工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展及現(xiàn)狀研究

　　0引言

　　隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計算機集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）[1]。對諸如圖像、語音信號等大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸?shù)囊螅执呱水?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間，帶來新的發(fā)展機遇。

　　1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展

　　計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。最早在50年代中后期，計算機就已經(jīng)被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。60年代初，出現(xiàn)了由計算機完全替代模擬控制的控制系統(tǒng)，被稱為直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl,DDC）。70年代中期，隨著微處理器的出現(xiàn)，計算機控制系統(tǒng)進(jìn)入一個新的快速發(fā)展的時期，1975年世界上第一套以微處理為基礎(chǔ)的分散式計算機控制系統(tǒng)問世，它以多臺微處理器共同分散控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集中管理，被稱為集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）。

　　進(jìn)入80年代以后，人們利用微處理器和一些外圍電路構(gòu)成了數(shù)字式儀表以取代模擬儀表，這種DDC的控制方式提高了系統(tǒng)的控制精度和控制的靈活性，而且在多回路的巡回采樣及控制中具有傳統(tǒng)模擬儀表無法比擬的性能價格比。

　　80年代中后期，隨著工業(yè)系統(tǒng)的日益復(fù)雜，控制回路的進(jìn)一步增多，單一的DDC控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)控制要求和生產(chǎn)工作的管理要求，同時中小型計算機和微機的性能價格比有了很大提高。于是，由中小型計算機和微機共同作用的分層控制系統(tǒng)得到大量應(yīng)用。

　　進(jìn)入90年代以后，由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得DCS系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，在今天的工業(yè)控制領(lǐng)域DCS仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，但是DCS不具備開放性，布線復(fù)雜，費用較高，不同廠家產(chǎn)品的集成存在很大困難。

　　從八十年代后期開始，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(shè)備智能化，人們便開始尋求用一根通信電纜將具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接起來，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信號，而是數(shù)字信號，這就是現(xiàn)場總線。由于它解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性和開放性問題，現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸成為了計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。從那時起，一些發(fā)達(dá)的工業(yè)國家和跨國工業(yè)公司都紛紛推出自己的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品，形成了群雄逐鹿之勢。

　　2信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的關(guān)系

　　從發(fā)展歷程看，信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展有相似之處。企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展大體經(jīng)歷了如下幾個發(fā)展階段：

　　①基于主機的集中模式

　　由功能強大的主機完成幾乎所有的計算和處理任務(wù)，用戶和主機的交互很少。

　　②基于工作組的分層結(jié)構(gòu)

　　微機和局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使工作性質(zhì)相近的人員組成群體，共享某些公共資源，用戶之間的交流和協(xié)作得到了加強。

　　③基于Internet/Intranet/Extranet的網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)組織

　　計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使它成為現(xiàn)代信息技術(shù)的主流，特別是Internet的發(fā)展和普及應(yīng)用使它成為公認(rèn)的未來全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的雛形。采用Internet成熟的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和企業(yè)外聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)，于是便形成了以Intranet為中心，以Extranet為補充，依托于Internet的新一代企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施（企業(yè)網(wǎng)）。

　　計算機控制系統(tǒng)也是經(jīng)歷了集中控制、分層控制、基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制等幾個發(fā)展階段，它們的發(fā)展過程是非常相似的。

　　隨著企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的深入應(yīng)用與日臻完善，現(xiàn)場控制信息進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時監(jiān)控是必然的趨勢。為提高企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，許多企業(yè)都在盡力建立全方位的管理信息系統(tǒng)，它必須包括生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)信息，以確保實時掌握生產(chǎn)過程的運行狀態(tài)，使企業(yè)管理決策科學(xué)化，達(dá)到生產(chǎn)、經(jīng)營、管理的最優(yōu)化狀態(tài)。信息一控制一體化將為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化CIPA（computerintegratedplantautomation）和企業(yè)信息化創(chuàng)造有利條件。

　　企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)發(fā)展過程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)總是滯后于相應(yīng)計算機技術(shù)的發(fā)展。實際上，大多數(shù)情況下，正是在計算機領(lǐng)域一種新技術(shù)出現(xiàn)以后，人們才開始研究如何將這種新技術(shù)應(yīng)用于控制領(lǐng)域。鑒于兩種應(yīng)用環(huán)境的差異，其中的技術(shù)細(xì)節(jié)作了適當(dāng)修改和補充，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實現(xiàn)上，它們有許多共同的地方。正是由于二者在發(fā)展過程中的這種關(guān)系，使得實現(xiàn)信息一控制一體化成為可能。

　　3現(xiàn)場總線技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　在40年代，過程控制是基于3～15PSI的氣動標(biāo)準(zhǔn)信號。其后，由于4～20mA模擬信號的使用，使得模擬控制器得到了廣泛應(yīng)用，但是并不是所有的傳感儀表和驅(qū)動裝置都使用統(tǒng)一的4～20mA信號。70年代，由于在檢測、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計算機，從而產(chǎn)生了集中控制。進(jìn)入80年代，由于微處理器的出現(xiàn)，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數(shù)字化和智能化的時代，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數(shù)字化通信代替，加之分布式控制以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了控制、調(diào)度、優(yōu)化、決策等功能一體化的發(fā)展。然而由于檢測、變送、執(zhí)行等機構(gòu)大都采用模擬信號連接，其傳送方式是一對一結(jié)構(gòu)，這使得接線復(fù)雜，工程費用高，維護(hù)困難，而信號傳輸精度底，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統(tǒng)的功能發(fā)揮。另一方面，由于智能儀表的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)場模擬儀表，如對量程和零點進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)定，儀表工作狀態(tài)實現(xiàn)自診斷，能進(jìn)行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的補償?shù)?。由此可見，智能儀表和控制系統(tǒng)的發(fā)展，都要求上層系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表實現(xiàn)數(shù)字通信。

