從自動化測控系統(tǒng)看網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

作者：卞正崗（中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會 現(xiàn)場總線專業(yè)委員會，北京 100011）
摘自《測控技術(shù)》2006年5月第25卷

摘要：從歷史和現(xiàn)狀中總結(jié)出自動化測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)沿著COTS（商業(yè)現(xiàn)貨技術(shù)）的設(shè)計原則前進(jìn)。
關(guān)鍵詞：分布式控制系統(tǒng)；現(xiàn)場總線；ISO/OSI參考模型；網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品；交換機(jī)；系統(tǒng)集成
Reviewing the Development of Networks Technology From
Automatic Measurement & Control System
BIAN Zheng-gang
(China Instrument Manufacturer’s Association,Beijing 100011,China)
Abstract：Reviewing the history and present state. The networks technology of automatic measurement & control system will advance along COTS design principle.
Key words：DCS; fieldbus; ISO/OSI reference model; networks product; switches; system integration
　　進(jìn)入新世紀(jì)，信息化速度在加快，自動化測控系統(tǒng)中，不僅在辦公自動化系統(tǒng)，智能大廈自動化系統(tǒng)，市政、交通、物流、商業(yè)、銀行等公用工程自動化系統(tǒng)方面的網(wǎng)絡(luò)化有很大變化，就連機(jī)械制造為生的離散工業(yè)自動化，特別是流程工業(yè)自動化方面也向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面前進(jìn)了可喜的一步。特別是最近陸續(xù)開工建設(shè)或已試車成功的特大型煉化項(xiàng)目，已經(jīng)在其自動化測控系統(tǒng)中的現(xiàn)場層采用了約1/4的FF（基金會現(xiàn)場總線）等現(xiàn)場總線產(chǎn)品，監(jiān)控層基本采用了高速以太網(wǎng)主流網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，逐步做到控制徹底分散、操作顯示及管理高度集中（全廠15個裝置集中在一個總控制室操作），系統(tǒng)數(shù)字化程度有了質(zhì)的飛躍，為管理一體化打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。這是對傳統(tǒng)的DCS（分布式控制系統(tǒng)）的重大突破。在此“十一五”規(guī)劃開始之年，有必要從自動化測控系統(tǒng)的角度，看一看網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展歷史，溫故而知新。
1 歷史回顧
電報、電話等出現(xiàn)后，就有了用于信息傳遞的通信網(wǎng)絡(luò)，特別是微型計算機(jī)出現(xiàn)后，功能不同或地域不同的計算機(jī)之間連成網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信技術(shù)就由一般單機(jī)（主機(jī)對終端）、多機(jī)通信擴(kuò)展成計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自動化測控系統(tǒng)是一種完成測量和控制功能的分布式計算機(jī)局域網(wǎng)，其發(fā)展過程如下：
　　（1）上世紀(jì)70年代中期開始出現(xiàn)DCS，這是在并無統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，以大型企業(yè)為主各自完成的。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大約節(jié)點(diǎn)有32～64個，通信距離約在1km以內(nèi)，主要節(jié)點(diǎn)為控制站和操作站，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以環(huán)形和總線型為主，通信介質(zhì)多為同軸電纜，也有采用雙絞線的，通信速率為1Mb/s以內(nèi)。在控制站、操作站內(nèi)均有“通信卡”等專用網(wǎng)絡(luò)部件。這時期代表性的產(chǎn)品有TDC2000的DHW（數(shù)據(jù)高速公路）總線和CENTUM的F總線等，均采用“令牌總線”通信協(xié)議。數(shù)據(jù)共享方面已做到按工位號操作。這時期代表性均為模擬儀表，少數(shù)專用設(shè)備有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可與之相連接。這期間通信規(guī)程中有IBM等提出的同步數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程（SDLC）、高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程（HDLC）和國際電報電話資訊委員會的CCITTX.25等。
