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

3、開放系統(tǒng)互聯(lián)參改模型

ISO/OSI參改模型反映了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的工作原理，把通信過程分段，相應(yīng)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。這個(gè)過程與郵政信件的郵遞過程很相似，即按照收發(fā)信者活動(dòng)、郵局服務(wù)業(yè)務(wù)、郵局轉(zhuǎn)送投遞業(yè)務(wù)(分棟、集裝郵包或相反的折封郵包、分棟)、運(yùn)輸部門郵包運(yùn)輸管理來劃分層次。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信對應(yīng)分應(yīng)用層、表示層、會(huì)議層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層共7層，這就是OSI模型。

每一層的功能是獨(dú)立的，與上下層有關(guān)，同等層之間的通信規(guī)劃形成通信協(xié)議。如本文前面提到的IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5同屬物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制(MAC)子層的不同的通信協(xié)議。

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，或低層(1-3層)通信傳送功能網(wǎng)絡(luò)和終端都具有，而高層(4-7層)通信管理功能由終端設(shè)備提供。如果某種網(wǎng)絡(luò)用途較廣，更多的采用“專用芯片”等集成電路，則可以獲得更高的性價(jià)比，而且這往往為某種局域網(wǎng)技術(shù)生存的要害。眾所周知，商用以太網(wǎng)是一個(gè)很好的例子，另外就是Lonworks技術(shù)，它得到了Motolora和東芝及后來加入的Cypress公司等器件公司的支持，生產(chǎn)的Neuron神經(jīng)元芯片中，集成了3個(gè)CPU，將相關(guān)的OSI模型的7層通過協(xié)議包括兼容多種通信介質(zhì)、Neuron C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(gè)成功的范例。

4、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)品綜合考慮，還要對通信軟件等進(jìn)行分類，將是一個(gè)復(fù)雜的工作?，F(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。其功能簡單地說：中繼器為同一種網(wǎng)段上加強(qiáng)信號(hào)用；網(wǎng)橋用于同一種通信協(xié)議不同傳輸速率的兩個(gè)網(wǎng)段的連接；路由器用于更為復(fù)雜的采用同一種通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信路徑選擇；網(wǎng)關(guān)用于兩種不同通信協(xié)議的網(wǎng)段或網(wǎng)絡(luò)之間信號(hào)和數(shù)據(jù)的變換。以上一般均為有源產(chǎn)品。無源產(chǎn)品有T型分支(Tee)、無源多端口集線器(Passivehub)、終端器、電纜、光纜等。
在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，商品名詞還有接口卡、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)已成為目前通用的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，它們要用于工業(yè)現(xiàn)場還需要根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，方可成為工業(yè)以太網(wǎng)的通用產(chǎn)品。其融合過程是在加速中，在“世紀(jì)之交論自動(dòng)化系統(tǒng)工程產(chǎn)業(yè)”一文中所指出的一段話的現(xiàn)象，是不會(huì)再出現(xiàn)了(“我們可以用50美圓購買一塊以太網(wǎng)卡用于PC機(jī)。而XXX生產(chǎn)商要求我們用2000美圓購買同樣的東西，這真是瘋狂……”)。

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(tái)等在國內(nèi)應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，它將隨著商用移動(dòng)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，這將另設(shè)專門文章來表述。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的普及，特別是32位的RM9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(jià)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。

5、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(dòng)化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控層已在很多行業(yè)中采用交換機(jī)。談到交換機(jī)，最早用于電話網(wǎng)絡(luò)中，它把要求通信的輸入線和被呼叫的輸出線接通……，經(jīng)過幾代產(chǎn)品更新?lián)Q代，現(xiàn)在已由工作在OSI模型中的第2層發(fā)展到工作在第2、3層，即數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。交換機(jī)是多條點(diǎn)線的交換矩陣互連，即把每個(gè)端口都掛在一條帶寬很高的背板總線上。也可以說第2層交換機(jī)稱為交換式集線器或多口網(wǎng)橋；第3層交換機(jī)除具有第2層交換機(jī)功能外，還具有路由器功能，即進(jìn)行通信路程選擇(IP/IPX路由)。關(guān)于集線器實(shí)質(zhì)為中繼器，當(dāng)然也屬于OSI第2層設(shè)備，有MAC子層CSMA/CD算法，即在連接的多個(gè)端口中，隨機(jī)選出某一端口設(shè)備，并上連交換機(jī)等設(shè)備。

交換機(jī)除去封裝數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、減少?zèng)_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(jià)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(jì)算機(jī)而不使用一般工控機(jī)的現(xiàn)象，屢見不鮮。

6、系統(tǒng)集成技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

自動(dòng)化測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)是3C(Computer、Control、Communication)和1 I(Intefration)，目前又提出了1S(Solution)目標(biāo)，它的推動(dòng)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)集成一詞流行始于80年代末、90年代初，現(xiàn)在Integrated System和System Integration的界限在逐漸模糊了，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))三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)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(gè)基本問題，該標(biāo)準(zhǔn)全稱為：工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成——開放系統(tǒng)應(yīng)用集成框架，分為4部分：通用參改描述、以ISO11898標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的參改描述、以IEC61158標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的參改描述、以以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的參改描述。第一部分提出了開放系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架(AIF，Application Integration Framework)，它定義了一些元素和規(guī)則，構(gòu)成集成模型來表示應(yīng)用需求，并開發(fā)應(yīng)用互操作專用規(guī)范AIP，這個(gè)AIP是接口規(guī)范的表示形式，并要求開發(fā)AIP時(shí)，應(yīng)用UML、XML等來描述和表達(dá)。這些對系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展起到了里程碑式作用。自動(dòng)化測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)往往牽涉到第二、三、四部分，如基金會(huì)現(xiàn)場總線FFHI/FF HSE就與第三、四部分相關(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)控層都采用了第四部分的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，交換機(jī)為中心的星形結(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(shí)向已達(dá)到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(dòng)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 HI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(huì)在今后普遍被采用。

在工業(yè)以太網(wǎng)推廣過程中，還應(yīng)把Web瀏覽等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用搞到位，也就是說要讓相關(guān)的人們可以放心地瀏覽現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而在地域方面使生產(chǎn)方式、公用工程管理方式發(fā)生變化，起到促進(jìn)生產(chǎn)力和改進(jìn)社會(huì)服務(wù)的作用。

7、結(jié)束語

在參考文獻(xiàn)[2]的文章“軍用ATE/ATS技術(shù)的發(fā)展”中提到COTS，在軍用信息系統(tǒng)中能把它作為設(shè)計(jì)原則，所以一般自動(dòng)化測控系統(tǒng)更應(yīng)重視COTS原則。COTS原文為Commercial off the sheff technology商業(yè)現(xiàn)貨技術(shù)，這在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面同樣重要，我們應(yīng)看到自動(dòng)化測控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的共性，把網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的價(jià)格降下來，使現(xiàn)場總線的“輔助設(shè)備”通用化……。COTS與創(chuàng)新是不矛盾的，而且創(chuàng)新成果必須是在商業(yè)現(xiàn)貨基礎(chǔ)以商品的形式出現(xiàn)在市場上的，否則是毫無生命力的，創(chuàng)新開始就要吃透COTS原則。當(dāng)然要做到集成創(chuàng)新，那就更離不開COTS了。

把自動(dòng)化控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的需求分類，首先在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中推廣COTS原則；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。

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(shí)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、可互換性，爭取成為國際上認(rèn)可的產(chǎn)品。