摘 要：隨著(zhù)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統正在向智能化、數字化和網(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場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的組成及其存在的問(wèn)題。對于工業(yè)以太網(wǎng)做了簡(jiǎn)單介紹，提出了控制網(wǎng)絡(luò )結構發(fā)展的趨勢。
關(guān)鍵詞：控制系統 網(wǎng)絡(luò )化 信息網(wǎng)絡(luò ) 現場(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(zhù)計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著(zhù)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的結構從最初的CCS（計算機集中控制系統），到第二代的DCS（分散控制系統），發(fā)展到現在流行的FCS（現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）[1]。對諸如圖像、語(yǔ)音信號等大數據量、高速率傳輸的要求，又催生了當前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò )的結合。這股工業(yè)控制系統網(wǎng)絡(luò )化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標準工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)等多種當今流行技術(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)展機遇。
1 計算機控制系統的發(fā)展
計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與控制系統的發(fā)展有著(zhù)緊密的聯(lián)系。最早在50年代中后期，計算機就已經(jīng)被應用到控制系統中。60年代初，出現了由計算機完全替代模擬控制的控制系統，被稱(chēng)為直接數字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，隨著(zhù)微處理器的出現，計算機控制系統進(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的分散式計算機控制系統問(wèn)世，它以多臺微處理器共同分散控制，并通過(guò)數據通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現集中管理，被稱(chēng)為集散控制系統（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成了數字式儀表以取代模擬儀表，這種DDC的控制方式提高了系統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模擬儀表無(wú)法比擬的性能價(jià)格比。
80年代中后期，隨著(zhù)工業(yè)系統的日益復雜，控制回路的進(jìn)一步增多，單一的DDC控制系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足現場(chǎng)的生產(chǎn)控制要求和生產(chǎn)工作的管理要求，同時(shí)中小型計算機和微機的性能價(jià)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得到大量應用。
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系統得到進(jìn)一步發(fā)展，提高了系統的可靠性和可維護性，在今天的工業(yè)控制領(lǐng)域DCS仍然占據著(zhù)主導地位，但是DCS不具備開(kāi)放性，布線(xiàn)復雜，費用較高，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，由于大規模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執行機構、驅動(dòng)裝置等現場(chǎng)設備智能化，人們便開(kāi)始尋求用一根通信電纜將具有統一的通信協(xié)議通信接口的現場(chǎng)設備連接起來(lái)，在設備層傳遞的不再是I/ O（4～2 0 m A/ 2 4VDC）信號，而是數字信號，這就是現場(chǎng)總線(xiàn)。由于它解決了網(wǎng)絡(luò )控制系統的自身可靠性和開(kāi)放性問(wèn)題，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)逐漸成為了計算機控制系統的發(fā)展趨勢。從那時(shí)起，一些發(fā)達的工業(yè)國家和跨國工業(yè)公司都紛紛推出自己的現場(chǎng)總線(xiàn)標準和相關(guān)產(chǎn)品，形成了群雄逐鹿之勢。
2 信息網(wǎng)絡(luò )與控制系統的關(guān)系
從發(fā)展歷程看，信息網(wǎng)絡(luò )體系結構的發(fā)展與控制系統結構的發(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(hù)和主機的交互很少。
?、诨诠ぷ鹘M的分層結構
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(hù)之間的交流和協(xié)作得到了加強。
?、刍贗nternet/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)展使它成為現代信息技術(shù)的主流，特別是Internet的發(fā)展和普及應用使它成為公認的未來(lái)全球信息基礎設施的雛形。采用 Internet成熟的技術(shù)和標準，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用于企業(yè)內部網(wǎng)和企業(yè)外聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現，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)信息基礎設施（企業(yè)網(wǎng)）。
計算機控制系統也是經(jīng)歷了集中控制、分層控制、基于現場(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(zhù)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )的深入應用與日臻完善，現場(chǎng)控制信息進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò )實(shí)現實(shí)時(shí)監控是必然的趨勢。為提高企業(yè)的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益，許多企業(yè)都在盡力建立全方位的管理信息系統，它必須包括生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據信息，以確保實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程的運行狀態(tài)，使企業(yè)管理決策科學(xué)化，達到生產(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 )與控制系統在體系結構發(fā)展過(guò)程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統的發(fā)展過(guò)程中，每一種結構的控制系統的出現總是滯后于相應計算機技術(shù)的發(fā)展。實(shí)際上，大多數情況下，正是在計算機領(lǐng)域一種新技術(shù)出現以后，人們才開(kāi)始研究如何將這種新技術(shù)應用于控制領(lǐng)域。鑒于兩種應用環(huán)境的差異，其中的技術(shù)細節作了適當修改和補充，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實(shí)現上，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)現信息一控制一體化成為可能。
3 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究現狀
在40年代，過(guò)程控制是基于3～15PSI的氣動(dòng)標準信號。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用，但是并不是所有的傳感儀表和驅動(dòng)裝置都使用統一的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，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數字化和智能化的時(shí)代，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數字化通信代替，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、執行等機構大都采用模擬信號連接，其傳送方式是一對一結構，這使得接線(xiàn)復雜，工程費用高，維護困難，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的功能發(fā)揮。另一方面，由于智能儀表的功能遠遠超過(guò)了現場(chǎng)模擬儀表，如對量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠方設定，儀表工作狀態(tài)實(shí)現自診斷，能進(jìn)行多參數測量和對環(huán)境影響的補償等。由此可見(jiàn)，智能儀表和控制系統的發(fā)展，都要求上層系統和現場(chǎng)儀表實(shí)現數字通信。