　　（2）在這個期間，在辦公自動化設(shè)備發(fā)展中，1975年美國施樂（Xerox）公司推出了以太網(wǎng)（Ethernet），以后3COM等多家供應(yīng)商參與，在此基礎(chǔ)上形成的以太網(wǎng)局域網(wǎng)，在突發(fā)性事務(wù)處理的各種通用系統(tǒng)中得到了較大發(fā)展，以太網(wǎng)以載波偵聽多路訪問/沖突檢測方式即CSMA/CD方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
（3）在上述兩方面技術(shù)的基礎(chǔ)上，1980年2月，IEEE電子電氣工程師協(xié)會建立了一個委員會（簡稱IEEE802委員會），負(fù)責(zé)制定局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。又1983年ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織通過了開放系統(tǒng)互連（OSI，open system interconnection）參考模型，即ISO/OSI參考模型，在此基礎(chǔ)上，1985年IEEE802委員會成立9個分委員會（后來又增加到13個分委員會），其中IEEE802.3負(fù)責(zé)CSMA/CD網(wǎng)，IEEE802.4負(fù)責(zé)令牌總線網(wǎng)，802.5負(fù)責(zé)令牌環(huán)網(wǎng)，其他分委員會分工負(fù)責(zé)各項(xiàng)有關(guān)工作。這些分委員會的工作，后來形成了ISO的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)，又統(tǒng)稱為IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。
（4）上世紀(jì)80年代中后期，有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，出現(xiàn)了第2代、第3代DCS系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)為在保證第1代DCS網(wǎng)絡(luò)延續(xù)性（即能互連）的前提下，能實(shí)現(xiàn)多個裝置DCS互連及全廠各車間互連，向全廠控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)互連方向發(fā)展，當(dāng)然這期間更新的網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)規(guī)模在擴(kuò)大，采用光纖，通信距離為原來的數(shù)倍，通信速率提高至10Mb/s或更高，涵蓋工位號是原來的數(shù)倍，工位字符數(shù)由8位字符增至12個字符，而且形成了域的概念，但這期間現(xiàn)場儀表仍以模擬儀表或HART標(biāo)準(zhǔn)的儀表為主，只是遠(yuǎn)程I/O的數(shù)據(jù)通信形式的現(xiàn)場儀表在增加，與PLC、分析儀等數(shù)字通信的能力在增強(qiáng)。又不同廠家的DCS的互連已提到日程上來了，DCS內(nèi)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互連在逐步實(shí)現(xiàn)，其中TDC3000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為典型。
（5）PLC可編程控制器在上世紀(jì)80年代已由單獨(dú)控制器連成中小型規(guī)模以上的系統(tǒng)。1990年前后一臺或多臺PLC通過RS-232/RS-485串口與1臺或多臺PC機(jī)（操作站，內(nèi)裝HMI人機(jī)界面和組態(tài)軟件或稱SCADA軟件）連成系統(tǒng)。它采用了現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是DDE或OPC數(shù)據(jù)交換軟件技術(shù)及IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件，使PLC系統(tǒng)的開放性、可用性大大提高，成為低成本自動化的典范，現(xiàn)已逐步過渡到21世紀(jì)初的工業(yè)以太網(wǎng)為主的網(wǎng)絡(luò)，而且由羅克韋爾公司牽頭的CIP通用工業(yè)協(xié)議（common industrial protocol）已經(jīng)形成，DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP 3層結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)已為人們接受，PLC由原來通信功能較差變成走在網(wǎng)絡(luò)化的前列。
（6）現(xiàn)場總線技術(shù)在上世紀(jì)90年代已經(jīng)形成了開發(fā)的熱潮。它適應(yīng)了各行業(yè)現(xiàn)場測控方面的需求，形成了多標(biāo)準(zhǔn)并存的局面。FF H1/FF HSE等對過程控制更適合些，Profibus、DeviceNet等對離散控制更適合。基金會現(xiàn)場總線FF H1采用ISO/OSI通信模型的1、2、7層及用戶層，它在現(xiàn)場兩線制供電、防爆、防電磁干擾、防雷擊及冗余、現(xiàn)場控制、互操作性、互換性方面均經(jīng)受了實(shí)際工程的較長期的考驗(yàn)。
