控制系統的網絡化發展及現狀

摘 要：隨著計算機技術和網絡技術的不斷發展，控制系統正在向智能化、數字化和網絡化的方向發展。本文簡要回顧了控制網絡的發展, 闡述了它與信息網絡發展過程的相似性，分析了目前流行的現場總線控制系統的組成及其存在的問題。對于工業以太網做了簡單介紹，提出了控制網絡結構發展的趨勢。

關鍵詞：控制系統 網絡化 信息網絡 現場總線

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

　　隨著計算機技術、通信技術和控制技術的發展，傳統的控制領域正經歷著一場前所未有的變革，開始向網絡化方向發展。控制系統的結構從最初的CCS（計算機集中控制系統），到第二代的DCS（分散控制系統），發展到現在流行的FCS（現場總線控制系統）[1]。對諸如圖像、語音信號等大數據量、高速率傳輸的要求，又催生了當前在商業領域風靡的以太網與控制網絡的結合。這股工業控制系統網絡化浪潮又將諸如嵌入式技術、多標準工業控制網絡互聯、無線技術等多種當今流行技術融合進來，從而拓展了工業控制領域的發展空間，帶來新的發展機遇。

1 計算機控制系統的發展

　　計算機及網絡技術與控制系統的發展有著緊密的聯系。最早在50年代中后期，計算機就已經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，被稱為直接數字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，隨著微處理器的出現，計算機控制系統進入一個新的快速發展的時期，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世，它以多臺微處理器共同分散控制，并通過數據通信網絡實現集中管理，被稱為集散控制系統（Distributed Control System, DCS）。

　　進入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法比擬的性能價格比。

　　80年代中后期，隨著工業系統的日益復雜，控制回路的進一步增多，單一的DDC控制系統已經不能滿足現場的生產控制要求和生產工作的管理要求，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得到大量應用。

　　進入90年代以后，由于計算機網絡技術的迅猛發展，使得DCS系統得到進一步發展，提高了系統的可靠性和可維護性，在今天的工業控制領域DCS仍然占據著主導地位，但是DCS不具備開放性，布線復雜，費用較高，不同廠家產品的集成存在很大困難。

　　從八十年代后期開始，由于大規模集成電路的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備智能化，人們便開始尋求用一根通信電纜將具有統一的通信協議通信接口的現場設備連接起來，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，這就是現場總線。由于它解決了網絡控制系統的自身可靠性和開放性問題，現場總線技術逐漸成為了計算機控制系統的發展趨勢。從那時起，一些發達的工業國家和跨國工業公司都紛紛推出自己的現場總線標準和相關產品，形成了群雄逐鹿之勢。

2 信息網絡與控制系統的關系

　　從發展歷程看，信息網絡體系結構的發展與控制系統結構的發展有相似之處。企業信息網絡的發展大體經歷了如下幾個發展階段：

　　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，用戶和主機的交互很少。

　　②基于工作組的分層結構

　　微機和局域網技術的發展使工作性質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作得到了加強。

　　③基于Internet/Intranet/Extranet的網絡化企業組織

　　計算機網絡技術的發展使它成為現代信息技術的主流，特別是Internet的發展和普及應用使它成為公認的未來全球信息基礎設施的雛形。采用Internet成熟的技術和標準，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用于企業內部網和企業外聯網的實現，于是便形成了以Intranet為中心，以Extranet為補充，依托于Internet的新一代企業信息基礎設施（企業網）。

　　計算機控制系統也是經歷了集中控制、分層控制、基于現場總線的網絡控制等幾個發展階段，它們的發展過程是非常相似的。

　　隨著企業信息網絡的深入應用與日臻完善，現場控制信息進入信息網絡實現實時監控是必然的趨勢。為提高企業的社會效益和經濟效益，許多企業都在盡力建立全方位的管理信息系統，它必須包括生產現場的實時數據信息，以確保實時掌握生產過程的運行狀態，使企業管理決策科學化，達到生產、經營、管理的最優化狀態。信息一控制一體化將為實現企業綜合自動化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業信息化創造有利條件。

　　企業信息網絡與控制系統在體系結構發展過程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統的發展過程中，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的發展。實際上，大多數情況下，正是在計算機領域一種新技術出現以后，人們才開始研究如何將這種新技術應用于控制領域。鑒于兩種應用環境的差異，其中的技術細節作了適當修改和補充，但關鍵技術的原理及實現上，它們有許多共同的地方。正是由于二者在發展過程中的這種關系，使得實現信息一控制一體化成為可能。

3 現場總線技術的研究現狀

　　在40年代，過程控制是基于3～15PSI的氣動標準信號。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域率先使用了計算機，從而產生了集中控制。進入80年代，由于微處理器的出現，促使工業儀表進入了數字化和智能化的時代，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絡技術的迅速發展，促進了控制、調度、優化、決策等功能一體化的發展。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揮。另一方面，由于智能儀表的功能遠遠超過了現場模擬儀表，如對量程和零點進行遠方設定，儀表工作狀態實現自診斷，能進行多參數測量和對環境影響的補償等。由此可見，智能儀表和控制系統的發展，都要求上層系統和現場儀表實現數字通信。

