。1.5 企业网的应用
当工业企业网平台建成以后，就可以进行企业网的相关应用建设，企业网的应用很多，包括管理信息系统（MIS）、办公自动化系统（OA）、电子商务、计算机集成制造系统（CIMS）、制造资源计划与企业资源计划、决策支持系统（DSS）、客户关系管理（CRM）、供应链管理（SCM）等。限于篇幅，这里以计算机集成制造系统（CIMS）为例进行简略介绍。1.5.1 CIMS的产生与发展
计算机集成制造系统的产生与当代科技的发展和市场的需求是分不开的。第三次科技革命出现的机器，不仅是人类手臂的科学延长，而且是人类智慧的科学延伸。（1）当代高新技术的特点
从技术方面看有以下三个突出的特点。
① 人类的活动领域大大扩展。
② 工业产品日益趋向复杂、精密、高可靠性、高安全性和高度自动控制。
③ 工业生产日益向高速、高精度、高质量加工方向发展，生产条件也越来越严格和严峻。（2）当代市场的特点
① 产品的生命周期越来越短、更新换代越来越快。
② 加剧了缩短从科学发展到技术应用的周期竞争。
③ 产品的型号和规格日益增多，即使汽车，也成了一种多品种、小批量生产的行业。
④ 市场五要素——品种、质量、价格、交货、售后服务的竞争激烈。（3）问题的提出
整个工业特别是离散型制造工业（约占全部工业的50%），必须寻求一种技术与管理高度结合，又能快速反应的新的生产方式，才能实现可持续性发展。（4）计算机集成制造思想的提出
1974年美国约瑟夫·哈林顿博士根据计算机技术在工业生产中的应用及其发展趋势，首先提出了计算机集成制造即CIM的概念。其基本观点有以下两个。
① 企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部活动是一个不可分割的整体。需紧密连接、统一考虑。
② 整个制造生产过程，实际上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品，可以看做是数据的物质表现。1.5.2 CIMS的概念
根据美国约瑟夫·哈林顿博士提出的一种组织企业生产的新思想：一是制造业中的各个部分，即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务的各个生产环节互相之间是紧密联系的、是不可分割的；二是整个制造过程本质上可抽象成一个数据的采集、传递、加工和利用的过程。这两个紧密联系的基本观点构成了CIM的概念。
综合诸种定义，可以把CIM定义归结为：利用计算机通过信息集成，把企业的生产经营活动管理起来，以提高企业对激烈多变的竞争环境的适应能力，求得企业的总体效益，使企业能够持续稳定地发展。
CIM是一种组织现代化生产的哲理，863／CIMS主题专家组通过近十年来对这种哲理的具体实践，根据中国国情，把CIM及CIMS定义为：CIM是一种组织、管理与运行企业生产的哲理，它借助计算机硬件及软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程（市场分析、经营管理、工程设计、加工制造、装配、物料管理、售前售后服务、产品报废处理）中有关的人/组织、技术、经营管理三要素与其信息流、物流有机地集成并优化运行，实现企业整体优化，以达到产品高质、低耗、上市快、服务好，从而使企业赢得市场。CIMS是基于CIM哲理构成的系统。
在这里，CIMS主题专家组强调了以改善产品的T（Time，指产品上市时间）、Q（Quality，产品的质量）、C（Cost，产品的价格）、S（Service，服务）赢得竞争为目标。在系统全过程中，人是三要素和两种流集成优化、多种技术综合运用的核心。对于CIMS中的M，不仅仅是针对制造业，还应扩展到管理等领域。
CIMS的提出，引起了各国的重视，许多国家纷纷列入国家重点计划，并取得显著成效。目前，世界上的CIM产业已达数十亿美元／年，与CIM有关的系统集成、企业管理、工程设计及制造等相关技术都取得长足的进展。
20世纪80年代至90年代，CIM进入了一个迅速发展的阶段，在其内涵与概念上都有了许多新的内容，并与许多新概念相结合，形成互补。例如，人工智能（IA）、准时制造（JIT）。精良生产（Lean Production）、敏捷制造（Agile Manufacturing）、并行工程（Concurrent Engineering）等，研究这些方法及技术对应用CIM技术求得企业经营活动的总体优化有着不可低估的意义。1.5.3 CIMS的构成