FF HSE在與FF H1無縫連接的基礎(chǔ)上，用高速以太網(wǎng)（HSE，high speed Ethernet）完成中央控制室一級或監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)COTS（商業(yè)現(xiàn)貨技術(shù)）化的任務(wù)，采用了交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品及傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層的TCP/UDP/IP協(xié)議，保證了系統(tǒng)的開放性和可操作性。
現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)場儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是分不開的。目前流程工業(yè)用的變送器等現(xiàn)場儀表生產(chǎn)情況是FF占10％，HART占40％、模擬儀表占50％，所以還要重視現(xiàn)場檢測儀表與執(zhí)行器的更新?lián)Q代，才能使現(xiàn)場總線技術(shù)普及。
（7）在上世紀(jì)90年代之前興起的互聯(lián)網(wǎng)（全球性的廣域網(wǎng)）及移動通信、多媒體技術(shù)、個人計算機(jī)及操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持功能的發(fā)展等，對自動化測控系統(tǒng)的數(shù)字通信技術(shù)的影響是非常深刻的。由于互聯(lián)網(wǎng)的普及，“網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)”的興起，交換機(jī)、集成器、5類雙絞銅纜等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品價格下降，以太網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簇（包括TCP/IP等）的應(yīng)用技術(shù)深入到各種連網(wǎng)設(shè)備中，傳輸方式由基帶向載波、寬帶等方式發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速率由10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s等，所以在自動化測控系統(tǒng)中興起了“工業(yè)以太網(wǎng)”熱。又由于一部分人強(qiáng)調(diào)自動化測控系統(tǒng)的確定性和實(shí)時性的特點(diǎn)，而在商用以太網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，形成了多種實(shí)時以太網(wǎng)，但這只是一個過程，關(guān)鍵是性價比能否為用戶認(rèn)可。總之，向著自動化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)扁平化、直至“e網(wǎng)到底”的方向發(fā)展，這個趨勢是明顯的，只是有待時日而已。
（8）第4代DCS的出現(xiàn)，適應(yīng)了21世紀(jì)初現(xiàn)場總線技術(shù)、管控一體化技術(shù)的發(fā)展。目前，通過現(xiàn)場總線基金會的HIST互操作性測試認(rèn)證的11個主控系統(tǒng)，均是第4代DCS系統(tǒng)，而且在“基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南”中指出：“所有主FF功能，包括工程、組態(tài)、維護(hù)和操作性能應(yīng)能夠與傳統(tǒng)模擬或離散I/O、智能HART和專用I/O、基于總線的I/O和FF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容和無縫集成。建議不要采用只針對FF并且與傳統(tǒng)不兼容的獨(dú)立軟件工具、顯示或程序。”從而為“FCS取代DCS”等觀點(diǎn)，找到了解決的出路，即共同融合、相輔相成、DCS和FCS雙贏的道路。這是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的功勞，因?yàn)樗軌蚴谷绱藦?fù)雜的通信要求，在經(jīng)濟(jì)適用的條件下完滿地實(shí)現(xiàn)這個融合的過程。當(dāng)然上面所說的主控系統(tǒng)，均達(dá)到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技術(shù)向以太網(wǎng)及TCP/UDP/IP協(xié)議靠攏，與工廠管理網(wǎng)絡(luò)兼容、數(shù)據(jù)共享，逐步形成企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Intranet。
2 開放系統(tǒng)互連參考模型
ISO/OSI參考模型反映了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的工作原理，把通信過程分段，相應(yīng)地把網(wǎng)絡(luò)功能分為不同的邏輯和物理層次，即不同功能層次完成不同通信階段的工作。OSI模型分為7層，即應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。它與FF H1、FF HSE通信模型之間的比較如圖1所示。


