自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

1、引言

新世紀(jì)以來，信息化速度在加快。自動化控制系統(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)械制造為主的離散工業(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目，已經(jīng)在其自動化控制系統(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，為管控一體化打下了堅實的基礎(chǔ)。這是對傳統(tǒng)DCS的重大突破。在此十一五規(guī)劃開始之年，有必要從自動化控制系統(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。

2、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)。自動化控制系統(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：

2.1 70年代DCS初級通訊系統(tǒng)

上世紀(jì)70年代中期開始出現(xiàn)DCS分散型控制系統(tǒng)，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)點有32-64個，通信距離約在1公里以內(nèi)，主要節(jié)點為控制站和操作站，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1Mbps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。這時現(xiàn)場儀表均為模擬儀表，少數(shù)專用設(shè)備有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可與之相鏈接。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)和國際電報電話咨詢委員會的CCITTX.25等。

2.2 1975年推出以太網(wǎng)(Ethernet)

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。

2.3 始于1980年的ISO/OSI參考模型與IEEE802家族標(biāo)準(zhǔn)

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)互聯(lián)參改模型(OSI，Open System Interconnection)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，(后來又增加成13個委員會)(為22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)(其他分委員會負(fù)責(zé)高層接口、邏輯電路控制、廣域網(wǎng)、寬帶、光纖、數(shù)據(jù)和語音綜合網(wǎng)絡(luò)、可互操作的局域網(wǎng)的安全、無線局域網(wǎng)、有限高速局域網(wǎng)、有線電視等)，這些分委員會的工作，后來形成了ISO的標(biāo)準(zhǔn)，而我們對這些標(biāo)準(zhǔn)，又統(tǒng)稱為IEEE802標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 80年代中后期DCS通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展里程碑——TDC3000網(wǎng)絡(luò)

80年代中后期，有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)，出現(xiàn)了第二代、第三代DCS系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)特點為在保證第一代DCS網(wǎng)絡(luò)延續(xù)性(即能互連)的前提下，能實現(xiàn)多個裝置DCS互聯(lián)及全廠各車間互聯(lián)，向全廠控制網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)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，通信距離為原來數(shù)倍，通信速率提高至10Mbps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)通信型式的現(xiàn)場儀表在增加，與PLC、分析儀等數(shù)字通信的能力增強。又不同廠家的DC的互聯(lián)問題已提到日程上來了，DCS內(nèi)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在逐步實現(xiàn)，其中TDC3000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為典型。DHW(250Kpbs)通過HG(數(shù)據(jù)高速通道的)與LCN(局部控制網(wǎng)絡(luò))相連；與DHW相當(dāng)?shù)男麻_發(fā)的總線VCN(萬能控制網(wǎng)絡(luò))通過NIM(網(wǎng)絡(luò)接口模件)與LCN相連。LCN網(wǎng)絡(luò)可接645模件，通信速率為5Mbps，采用同軸電纜，通信距離為300米(光纖通信時為2000米)，用于控制室內(nèi)操作站、應(yīng)用模件、歷史模件上位機(jī)接口(CG)等互連，并通過DHW、VCN與控制站相連，通向現(xiàn)場，LCN采用一種專有的含誤差檢查的“令牌傳遞”協(xié)議。CG與現(xiàn)套接口軟件CM50S、CM50N配合保證與上位機(jī)相連，完成工廠管理的和高級控制的功能。VCN可按63個模件(32個冗余設(shè)備)，通信速率為5Mbps，采用電軸電纜，通信距離300米，其上接控制站PM、APM、LM等，UCN及LCN已經(jīng)參考了IEEE802.4通信模型。

2.5 80年代后起之秀的PLC多層通訊

PLC可編程控制器在80年代已由單獨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RS232/RS485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三層結(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。

2.5 90年代現(xiàn)場總線熱潮方興未艾

現(xiàn)場總線技術(shù)在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，細(xì)分傳送數(shù)據(jù)寬度的位級的傳感器總線，傳送數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)級的設(shè)備總線、傳送數(shù)據(jù)寬度為數(shù)據(jù)流或功能塊級的現(xiàn)場總線，F(xiàn)F HI/FF HSE等對過程控制更適合些，Profibus、Device Net等對離散控制更適合?；饡F(xiàn)場總線FF HI采用了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(PID單回路調(diào)節(jié)、串級調(diào)節(jié)、選擇性調(diào)節(jié)、比值調(diào)節(jié)等常規(guī)控制均在現(xiàn)場完成)、互操作性、互換性方面均經(jīng)受了實際工程的較長期的考驗。FFHI在通信上考慮了網(wǎng)段上各種設(shè)備的特點及現(xiàn)場傳輸信號的特點，為多年相關(guān)經(jīng)驗的總結(jié)。把現(xiàn)場總線設(shè)備的通信連接(一種軟連接)這種虛擬通信系統(tǒng)VCR(Virtual Communication Relationship)分成三種類型，即設(shè)置參數(shù)或改變操作方式的客戶/服務(wù)器型(C/S)、刷新功能塊的輸入輸出的發(fā)行者/預(yù)定者型(P/S)、事件報告、趨勢報告的報告分發(fā)型(S/S 源點/受點)，并且利用對象字典(OD)、設(shè)備描述語言(DDL)及用戶層的功能塊應(yīng)用過程等，完成自動化系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)采集、控制回路任務(wù)，及保證可互操作性。FF HSE在與FF HI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/VDP/IP協(xié)議，保證了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。

現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)場儀表實現(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。

2.6 “e網(wǎng)到底”前程似錦

在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)、集線器、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10M提升至100M、1000Mbps等，所以在自動化測控系統(tǒng)中興起了“工業(yè)以太網(wǎng)”熱，又由于一部分人強調(diào)自動化測控系統(tǒng)的確定性和實時性的特點，而在商用以太網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，形成了多種實時以太網(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！

2.7 新世紀(jì)FCS與DCS孰是孰非

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FF功能，包括工程、組態(tài)、維護(hù)和操作顯示功能，應(yīng)集成在單個無縫主系統(tǒng)中。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)系統(tǒng)不兼容的獨立軟件工具、顯示或程序?！睆亩鵀椤癋CS取代DCS”等等觀點，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，因為它能夠使如此復(fù)雜的通信要求，在經(jīng)濟(jì)適用的條件下完滿的實現(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/VDP/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。