CIMS通常由管理信息子系统、工程设计自动化子系统、制造自动化子系统、质量保证子系统、计算机网络子系统和数据库子系统，共六个部分组成，即CIMS由四个功能子系统和两个支撑子系统组成。系统的组成框图如图1-17所示。图1-17 CIMS构成框图（1）管理信息子系统的功能包括预测、经营决策、生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具和人力资源等管理信息功能，通过信息集成，达到缩短产品生产周期、降低流动资金占用、提高企业应变能力的目的。（2）工程设计自动化子系统用计算机辅助产品设计、工艺设计、制造准备及产品性能测试等工作，即CAD／CAPP／CAM系统，目的是使产品开发活动更高效、更优质地进行。（3）制造自动化子系统是CIMS中信息流和物流的结合点。对于离散型制造业，可以由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制（管理）计算机等设备及相应的支持软件组成。对于连续型生产过程，可以由DCS控制下的制造装备组成，通过管理与控制，达到提高生产率、优化生产过程、降低成本和能耗的目的。（4）质量保证子系统的功能包括质量决策、质量检测与数据采集、质量评价、控制与跟踪等功能。该子系统保证从产品设计、制造、检测到后勤服务的整个过程的质量，以实现产品高质量、低成本，以及提高企业竞争力的目的。（5）计算机网络子系统采用国际标准和工业规定的网络协议，实现异种机互联、异构局域网络及多种网络互联。它以分布为手段，满足各应用分系统对网络支持的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库、分层递阶和实时控制。（6）数据库子系统是逻辑上统一、物理上分布的全局数据管理系统，通过该系统可以实现企业数据共享和信息集成。
需要指出，上述CIMS构成是最一般的最基本的构成。（1）对于不同的行业，由于其产品、工艺过程、生产方式、管理模式的不同，其各个子系统的作用、具体内容也是各不相同，所用的软件也有一定的区别。（2）由于企业规模不同，分散程度不同，也会影响CIMS的构成结构和内容。（3）对于每个具体的企业，CIMS的组成不必求全。应该按照企业的经营、发展目标及企业在经营、生产中的瓶颈选择相应的功能子系统。对多数企业而言，CIMS应用是一个逐步实施的过程。（4）随着市场竞争的加剧和信息技术的飞速发展，企业的CIMS已经从内部的CIMS发展到更开放、范围更大的企业间的集成。例如，设计自动化子系统，可以在因特网或其他广域网上的异地联合设计；企业的经营、销售及服务也可以是基于Internet的电子商务、供需链管理（Supply Chain Management）；产品的加工、制造也可实现基于因特网的异地制造。这样，企业内、外部资源得到更充分的利用，有利于以更大的竞争优势响应市场。1.5.4 CIMS中的数据集成技术
CIMS是一个十分复杂的集成系统，它包括经营决策、生产计划、制造和控制等功能子系统。CIMS技术的核心在于集成，当前，各种功能子系统在局部都有相应的计算机系统支持，但都是在独立环境下开发出来的“自动化孤岛”，必须通过信息共享，使它们协调工作，它把各种功能有机地集成起来，实现企业的整体优化。
作为CIMS核心技术的数据库技术就是实现信息共享的重要途径。
1.数据集成的要求
CIMS一般包含管理信息、工程设计、制造自动化和质量保证子系统，如图1-18所示。各个子系统间存在大量的信息交换，要及时地传递到相应部门。数据内容多样，涉及有关产品设计、工艺生产、计划、资源、组织和管理等各方面，数据结构和数据载体复杂，数据间的语义联系复杂，对数据的操作要求特殊，并且数据载体为多种媒体。把这样复杂的数据集成起来是相当困难的。图1-18 各子系统之间的关系
2.数据集成的目标
数据集成的理想目标是要给最终用户提供一个单一系统映像，使各个子系统之间的相互作用以透明的方式进行，包括位置透明和存取透明。实现数据集成的主要技术包括数据共享的存储机制、数据分布技术、分布环境下的多库集成技术和工程数据的管理技术。
3.共享数据的存储机制
随着计算机技术和网络技术的发展，计算机系统结构和共享机制也迅速发展。计算机的系统结构从早期的主机/多终端模式，发展为计算机网络、客户/服务器模式。分布式数据系统使得数据库系统的扩充性、可用性和自治性都有了很大改善。当前各种计算机系统配置了许多软件，构成了适合需要的各种平台，在CIMS环境下可利用下列存储机制支持数据共享。（1）文件。由操作系统直接管理并对其进行存取。（2）数据库。在CIMS环境下用数据库的方法实现对管理信息系统（MIS）的处理。（3）工程数据库。工程数据库针对CAD/CAPP/CAM中的工程数据的管理。（4）实时数据库。实时数据库管理系统支持制造自动化所需的数据及时采集和处理。
4.分布式数据库的数据分布技术