　　為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿足現(xiàn)場的需要,現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運而生,它實際上是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò),也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。和Internet、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)不同,控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過程,因此要求很高的實時性、可靠性、資料完整性和可用性。為滿足這些特性,現(xiàn)場總線對標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡化,省略了一些中間層,只包括ISO/OSI7層模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

　　現(xiàn)場總線在發(fā)展的最初,各個公司都提出自己的現(xiàn)場總線協(xié)議。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線作為國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基礎(chǔ)上形成了新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystemFCS）。它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段,從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字———模擬信號控制的局限性,構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為3層：設(shè)備層、控制層和信息層。

　　雖然現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展非常迅速,但也存在許多問題,制約其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

　?。?）首先是現(xiàn)場總線的選擇。雖然目前IEC組織已達(dá)成了國際總線標(biāo)準(zhǔn),但總線種類仍然過多,而每種現(xiàn)場總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域,如何在實際中根據(jù)應(yīng)用對象,將不同層次的現(xiàn)場總線組合使用,使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場總線,對用戶來說,仍然是比較棘手的問題。

　?。?）系統(tǒng)的集成問題。由于實際應(yīng)用中一個系統(tǒng)很可能采用多種形式的現(xiàn)場總線,因此如何把工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫的集成,從而使整個系統(tǒng)實現(xiàn)管控一體化,是關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)布局時,不僅要考慮各現(xiàn)場節(jié)點的距離,還要考慮現(xiàn)場節(jié)點之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動情況等。由于智能化現(xiàn)場儀表的功能很強,因此許多儀表會有同樣的功能塊,組態(tài)時選哪個功能塊是要仔細(xì)考慮的;要使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動最小化。同時通信參數(shù)的組態(tài)也很重要,要在系統(tǒng)的實時性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡。

　?。?）存在技術(shù)瓶頸問題[2]。主要表現(xiàn)在：

　　a.當(dāng)總線電纜截斷時,整個系統(tǒng)有可能癱瘓。

　　用戶希望這時系統(tǒng)的效能可以降低,但不能崩潰,這一點目前許多現(xiàn)場總線不能保證。

　　b.本安防爆理論的制約。現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量。這就是限制了現(xiàn)場總線節(jié)省線纜優(yōu)點的發(fā)揮。目前各國都在對現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（FISCO）理論加強研究,爭取有所突破。

　　C.系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過分復(fù)雜?，F(xiàn)場總線的組態(tài)

　　參數(shù)很多,不容易掌握,但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞,對系統(tǒng)性能影響很大。

　　4以太控制網(wǎng)絡(luò)

　　控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,其基本趨勢是逐漸趨向于開放性、透明的通訊協(xié)議。上述出現(xiàn)的問題,根本原因在于現(xiàn)場總線的開放性是有條件的、不徹底的。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢,由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。目前的現(xiàn)場總線由于種類繁多,互不兼容,尚不能滿足這一要求。而以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的開放性使得在工控領(lǐng)域通訊這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有無可比擬的優(yōu)勢。

　　5目前存在的問題

　　通常我們考慮將控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，主要將網(wǎng)絡(luò)化與現(xiàn)場總線聯(lián)系在一起。目前在控制領(lǐng)域較有影響的現(xiàn)場總線系統(tǒng)有：FF、LonWorks、Profibus、CAN、HART，以及RS485的總線網(wǎng)絡(luò)等?，F(xiàn)場總線基金會己經(jīng)制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（（FF），其慢速總線標(biāo)準(zhǔn)Hl已得到通過成為國際標(biāo)準(zhǔn)，其高速總線標(biāo)準(zhǔn)H2還在制訂中。但是由于商業(yè)利潤、技術(shù)壟斷等原因，目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品仍然是百花齊放的局面，這對降低系統(tǒng)成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍產(chǎn)生不利影響。

　　以太網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，目前主流產(chǎn)品的速度己經(jīng)達(dá)到100Mbps，千兆以太網(wǎng)也己經(jīng)投入使用，其網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和軟件發(fā)展速度很快。以太網(wǎng)以成本低、組網(wǎng)方便、軟硬件豐富、可靠性高等特點得到了廣泛的認(rèn)可。

　　Internet飛速發(fā)展的主要原因在于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，TCP/IP協(xié)議是極其靈活的，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)底層技術(shù)都可用于傳輸TCP/IP的通信。應(yīng)用TCP/IP的以太網(wǎng)已經(jīng)成為最流行的分組交換局域網(wǎng)技術(shù)，同時也是最具開放性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　由此，我們考慮將Internet及其相關(guān)技術(shù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，利用Internet上開放的、并且己經(jīng)成熟的技術(shù)對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，加快工業(yè)企業(yè)的信息一控制一體化進(jìn)程，不失為一種較為可行的問題解決方案。

　　6總結(jié)

　　從目前趨勢來看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場控制級毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來,它還難以完全取代現(xiàn)場總線,作為實時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)。