摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)正在向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本文簡(jiǎn)要回顧了控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 闡述了它與信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過(guò)程的相似性，分析了目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的組成及其存在的問(wèn)題。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)做了簡(jiǎn)單介紹，提出了控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化 信息網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)
The State of Arts and Networking Development of the Control System
Summary: With the development of computer technology and network technology, control systems are developing in the direction of integration, networking and intelligence. This paper reviews the development of control systems and expounds the similarity of the development between the control system and the information network. The existing problems and structure of FCS are analyzed. This paper also introduces the Ethernet and advances the develop trend of control network structure.
Keywords: Control system networking information network Fieldbus
0 引言
隨著計(jì)算機(jī)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(chǎng)前所未有的變革，開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)）[1]。對(duì)諸如圖像、語(yǔ)音信號(hào)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(wú)線(xiàn)技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來(lái)，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間，帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。
1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展
計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)完全替代模擬控制的控制系統(tǒng)，被稱(chēng)為直接數(shù)字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，隨著微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的快速發(fā)展的時(shí)期，1975年世界上第一套以微處理為基礎(chǔ)的分散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)問(wèn)世，它以多臺(tái)微處理器共同分散控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中管理，被稱(chēng)為集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System, 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(wú)法比擬的性能價(jià)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(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)控制要求和生產(chǎn)工作的管理要求，同時(shí)中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)的性能價(jià)格比有了很大提高。于是，由中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)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(jì)算機(jī)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(kāi)放性，布線(xiàn)復(fù)雜，費(fèi)用較高，不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的集成存在很大困難。
從八十年代后期開(kāi)始，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化，人們便開(kāi)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(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)，在設(shè)備層傳遞的不再是I/ O（4～2 0 m A/ 2 4VDC）信號(hào)，而是數(shù)字信號(hào)，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。由于它解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性和開(kāi)放性問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)逐漸成為了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。從那時(shí)起，一些發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家和跨國(guó)工業(yè)公司都紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品，形成了群雄逐鹿之勢(shì)。
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(gè)發(fā)展階段：
?、倩谥鳈C(jī)的集中模式
由功能強(qiáng)大的主機(jī)完成幾乎所有的計(jì)算和處理任務(wù)，用戶(hù)和主機(jī)的交互很少。
?、诨诠ぷ鹘M的分層結(jié)構(gòu)
微機(jī)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(hù)之間的交流和協(xié)作得到了加強(qiáng)。
③基于Internet/Intranet/Extranet的網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)組織
計(jì)算機(jī)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(lái)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(shí)現(xiàn)，于是便形成了以 Intranet為中心，以Extranet為補(bǔ)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也是經(jīng)歷了集中控制、分層控制、基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制等幾個(gè)發(fā)展階段，它們的發(fā)展過(guò)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(chǎng)控制信息進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控是必然的趨勢(shì)。為提高企業(yè)的社會(huì)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(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，以確保實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)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(yíng)、管理的最優(yōu)化狀態(tài)。信息一控制一體化將為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動(dòng)化CIPA （ computer integrated plant automation）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(guò)程上的相似性不是偶然的。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。實(shí)際上，大多數(shù)情況下，正是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一種新技術(shù)出現(xiàn)以后，人們才開(kāi)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(bǔ)充，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)上，它們有許多共同的地方。正是由于二者在發(fā)展過(guò)程中的這種關(guān)系，使得實(shí)現(xiàn)信息一控制一體化成為可能。
3 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀
在40年代，過(guò)程控制是基于3～15PSI的氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。其后，由于4～20mA模擬信號(hào)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(dòng)裝置都使用統(tǒng)一的4～20mA信號(hào)。70年代，由于在檢測(cè)、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計(jì)算機(jī)，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(shí)代，4～20mA模擬信號(hào)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(cè)、變送、執(zhí)行等機(jī)構(gòu)大都采用模擬信號(hào)連接，其傳送方式是一對(duì)一結(jié)構(gòu)，這使得接線(xiàn)復(fù)雜，工程費(fèi)用高，維護(hù)困難，而信號(hào)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(guò)了現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表，如對(duì)量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)定，儀表工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自診斷，能進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量和對(duì)環(huán)境影響的補(bǔ)償?shù)?。由此可?jiàn)，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(chǎng)儀表實(shí)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(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的需要,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它實(shí)際上是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò),也被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。和Internet、Intranet等類(lèi)型的信息網(wǎng)絡(luò)不同,控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過(guò)程,因此要求很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、資料完整性和可用性。為滿(mǎn)足這些特性,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡(jiǎn)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(chǎng)總線(xiàn)在發(fā)展的最初,各個(gè)公司都提出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線(xiàn)作為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),其中包括 CAN Bus、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基礎(chǔ)上形成了新的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System FCS）。它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字———模擬信號(hào)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(diǎn)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展非常迅速,但也存在許多問(wèn)題,制約其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。
?。?）首先是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的選擇。雖然目前IEC組織已達(dá)成了國(guó)際總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),但總線(xiàn)種類(lèi)仍然過(guò)多,而每種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域,如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對(duì)象,將不同層次的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)組合使用,使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō),仍然是比較棘手的問(wèn)題。
?。?）系統(tǒng)的集成問(wèn)題。由于實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)系統(tǒng)很可能采用多種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),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(wú)縫的集成,從而使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管控一體化,是關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時(shí),不僅要考慮各現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的距離,還要考慮現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)情況等。由于智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能很
強(qiáng),因此許多儀表會(huì)有同樣的功能塊,組態(tài)時(shí)選哪個(gè)功能塊是要仔細(xì)考慮的;要使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)最小化。同時(shí)通信參數(shù)的組態(tài)也很重要,要在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡。
?。?）存在技術(shù)瓶頸問(wèn)題[2]。主要表現(xiàn)在：
a.當(dāng)總線(xiàn)電纜截?cái)鄷r(shí),整個(gè)系統(tǒng)有可能癱瘓。
用戶(hù)希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低,但不能崩潰,這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)不能保證。
b.本安防爆理論的制約?，F(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線(xiàn)的長(zhǎng)度和總線(xiàn)上負(fù)載的數(shù)量。這就是限制了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)節(jié)省線(xiàn)纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。目前各國(guó)都在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)安全概念（FISCO）理論加強(qiáng)研究,爭(zhēng)取有所突破。
C.系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過(guò)分復(fù)雜。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(duì)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(shì)是逐漸趨向于開(kāi)放性、透明的通訊協(xié)議。上述出現(xiàn)的問(wèn)題,根本原因在于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的開(kāi)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(shì),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(lái),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(dòng)化系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展,開(kāi)放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。目前的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)由于種類(lèi)繁多,互不兼容,尚不能滿(mǎn)足這一要求。而以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的開(kāi)放性使得在工控領(lǐng)域通訊這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
5 目前存在的問(wèn)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(chǎng)總線(xiàn)聯(lián)系在一起。目前在控制領(lǐng)域較有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)有：FF、 LonWorks、 Profibus、 CAN 、 HART，以及RS485的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)己經(jīng)制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（（FF），其慢速總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)Hl已得到通過(guò)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其高速總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)H2還在制訂中。但是由于商業(yè)利潤(rùn)、技術(shù)壟斷等原因，目前現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品仍然是百花齊放的局面，這對(duì)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(diǎn)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(shí)也是最具開(kāi)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(kāi)放的、并且己經(jīng)成熟的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)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(wèn)題解決方案。
6 總結(jié)
從目前趨勢(shì)來(lái)看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來(lái),它還難以完全取代現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。已有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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)[6]。
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