控制系统的网络化发展及现状

3 现场总线技术的研究现状

在40年代，过程控制是基于3～15PSI的气动标准信号。其后，由于4～20mA模拟信号的使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的4～20mA信号。70年代，由于在检测、模拟控制和逻辑控制领域率先使用了计算机，从而产生了集中控制。进入80年代，由于微处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，4～20mA模拟信号传输逐步被数字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进了控制、调度、优化、决策等功能一体化的发展。然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接，其传送方式是一对一结构，这使得接线复杂，工程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥。另一方面，由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实现自诊断，能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由此可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现数字通信。

为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同,控制网络直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性,现场总线对标准的网络协议作了简化,省略了一些中间层,只包括ISO/OSI7 层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。

现场总线在发展的最初,各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总线作为国际现场总线标准,其中包括 CAN Bus、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统（Fieldbus Control System FCS）。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的"点对点"式的模拟信号或数字———模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层。

虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进一步扩大。

（1）首先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准,但总线种类仍然过多,而每种现场总线都有自己最合适的应用领域,如何在实际中根据应用对象,将不同层次的现场总线组合使用,使系统的各部分都选择最合适的现场总线,对用户来说,仍然是比较棘手的问题。

（2）系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线,因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成,从而使整个系统实现管控一体化,是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时,不仅要考虑各现场节点的距离,还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强,因此许多仪表会有同样的功能块,组态时选哪个功能块是要仔细考虑的;要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要,要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。

（3）存在技术瓶颈问题[2]。主要表现在：

a.当总线电缆截断时,整个系统有可能瘫痪。

用户希望这时系统的效能可以降低,但不能崩溃,这一点目前许多现场总线不能保证。

b.本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质安全概念（FISCO）理论加强研究,争取有所突破。

C.系统组态参数过分复杂。现场总线的组态

参数很多,不容易掌握,但组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大。

4 以太控制网络

控制网络的发展,其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。上述出现的问题,根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前的现场总线由于种类繁多,互不兼容,尚不能满足这一要求。而以太网的TCP/IP协议的开放性使得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。

5 目前存在的问题

通常我们考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在一起。目前在控制领域较有影响的现场总线系统有：FF、 LonWorks、 Profibus、 CAN 、 HART，以及RS485的总线网络等。现场总线基金会己经制定的统一标准（（FF），其慢速总线标准Hl已得到通过成为国际标准，其高速总线标准H2还在制订中。但是由于商业利润、技术垄断等原因，目前现场总线产品仍然是百花齐放的局面，这对降低系统成本，扩大应用范围产生不利影响。

以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度己经达到100Mbps，千兆以太网也己经投入使用，其网络产品和软件发展速度很快。以太网以成本低、组网方便、软硬件丰富、可靠性高等特点得到了广泛的认可。

Internet飞速发展的主要原因在于以太网和TCP/IP协议的广泛应用，TCP/IP协议是极其灵活的，几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP/IP的通信。应用TCP/IP的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。

由此，我们考虑将Internet及其相关技术集成到现有控制系统中，利用Internet上开放的、并且己经成熟的技术对现有的控制系统进行升级改造，加快工业企业的信息一控制一体化进程，不失为一种较为可行的问题解决方案。

6 总结

从目前趋势来看,工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来,它还难以完全取代现场总线,作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍将继续存在,最有可能的是发展一种混合式控制系统[6]。