控制系統的網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展及現狀

2 信息網(wǎng)絡(luò )與控制系統的關(guān)系

　　從發(fā)展歷程看，信息網(wǎng)絡(luò )體系結構的發(fā)展與控制系統結構的發(fā)展有相似之處。企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展大體經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：

　?、倩谥鳈C的集中模式

　　由功能強大的主機完成幾乎所有的計算和處理任務(wù)，用戶(hù)和主機的交互很少。

　?、诨诠ぷ鹘M的分層結構

　　微機和局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使工作性質(zhì)相近的人員組成群體，共享某些公共資源，用戶(hù)之間的交流和協(xié)作得到了加強。

　?、刍贗nternet/Intranet/Extranet的網(wǎng)絡(luò )化企業(yè)組織

　　計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展使它成為現代信息技術(shù)的主流，特別是Internet的發(fā)展和普及應用使它成為公認的未來(lái)全球信息基礎設施的雛形。采用 Internet成熟的技術(shù)和標準，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用于企業(yè)內部網(wǎng)和企業(yè)外聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現，于是便形成了以 Intranet為中心，以Extranet為補充，依托于Internet的新一代企業(yè)信息基礎設施（企業(yè)網(wǎng)）。

　　計算機控制系統也是經(jīng)歷了集中控制、分層控制、基于現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )控制等幾個(gè)發(fā)展階段，它們的發(fā)展過(guò)程是非常相似的。

　　隨著(zhù)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )的深入應用與日臻完善，現場(chǎng)控制信息進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò )實(shí)現實(shí)時(shí)監控是必然的趨勢。為提高企業(yè)的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益，許多企業(yè)都在盡力建立全方位的管理信息系統，它必須包括生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據信息，以確保實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程的運行狀態(tài)，使企業(yè)管理決策科學(xué)化，達到生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理的最優(yōu)化狀態(tài)。信息一控制一體化將為實(shí)現企業(yè)綜合自動(dòng)化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業(yè)信息化創(chuàng )造有利條件。

　　企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )與控制系統在體系結構發(fā)展過(guò)程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統的發(fā)展過(guò)程中，每一種結構的控制系統的出現總是滯后于相應計算機技術(shù)的發(fā)展。實(shí)際上，大多數情況下，正是在計算機領(lǐng)域一種新技術(shù)出現以后，人們才開(kāi)始研究如何將這種新技術(shù)應用于控制領(lǐng)域。鑒于兩種應用環(huán)境的差異，其中的技術(shù)細節作了適當修改和補充，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實(shí)現上，它們有許多共同的地方。正是由于二者在發(fā)展過(guò)程中的這種關(guān)系，使得實(shí)現信息一控制一體化成為可能。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究現狀

　　在40年代，過(guò)程控制是基于3～15PSI的氣動(dòng)標準信號。其后，由于4～20mA模擬信號的使用，使得模擬控制器得到了廣泛應用，但是并不是所有的傳感儀表和驅動(dòng)裝置都使用統一的4～20mA信號。70年代，由于在檢測、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計算機，從而產(chǎn)生了集中控制。進(jìn)入80年代，由于微處理器的出現，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數字化和智能化的時(shí)代，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數字化通信代替，加之分布式控制以及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了控制、調度、優(yōu)化、決策等功能一體化的發(fā)展。然而由于檢測、變送、執行等機構大都采用模擬信號連接，其傳送方式是一對一結構，這使得接線(xiàn)復雜，工程費用高，維護困難，而信號傳輸精度底，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統的功能發(fā)揮。另一方面，由于智能儀表的功能遠遠超過(guò)了現場(chǎng)模擬儀表，如對量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠方設定，儀表工作狀態(tài)實(shí)現自診斷，能進(jìn)行多參數測量和對環(huán)境影響的補償等。由此可見(jiàn)，智能儀表和控制系統的發(fā)展，都要求上層系統和現場(chǎng)儀表實(shí)現數字通信。

　　為了克服DCS系統的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿(mǎn)足現場(chǎng)的需要,現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應運而生,它實(shí)際上是連接現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)化控制設備的雙向串行、數字式、多節點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò ),也被稱(chēng)為現場(chǎng)底層設備控制網(wǎng)絡(luò )（INFRANET）。和Internet、Intranet等類(lèi)型的信息網(wǎng)絡(luò )不同,控制網(wǎng)絡(luò )直接面向生產(chǎn)過(guò)程,因此要求很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、資料完整性和可用性。為滿(mǎn)足這些特性,現場(chǎng)總線(xiàn)對標準的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議作了簡(jiǎn)化,省略了一些中間層,只包括ISO/OSI7 層模型中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)在發(fā)展的最初,各個(gè)公司都提出自己的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線(xiàn)作為國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準,其中包括 CAN Bus、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基礎上形成了新的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（Fieldbus Control System FCS）。它綜合了數字通信技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段,從根本上突破了傳統的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數字―――模擬信號控制的局限性,構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統。相應的控制網(wǎng)絡(luò )結構也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結構分為3層：設備層、控制層和信息層。

　　雖然現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展非常迅速,但也存在許多問(wèn)題,制約其應用范圍的進(jìn)一步擴大。

　?。?）首先是現場(chǎng)總線(xiàn)的選擇。雖然目前IEC組織已達成了國際總線(xiàn)標準,但總線(xiàn)種類(lèi)仍然過(guò)多,而每種現場(chǎng)總線(xiàn)都有自己最合適的應用領(lǐng)域,如何在實(shí)際中根據應用對象,將不同層次的現場(chǎng)總線(xiàn)組合使用,使系統的各部分都選擇最合適的現場(chǎng)總線(xiàn),對用戶(hù)來(lái)說(shuō),仍然是比較棘手的問(wèn)題。