控制系统的网络化发展及现状

0 引言

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。

1 计算机控制系统的发展

计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（Distributed Control System, DCS）。

进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。

80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。

进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。

从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/ O（4～2 0 m A/ 2 4VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。

2 信息网络与控制系统的关系

从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。企业信息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段：

①基于主机的集中模式

由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。

②基于工作组的分层结构

微机和局域网技术的发展使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资源，用户之间的交流和协作得到了加强。

③基于Internet/Intranet/Extranet的网络化企业组织

计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的发展和普及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用 Internet成熟的技术和标准，人们提出了Intranet和Extranet的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于是便形成了以 Intranet为中心，以Extranet为补充，依托于Internet的新一代企业信息基础设施（企业网）。

计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的网络控制等几个发展阶段，它们的发展过程是非常相似的。

随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽力建立全方位的管理信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，使企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信息一控制一体化将为实现企业综合自动化CIPA （ computer integrated plant automation）和企业信息化创造有利条件。

企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然的。在计算机控制系统的发展过程中，每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新技术出现以后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。鉴于两种应用环境的差异，其中的技术细节作了适当修改和补充，但关键技术的原理及实现上，它们有许多共同的地方。正是由于二者在发展过程中的这种关系，使得实现信息一控制一体化成为可能。

来源：电气自动化