分布式数据库有以下6种不同的基本形式。（1）复制的数据。相同的数据在不同的地方存储几个相同的副本。（2）子集数据。存储在外围计算机中的数据是某大型计算机中数据的子集。（3）重新组织的数据。把数据采用倒排表、辅助索引等多种结构形式组织起来，使信息检索更容易实现。（4）分区数据。指同一模式在两个或更多的机器中使用。尽管每台机器存取不同的数据，保存不同的记录，但它们的构造形式完全不同。（5）独立模式数据。适用于独立模式数据。不同的计算机的数据和程序的模式不同，但这些独立数据系统是公共的自顶向下规划的一部分。（6）不相容数据。指由不同的机构建立的独立数据系统。
对于这些不同类型的数据，采取人工抽取、自动快照。复制、分割和数据分布分析来进行数据分布。这些技术适用于各种不同的环境和要求，其中自动快照限于只读访问，复制可在处理整个表的部分数据时对数据进行的多点更新的情况，分割可处理整个表。
5.分布环境下的多库集成
在CIMS环境下，要对多数据源进行集成，要求系统对数据载体、数据持续性用户接口、结构、分布环境和功能具有开放性。
在异构数据源的集成技术中，开放性和结构的数据集成技术较适合于从应用的角度来解决当前的包括CIMS在内的大量的数据集成问题，从当前的技术发展趋势来看，客户/服务器结构是一种典型的开放结构，这种结构中采用的一些技术（如中间件、开放式的分布式事务管理等）非常有利于异构数据源透明地集成。（1）支持数据集成的Client／Server的分布式计算
在一个分布的、复杂的、多层次的、多供销商、多操作系统、多数据库的异构环境中，要实现所有应用成分的协作，做到异种数据数据源互相透明地访问，必须采用一些通信技术，包括管道（Pipe）、远程过程调用（RPC）和Client/Server SQL中间件，其中Client/Server SQL中间件是把SQL（请求）语句及数据从一个进程（Client）传送到另一个进程（Server）的一种机制。Client/Server SQL是一种特殊的Client/Server接口，是实现异构数据源透明性的重要手段。（2）支持数据集成的接口技术
中间件（Middle Ware）是把全部Client和全部Server“无缝”地集成在一起并实现“单一系统映像SSI”的重要手段。在这里，中间件是指从Client部分的API开始，调用服务并通过网络传输请求及随后的响应过程中的所有软件部分。中间件是大多数交互作用的基础，主要由两部分组成，即网络操作系统（NOS）和网络传输协议中间件。
网络操作系统（NOS）可扩展本地操作系统的势力范围，可提供分布计算基础，帮助分布在网络上的各种资源建立一个“单一系统映像”；支持跨Client/Server应用的协调。网络传输协议中间件是由一系列协议组成的，包括TCP/IP、NETBIOS、IPX/SPX、DECNET。OSI和SNA提供LAN/WAN上可靠的点到点通信，这些协议使用LAN/WAN互联技术，如路由器（Router）、网桥（Bridge）和网关（Gateway），可采用集成分布，在校园网或广域网上传输多种协议，由主干网收集这些协议并通过网络发送。
另外，还有一些专有中间件，如数据库中间件，允许客户在异构数据库上提供调用基于SQL的服务；事务处理中间件，允许客户在多个事务服务器上调用服务；对象中间件，允许客户调用驻留在远程服务器上的方法；分布式系统管理中间件，允许执行管理的工作站和被管理和服务进行对话。使用中间件，几乎可以把数据置于任何地方而不需要考虑应用平台。（3）Windows环境下的DDE-OLE技术
OLE（Object Linked＆Embedded，对象链接和嵌入）是一种用于不同应用程序之间数据共享的技术，在其后又提出的复合文本是这样一种数据载体，能包括来自不同数据源的数据元素，并调用这些元素相应的处理程序对其进行处理。它不仅包括文字信息，还有条形图、表格和插图，甚至还有声音和动画。
DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）是一种进程之间的通信形式，它用共享内存在应用程序之间交换数据，应用程序可以用DDE进行一次性的数据传输，也可以进行现场的数据交换，DDE采用Client/Server模型，提供数据的是Server，接收数据的是Client。
6.工程数据管理
工程数据通常是指产品的设计和加工过程中产生的大量数据，工程数据的管理包括两个方面：一个是用于CAD/CAPP／CAM系统内部的工程数据管理，另一个是用于CAD/CAPP/CAM系统和MRP Ⅱ系统集成的工程数据管理。（1）CAD／CAPP/CAM系统集成的工程数据管理
在产品设计、制造、使用、维护和报废的整个生命周期中，产品信息往往由不同的软件供应商提供的多种软件系统生产和利用，为了使产品信息保持完整性和一致性，ISO开发了国际标准STEP。
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