1.3 企业网络信息集成系统
1.3.1 企业网络信息集成系统的层次结构
现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。现场总线网络和Internet、Intranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议做了简化，一般只包括ISO/OSI 7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。此外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网架构中，企业网络信息集成系统应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。
基于上述考虑，统一的企业网络信息集成系统应具有3层结构，企业网络信息集成系统的层次结构如图1-5所示，从底向上依次为：过程控制层（Process Control System，PCS）、制造执行层（Manufacture Execute System，MES）、企业资源规划层（Enterprise Resource Planning，ERP）。
图1-5 企业网络信息集成系统的层次结构
1.过程控制层
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议。现场总线控制系统则是用开放的现场总线控制通信网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。
依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能。智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。此外，总线上应有PLC接口，便于连接原有的系统。
现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。常见的现场总线网络拓扑结构有以下几种。
（1）环形网
其特点是时延确定性好、重载时网络效率高，但轻载时等待令牌产生不必要的时延，传输效率下降。
（2）总线网
其特点是节点接入方便、成本低。轻载时时延小，但网络通信负荷较重时时延加大，网络效率下降。此外传输时延不确定。
（3）树形网
其特点是可扩展性好、频带较宽，但节点间通信不便。
（4）令牌总线网
其特点是结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。这样，网络传输时延确定无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。
过程控制层通信介质不受限制，可用双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线、红外线等各种形式。
2.制造执行层
这一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。制造执行层的功能一般由上位计算机完成，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信，或者通过专门的现场总线接口（转换器）实现现场总线网段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。制造执行层除上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境，如实时数据库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等。
3.企业资源规划层
其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递。这样，企业各个实体将能够不受地域的限制监视与控制工厂局域网里的各种数据，并对这些数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。目前，远程监控实现的途径就是通过Internet，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。
在整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网络模型的核心，只有确保总线设备之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以及实现监控功能。当前对现场总线的讨论大多停留在底层的现场智能设备网段，但从完整的现场总线控制网络模型出发，应更多地考虑现场设备层与中间监控层、Internet应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集成。
4.现场总线与局域网的区别
现场总线与数据网络相比，主要有以下特点。
1）现场总线主要用于对生产、生活设备的控制，对生产过程的状态检测、监视与控制，或实现“家庭自动化”等；数据网络则主要用于通信、办公，提供如文字、声音和图像等数据信息。
2）现场总线和数据网络具有各自的技术特点：控制网络信息/控制网络最底层，要求具备高度的实时性、安全性和可靠性，网络接口尽可能简单，成本尽量降低，数据传输量一般较小；数据网络则需要适应大批量数据的传输与处理。
3）现场总线采用全数字式通信，具有开放式、全分布、互操作性（Interoperability）等特点。
4）在现代生产和社会生活中，这两种网络将具有越来越紧密的联系。两者的不同特点决定了它们的需求互补以及它们之间需要信息交换。控制网络信息与数据网络信息的结合，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，可以更好地调度和优化生产过程，提高产品的产量和质量，为实现控制、管理、经营一体化创造了条件。现场总线与管理信息网络特性比较如表1-8所示。
表1-8 现场总线与管理信息网络特性比较
国际标准化组织（ISO）提出的OSI参考模型是一种7层通信协议，该协议每层采用国际标准，其中，第1层是物理介质层，第2层是数据链路层，第3层是网络层，第4层是数据传输层，第5层是会话层，第6层是表示层，第7层是应用层。现场总线体系结构是一种实时开放系统，从通信角度看，一般是由OSI参考模型的物理介质层、数据链路层、应用层3层模式体系结构和通信媒质构成的，如Bitbus、CAN、WorldFIP和FF现场总线等。另外，也有采用在前3层基础上再加数据传输层的4层模式体系结构，如PROFIBUS等。但LonWorks现场总线却比较独特，它是采用包括全部OSI协议在内的7层模式体系结构。
现场总线作为低带宽的底层控制网络，可与Internet及Intranet相连，它作为网络系统的最显著的特征是具有开放统一的通信协议。由于现场总线的开放性，不同设备制造商提供的遵从相同通信协议的各种测量控制设备可以互连，共同组成一个控制系统，使得信息可以在更大范围内共享。