實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各層功能的基本方法是利用硬件實(shí)現(xiàn)較低層協(xié)議，利用軟件實(shí)現(xiàn)較高層協(xié)議。目前已有用“專用芯片”等集成電路實(shí)現(xiàn)OSI的功能，其中以太網(wǎng)是一個很好的例子，另外就是LonWorks技術(shù)，它的Neuron神經(jīng)元芯片中，集成了3個CPU，將相關(guān)的OSI模型的7層通信協(xié)議，包括兼容多種通信介質(zhì)、NeuronC控制語言、網(wǎng)絡(luò)變量等，均固化在其中，使通信達(dá)到能互操作水平，從而在智能大廈等局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，這也是一個成功的范例。
3 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品分類
如果把各終端節(jié)點(diǎn)如何與線纜等通信介質(zhì)相連的接口卡、連接器及通信介質(zhì)和一些專門為通信而設(shè)置的節(jié)點(diǎn)均稱為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，加之對辦公用或商業(yè)用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品與工業(yè)上管理用和控制用（包括現(xiàn)場總線）的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品總和考慮，還要對通信軟件等進(jìn)行分類，將是一個復(fù)雜的工作。現(xiàn)在從網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的低層設(shè)備功能來分，主要有中繼器（或稱重復(fù)器repeater）、網(wǎng)橋（bridge）、路由器（router）、網(wǎng)關(guān)（gateway）幾種，以上幾種均為有源產(chǎn)品。無源產(chǎn)品有T型分支（Tee）、無源多端口集線器（passive hub）、終端器、電纜、光纜等。
在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，原來就有的物理層通用標(biāo)準(zhǔn)連接器如RS-232、RS-485等，應(yīng)用很廣，這也解決了很多簡單的通信需求，而它們的商品形式又是多種多樣的。
在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)品中還有接口卡、接口模塊、鏈接設(shè)備等，特別是商用以太網(wǎng)的接插器（connector）、集線器（hub）、交換機(jī)（switches）等。
　　作為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，對于無線數(shù)字通信，諸如調(diào)制解調(diào)器、數(shù)傳電臺等在國內(nèi)應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，希望它將隨著商用移動通信技術(shù)有關(guān)數(shù)字通信的業(yè)務(wù)的發(fā)展而改變。
嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的普及，特別是32位的ARM9等處理器嵌入式產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的使用，將使得網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品智能化程度、價格、體積等方面都有改善，這也促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。
4 關(guān)于交換機(jī)
　　近年來流程工業(yè)企業(yè)新建的中央控制室的網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)已廣泛使用，特別是網(wǎng)絡(luò)圖中堆疊式交換機(jī)的圖樣很顯眼，證明自動化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控層已在很多行業(yè)中采用了交換機(jī)。交換機(jī)是多條總線的交換矩陣互連，即把每個端口都掛在一條帶寬很高的背板總線上。
交換機(jī)除去封裝數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、減少沖突域之外，還有隔離廣播風(fēng)暴、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，特別是工業(yè)以太網(wǎng)用交換機(jī)，還應(yīng)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境及做到雙電源供電，避免單一電源所造成的數(shù)據(jù)流失，支持環(huán)形網(wǎng)，提供網(wǎng)絡(luò)冗余，通過安全規(guī)范認(rèn)證，做到斷線快速恢復(fù)等，正是由于增加了這些功能，所以其價格略高于商業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。目前赫斯曼、卓越等工業(yè)以太網(wǎng)用交換機(jī)已得到廣泛應(yīng)用。至于商業(yè)用交換機(jī)是否可用在工業(yè)上的問題，應(yīng)該因地制宜，具體情況具體分析，正如不少工業(yè)企業(yè)在系統(tǒng)集成中，操作站使用名牌戴爾計算機(jī)而不使用一般工控機(jī)的現(xiàn)象，屢見不鮮。
5 系統(tǒng)集成技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
