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)展過程的相似性，分析了目前流行的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成及其存在的問題。對于工業(yè)以太網(wǎng)做了簡單介紹，提出了控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化 信息網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線
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)歷著一場前所未有的變革，開始向網(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?，又催生了?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(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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)集中管理，被稱為集散控制系統(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(jì)算機(jī)和微機(jī)的性能價格比有了很大提高。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不具備開放性，布線復(fù)雜，費(fèi)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(jī)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（4～2 0 m A/ 2 4VDC）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(jì)算機(jī)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：
?、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(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)時數(shù)據(jù)信息，以確保實(shí)時掌握生產(chǎn)過程的運(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、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(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(jī)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(fèi)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(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)測量和對環(huán)境影響的補(bǔ)償?shù)取Ｓ纱丝梢?，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(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。
為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿足現(xiàn)場的需要,現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它實(shí)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(diǎn)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(shí)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 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)場總線控制系統(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)對點(diǎn)”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(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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時,不僅要考慮各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的距離,還要考慮現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)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(qiáng),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(shí)時性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡。
（3）存在技術(shù)瓶頸問題[2]。主要表現(xiàn)在：
a.當(dāng)總線電纜截?cái)鄷r,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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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。現(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(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(shí)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)[6]。
參考文獻(xiàn)
[1]賈東耀，汪仁煌.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2002（5）：12-14.
[2]范鎧.現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢[J] .自動化儀表,2000·2.
[3]鄭文波.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的創(chuàng)新[J] ·測控技術(shù), 2000·6.
[4]彭 可，陳際達(dá)等.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及控制系統(tǒng)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(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[J].電氣自動化.2002（4）：4-7.
[6]范鎧.現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用情況[J] .自動化博覽,2001·4.