　　為了克服DCS系統的技術瓶頸,進一步滿足現場的需要,現場總線技術應運而生,它實際上是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節點通信網絡,也被稱為現場底層設備控制網絡（INFRANET）。和Internet、Intranet等類型的信息網絡不同,控制網絡直接面向生產過程,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,現場總線對標準的網絡協議作了簡化,省略了一些中間層,只包括ISO/OSI7層模型中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。

　　現場總線在發展的最初,各個公司都提出自己的現場總線協議。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線作為國際現場總線標準,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總線控制系統（Fieldbus Control System FCS）。它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段,從根本上突破了傳統的“點對點”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、多接點的通信與控制系統。相應的控制網絡結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為3層：設備層、控制層和信息層。

　　雖然現場總線技術發展非常迅速,但也存在許多問題,制約其應用范圍的進一步擴大。

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

　　（2）系統的集成問題。由于實際應用中一個系統很可能采用多種形式的現場總線,因此如何把工業控制網絡與數據網絡進行無縫的集成,從而使整個系統實現管控一體化,是關鍵環節。現場總線系統在設計網絡布局時,不僅要考慮各現場節點的距離,還要考慮現場節點之間的功能關系、信息在網絡上的流動情況等。由于智能化現場儀表的功能很

　　強,因此許多儀表會有同樣的功能塊,組態時選哪個功能塊是要仔細考慮的;要使網絡上的信息流動最小化。同時通信參數的組態也很重要,要在系統的實時性與網絡效率之間做好平衡。

　　（3）存在技術瓶頸問題[2]。主要表現在：

　　a.當總線電纜截斷時,整個系統有可能癱瘓。

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

　　b.本安防爆理論的制約。現有的防爆規定限制總線的長度和總線上負載的數量。這就是限制了現場總線節省線纜優點的發揮。目前各國都在對現場總線本質安全概念（FISCO）理論加強研究,爭取有所突破。

　　C.系統組態參數過分復雜。現場總線的組態

　　參數很多,不容易掌握,但組態參數設定得好壞,對系統性能影響很大。

4 以太控制網絡

　　控制網絡的發展,其基本趨勢是逐漸趨向于開放性、透明的通訊協議。上述出現的問題,根本原因在于現場總線的開放性是有條件的、不徹底的。以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢,由于它支持幾乎所有流行的網絡協議,所以在商業系統中被廣泛采用。近些年來,隨著網絡技術的發展,以太網進入了控制領域,形成了新型的以太網控制網絡技術。這主要是由于工業自動化系統向分布化、智能化控制方面發展,開放的、透明的通訊協議是必然的要求。目前的現場總線由于種類繁多,互不兼容,尚不能滿足這一要求。而以太網的TCP/IP協議的開放性使得在工控領域通訊這一關鍵環節具有無可比擬的優勢。

5 目前存在的問題

　　通常我們考慮將控制系統網絡化，主要將網絡化與現場總線聯系在一起。目前在控制領域較有影響的現場總線系統有：FF、 LonWorks、Profibus、 CAN 、 HART，以及RS485的總線網絡等。現場總線基金會己經制定的統一標準（（FF），其慢速總線標準Hl已得到通過成為國際標準，其高速總線標準H2還在制訂中。但是由于商業利潤、技術壟斷等原因，目前現場總線產品仍然是百花齊放的局面，這對降低系統成本，擴大應用范圍產生不利影響。

　　以太網已經得到廣泛應用，目前主流產品的速度己經達到100Mbps，千兆以太網也己經投入使用，其網絡產品和軟件發展速度很快。以太網以成本低、組網方便、軟硬件豐富、可靠性高等特點得到了廣泛的認可。

　　Internet飛速發展的主要原因在于以太網和TCP/IP協議的廣泛應用，TCP/IP協議是極其靈活的，幾乎所有的網絡底層技術都可用于傳輸TCP/IP的通信。應用TCP/IP的以太網已經成為最流行的分組交換局域網技術，同時也是最具開放性的網絡技術。

　　由此，我們考慮將Internet及其相關技術集成到現有控制系統中，利用Internet上開放的、并且己經成熟的技術對現有的控制系統進行升級改造，加快工業企業的信息一控制一體化進程，不失為一種較為可行的問題解決方案。

6 總結

　　從目前趨勢來看,工業以太網進入現場控制級毋庸置疑。但至少現在看來,它還難以完全取代現場總線,作為實時控制通信的單一標準。已有的現場總線仍將繼續存在,最有可能的是發展一種混合式控制系統[6]。

參考文獻

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　　[2]范鎧.現場總線的發展趨勢[J] .自動化儀表,2000·2.

　　[3]鄭文波.網絡技術與控制系統的創新[J] ·測控技術, 2000·6.

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　　[5]郝曉弘，蘇　淵.以太網與現場總線控制系統[J].電氣自動化.2002（4）：4-7.

　　[6]范鎧.現場總線技術在國內的應用情況[J] .自動化博覽,2001·4.