自動化測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)是3C（computer，control，communication）和1I（integration），目前又提出1S（solution）目標(biāo)，它的推動力是電控、儀控一體化和管控一體化。系統(tǒng)集成技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相輔相成，共同達(dá)到在網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)據(jù)和信息的目的。系統(tǒng)集成一詞的流行始于上世紀(jì)80年代末、90年代初，現(xiàn)在Integrated System和System Integration的界限在逐漸模糊，這證明系統(tǒng)集成商和最終用戶掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水平在提高，對各種網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線互聯(lián)的接口卡的需求在擴(kuò)大。美國Woodhead公司、Prosoft公司等的幾十種接口卡產(chǎn)品和多協(xié)議網(wǎng)關(guān)（Modbus Ethernet TCP IP Profibus）可以滿足系統(tǒng)集成的需求。系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，在OPC（過程控制的對象鏈接嵌入）、EDDL和FDT（關(guān)于互操作性）、IEC61131－3（關(guān)于組態(tài)）等3個標(biāo)準(zhǔn)推動下，目前又向前發(fā)展，2003年發(fā)布了ISO15745標(biāo)準(zhǔn)，它解決了系統(tǒng)集成的應(yīng)用需求和接口兩個基本問題。該標(biāo)準(zhǔn)全稱為：工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成——開放系統(tǒng)應(yīng)用集成框架。它分為4部分，第1部分提出了開放系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架（AIF，application integration framework）。自動化測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)往往牽涉到它的第2、3、4部分，如基金會現(xiàn)場總線FF H1/FF HSE就與第3、4部分相關(guān)，所以它是異構(gòu)系統(tǒng)的組合，而多種異構(gòu)系統(tǒng)中，監(jiān)控層都采用了第4部分的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，交換機(jī)為中心的星型結(jié)構(gòu)比較普遍地被采用，而且冗余技術(shù)、安全技術(shù)、質(zhì)量服務(wù)等都有較大提高。工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時響應(yīng)時間已打倒5～10ms。這對于流程工業(yè)的控制系統(tǒng)（包括安全系統(tǒng)）、離散工業(yè)控制系統(tǒng)（除去少數(shù)同步要求高的運(yùn)動控制系統(tǒng)），均可以滿足要求。所以有把握地說：實(shí)踐已經(jīng)證明，現(xiàn)場層采用FF H1等現(xiàn)場總線、監(jiān)控層采用一般工業(yè)以太網(wǎng)是成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將會在今后普遍被采用。
6 結(jié)束語
（1）在參考文獻(xiàn)〔2〕中提到COTS，在軍用信息系統(tǒng)中能把它作為設(shè)計原則，所以一般自動化測控系統(tǒng)更應(yīng)重視應(yīng)用COTS，把網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的價格降下來，使現(xiàn)場總線的“輔助設(shè)備”通用化。
（2）把自動化測控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)行分類，首先在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中推廣COTS；針對不同行業(yè)的需求推廣不同的現(xiàn)場總線技術(shù)；工業(yè)以太網(wǎng)推廣過程中，應(yīng)對工程應(yīng)用和開發(fā)并重。
（3）檢測儀表，執(zhí)行器的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是基礎(chǔ)，應(yīng)該在國內(nèi)大力開發(fā)這方面的新產(chǎn)品，同時要在國內(nèi)建立測試中心、認(rèn)證中心，開展標(biāo)準(zhǔn)化的工作，確保開放性、可操作性、可互換性，爭取成為國際上認(rèn)可的產(chǎn)品。
（4）在自動化行業(yè)中應(yīng)進(jìn)一步普及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雖然已有十幾種相關(guān)書籍，但為用戶辦學(xué)習(xí)班等方式仍很重要。中國儀器儀表學(xué)會和北京合成網(wǎng)絡(luò)公司合作，在這方面為廣大用戶服務(wù)做出榜樣，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：
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