為了克服DCS系統的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿(mǎn)足現場(chǎng)的需要,現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應運而生,它實(shí)際上是連接現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)化控制設備的雙向串行、數字式、多節點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò ),也被稱(chēng)為現場(chǎng)底層設備控制網(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,現場(chǎng)總線(xiàn)對標準的網(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、數據鏈路層和應用層。
現場(chǎng)總線(xiàn)在發(fā)展的最初,各個(gè)公司都提出自己的現場(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)作為國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準,其中包括 CAN Bus、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基礎上形成了新的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（Fieldbus Control System FCS）。它綜合了數字通信技術(shù)、計算機技術(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的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數字———模擬信號控制的局限性,構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統。相應的控制網(wǎng)絡(luò )結構也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結構分為3層：設備層、控制層和信息層。
雖然現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展非常迅速,但也存在許多問(wèn)題,制約其應用范圍的進(jìn)一步擴大。
?。?）首先是現場(chǎng)總線(xiàn)的選擇。雖然目前IEC組織已達成了國際總線(xiàn)標準,但總線(xiàn)種類(lèi)仍然過(guò)多,而每種現場(chǎng)總線(xiàn)都有自己最合適的應用領(lǐng)域,如何在實(shí)際中根據應用對象,將不同層次的現場(chǎng)總線(xiàn)組合使用,使系統的各部分都選擇最合適的現場(chǎng)總線(xiàn),對用戶(hù)來(lái)說(shuō),仍然是比較棘手的問(wèn)題。
?。?）系統的集成問(wèn)題。由于實(shí)際應用中一個(gè)系統很可能采用多種形式的現場(chǎng)總線(xiàn),因此如何把工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )與數據網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)縫的集成,從而使整個(gè)系統實(shí)現管控一體化,是關(guān)鍵環(huán)節?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統在設計網(wǎng)絡(luò )布局時(shí),不僅要考慮各現場(chǎng)節點(diǎn)的距離,還要考慮現場(chǎng)節點(diǎn)之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò )上的流動(dòng)情況等。由于智能化現場(chǎng)儀表的功能很
強,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)通信參數的組態(tài)也很重要,要在系統的實(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]。主要表現在：
a.當總線(xiàn)電纜截斷時(shí),整個(gè)系統有可能癱瘓。
用戶(hù)希望這時(shí)系統的效能可以降低,但不能崩潰,這一點(diǎn)目前許多現場(chǎng)總線(xiàn)不能保證。
b.本安防爆理論的制約?，F有的防爆規定限制總線(xiàn)的長(cháng)度和總線(xiàn)上負載的數量。這就是限制了現場(chǎng)總線(xiàn)節省線(xiàn)纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。目前各國都在對現場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)安全概念（FISCO）理論加強研究,爭取有所突破。
C.系統組態(tài)參數過(guò)分復雜?，F場(chǎng)總線(xiàn)的組態(tài)
參數很多,不容易掌握,但組態(tài)參數設定得好壞,對系統性能影響很大。
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(kāi)放性、透明的通訊協(xié)議。上述出現的問(wèn)題,根本原因在于現場(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,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)系統中被廣泛采用。近些年來(lái),隨著(zhù)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)節具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。
5 目前存在的問(wèn)題
通常我們考慮將控制系統網(wǎng)絡(luò )化，主要將網(wǎng)絡(luò )化與現場(chǎng)總線(xiàn)聯(lián)系在一起。目前在控制領(lǐng)域較有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)系統有：FF、 LonWorks、 Profibus、 CAN 、 HART，以及RS485的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等?，F場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )己經(jīng)制定的統一標準（（FF），其慢速總線(xiàn)標準Hl已得到通過(guò)成為國際標準，其高速總線(xiàn)標準H2還在制訂中。但是由于商業(yè)利潤、技術(shù)壟斷等原因，目前現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品仍然是百花齊放的局面，這對降低系統成本，擴大應用范圍產(chǎn)生不利影響。
以太網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應用，目前主流產(chǎn)品的速度己經(jīng)達到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)集成到現有控制系統中，利用Internet上開(kāi)放的、并且己經(jīng)成熟的技術(shù)對現有的控制系統進(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(wèn)題解決方案。
6 總結
從目前趨勢來(lái)看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現場(chǎng)控制級毋庸置疑。但至少現在看來(lái),它還難以完全取代現場(chǎng)總線(xiàn),作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標準。已有的現場(chǎng)總線(xiàn)仍將繼續存在,最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統[6]。
參考文獻
[1]賈東耀，汪仁煌.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )結構的發(fā)展趨勢[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002（5）：12-14.
[2]范鎧.現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展趨勢[J] .自動(dòng)化儀表,2000·2.
[3]鄭文波.網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與控制系統的創(chuàng )新[J] ·測控技術(shù), 2000·6.
[4]彭 可，陳際達等.控制系統網(wǎng)絡(luò )化及控制系統與信息網(wǎng)絡(luò )集成技術(shù)[J].信息與控制，2002，31（5）：441-445.
[5]郝曉弘，蘇 淵.以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統[J].電氣自動(dòng)化.2002（4）：4-7.
[6]范鎧.現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在國內的應用情況[J] .自動(dòng)化博覽,2001·4.
