| 進入新世紀,信息化速度在加快,自動化測控系統(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,就連機械制造為生的離散工業(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)在其自動化測控系統(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,為管理一體化打下了堅實的基礎(chǔ)。這是對傳統(tǒng)的DCS（分布式控制系統(tǒng)）的重大突破。在此“十一五”規(guī)劃開始之年,有必要從自動化測控系統(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。 1 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),特別是微型計算機出現(xiàn)后,功能不同或地域不同的計算機之間連成網(wǎng)絡(luò),數(shù)字通信技術(shù)就由一般單機（主機對終端）、多機通信擴展成計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自動化測控系統(tǒng)是一種完成測量和控制功能的分布式計算機局域網(wǎng),其發(fā)展過程如下： （1）上世紀70年代中期開始出現(xiàn)DCS,這是在并無統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標準的情況下,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1km以內(nèi),主要節(jié)點為控制站和操作站,拓撲結(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1Mb/s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。這時期代表性均為模擬儀表,少數(shù)專用設(shè)備有RS-232/RS-422/RS-485等串口,可與之相連接。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）和國際電報電話資訊委員會的CCITTX.25等。 （2）在這個期間,在辦公自動化設(shè)備發(fā)展中,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方式進行數(shù)據(jù)通信。 （3）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）,負責(zé)制定局域網(wǎng)標準。又1983年ISO國際標準化組織通過了開放系統(tǒng)互連（OSI,open system interconnection）參考模型,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（后來又增加到13個分委員會）,其中IEEE802.3負責(zé)CSMA/CD網(wǎng),IEEE802.4負責(zé)令牌總線網(wǎng),802.5負責(zé)令牌環(huán)網(wǎng),其他分委員會分工負責(zé)各項有關(guān)工作。這些分委員會的工作,后來形成了ISO的標準。這些標準,又統(tǒng)稱為IEEE802標準。 （4）上世紀80年代中后期,有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標準的基礎(chǔ),出現(xiàn)了第2代、第3代DCS系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)特點為在保證第1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互連及全廠各車間互連,向全廠控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)互連方向發(fā)展,當(dāng)然這期間更新的網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)規(guī)模在擴大,采用光纖,通信距離為原來的數(shù)倍,通信速率提高至10Mb/s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標準的儀表為主,只是遠程I/O的數(shù)據(jù)通信形式的現(xiàn)場儀表在增加,與PLC、分析儀等數(shù)字通信的能力在增強。又不同廠家的DCS的互連已提到日程上來了,DCS內(nèi)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互連在逐步實現(xiàn),其中TDC3000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為典型。 （5）PLC可編程控制器在上世紀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RS-232/RS-485串口與1臺或多臺PC機（操作站,內(nèi)裝HMI人機界面和組態(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標準的組態(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 3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。 （6）現(xiàn)場總線技術(shù)在上世紀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,形成了多標準并存的局面。FF H1/FF HSE等對過程控制更適合些,Profibus、DeviceNet等對離散控制更適合�；饡F(xiàn)場總線FF H1采用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、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。
FF HSE在與FF H1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（商業(yè)現(xiàn)貨技術(shù)）化的任務(wù),采用了交換機等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品及傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層的TCP/UDP/IP協(xié)議,保證了系統(tǒng)的開放性和可操作性。 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。 （7）在上世紀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、集成器、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10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s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可�？傊�,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。 （8）第4代DCS的出現(xiàn),適應(yīng)了21世紀初現(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：“所有主FF功能,包括工程、組態(tài)、維護和操作性能應(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)不兼容的獨立軟件工具、顯示或程序。”從而為“FCS取代DCS”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)濟適用的條件下完滿地實現(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/UDP/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。 2 開放系統(tǒng)互連參考模型 ISO/OSI參考模型反映了計算機網(wǎng)絡(luò)通信的工作原理,把通信過程分段,相應(yīng)地把網(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。OSI模型分為7層,即應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。它與FF H1、FF HSE通信模型之間的比較如圖1所示。 
實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點各層功能的基本方法是利用硬件實現(xiàn)較低層協(xié)議,利用軟件實現(xiàn)較高層協(xié)議。目前已有用“專用芯片”等集成電路實現(xiàn)OSI的功能,其中以太網(wǎng)是一個很好的例子,另外就是LonWorks技術(shù),它的Neuron神經(jīng)元芯片中,集成了3個CPU,將相關(guān)的OSI模型的7層通信協(xié)議,包括兼容多種通信介質(zhì)、NeuronC控制語言、網(wǎng)絡(luò)變量等,均固化在其中,使通信達到能互操作水平,從而在智能大廈等局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用,這也是一個成功的范例。
3 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品分類 如果把各終端節(jié)點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 |
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