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

1、引言

新世紀以來(lái)，信息化速度在加快。自動(dòng)化控制系統中，不僅在辦公自動(dòng)化系統、智能大廈自動(dòng)化系統、市政、交通、物流、商業(yè)、銀行等公用工程自動(dòng)化系統方面的網(wǎng)絡(luò )化有很大變化，就連機械制造為主的離散工業(yè)自動(dòng)化，特別是流程工業(yè)自動(dòng)化方面也向數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化方面前進(jìn)了可喜的一步。特別是最近陸續開(kāi)工建設或已試車(chē)成功的特大型煉化項目，已經(jīng)在其自動(dòng)化控制系統中的現場(chǎng)層采用了約1/4的FF(基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn))等現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，監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(chǎng)15個(gè)裝置集中在一個(gè)總控制室操作)，系統數字化程度有了質(zhì)的飛躍，為管控一體化打下了堅實(shí)的基礎。這是對傳統DCS的重大突破。在此十一五規劃開(kāi)始之年，有必要從自動(dòng)化控制系統的角度，看一看網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展歷史，溫故而知新。

2、歷史回顧

電報、電話(huà)等出現后，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后，功能不同或地域不同的計算機之間連成網(wǎng)絡(luò )，數字通信技術(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。自動(dòng)化控制系統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(guò)程如下：

2.1 70年代DCS初級通訊系統

上世紀70年代中期開(kāi)始出現DCS分散型控制系統，這是在并無(wú)統一網(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 )規模大約節點(diǎn)有32-64個(gè)，通信距離約在1公里以?xún)?，主要節點(diǎn)為控制站和操作站，拓撲結構以環(huán)形和總線(xiàn)型為主，通信介質(zhì)多為同軸電纜，也有采用雙絞線(xiàn)的，通信速率為1Mbps以?xún)?。在控制站、操作站內均有“通信卡”等?zhuān)用網(wǎng)絡(luò )部件。這時(shí)期代表性的產(chǎn)品有TDC2000的DHW(數據高速公路)總線(xiàn)和CENTUM的F總線(xiàn)等，均采用“令牌總線(xiàn)”通信協(xié)議。數據共享方面已做到按工位號操作。這時(shí)現場(chǎng)儀表均為模擬儀表，少數專(zhuān)用設備有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可與之相鏈接。這期間通信規程中有IBM等提出的同步數據鏈路規程(SDLC)、高級數據鏈路規程(HDLC)和國際電報電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì )的CCITTX.25等。

2.2 1975年推出以太網(wǎng)(Ethernet)

1975年美國施樂(lè )(Xerox)公司推出了以太網(wǎng)(Ethernet)，以后3COM等多家供應商參與，在此基礎上形成的以太網(wǎng)局域網(wǎng)，在突發(fā)性事務(wù)處理的各種通用系統中得到了較大發(fā)展，以太網(wǎng)以載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測方式即CSMA/CD方式進(jìn)行數據通信。

2.3 始于1980年的ISO/OSI參考模型與IEEE802家族標準

在上述兩方面技術(shù)的基礎上，1980年2月，IEEE電子電氣工程師協(xié)會(huì )建立了一個(gè)委員會(huì )(簡(jiǎn)稱(chēng)IEEE802委員會(huì ))，負責制定局域網(wǎng)標準。又1983年ISO國際標準化組織通過(guò)了開(kāi)放系統互聯(lián)參改模型(OSI，Open System Interconnection)即ISO/OSI參考模型，在此基礎上，1985年IEEE802委員會(huì )成立9個(gè)分委員會(huì )，(后來(lái)又增加成13個(gè)委員會(huì ))(為22個(gè)分委員會(huì ))，其中IEEE802.3負責CSMA/CD網(wǎng)，IEEE802.4負責令牌總線(xiàn)網(wǎng)，802.5負責令牌環(huán)網(wǎng)(其他分委員會(huì )負責高層接口、邏輯電路控制、廣域網(wǎng)、寬帶、光纖、數據和語(yǔ)音綜合網(wǎng)絡(luò )、可互操作的局域網(wǎng)的安全、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、有限高速局域網(wǎng)、有線(xiàn)電視等)，這些分委員會(huì )的工作，后來(lái)形成了ISO的標準，而我們對這些標準，又統稱(chēng)為IEEE802標準。

2.4 80年代中后期DCS通訊網(wǎng)絡(luò )發(fā)展里程碑——TDC3000網(wǎng)絡(luò )

80年代中后期，有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標準基礎，出現了第二代、第三代DCS系統，其網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)為在保證第一代DCS網(wǎng)絡(luò )延續性(即能互連)的前提下，能實(shí)現多個(gè)裝置DCS互聯(lián)及全廠(chǎng)各車(chē)間互聯(lián)，向全廠(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )與管理網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)方向發(fā)展，當然這期間更新的網(wǎng)絡(luò )的系統規模在擴大，采用光纖，通信距離為原來(lái)數倍，通信速率提高至10Mbps或更高，涵蓋工位號是原來(lái)的數倍，工位字符數由8位字符增至12個(gè)字符，而且形成了域的概念，但這期間現場(chǎng)儀表仍以模擬儀表或HART標準的儀表為主，只是遠程I/O的數據通信型式的現場(chǎng)儀表在增加，與PLC、分析儀等數字通信的能力增強。又不同廠(chǎng)家的DC的互聯(lián)問(wèn)題已提到日程上來(lái)了，DCS內異構的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)在逐步實(shí)現，其中TDC3000網(wǎng)絡(luò )結構最為典型。DHW(250Kpbs)通過(guò)HG(數據高速通道的)與LCN(局部控制網(wǎng)絡(luò ))相連；與DHW相當的新開(kāi)發(fā)的總線(xiàn)VCN(萬(wàn)能控制網(wǎng)絡(luò ))通過(guò)NIM(網(wǎng)絡(luò )接口模件)與LCN相連。LCN網(wǎng)絡(luò )可接645模件，通信速率為5Mbps，采用同軸電纜，通信距離為300米(光纖通信時(shí)為2000米)，用于控制室內操作站、應用模件、歷史模件上位機接口(CG)等互連，并通過(guò)DHW、VCN與控制站相連，通向現場(chǎng)，LCN采用一種專(zhuān)有的含誤差檢查的“令牌傳遞”協(xié)議。CG與現套接口軟件CM50S、CM50N配合保證與上位機相連，完成工廠(chǎng)管理的和高級控制的功能。VCN可按63個(gè)模件(32個(gè)冗余設備)，通信速率為5Mbps，采用電軸電纜，通信距離300米，其上接控制站PM、APM、LM等，UCN及LCN已經(jīng)參考了IEEE802.4通信模型。

2.5 80年代后起之秀的PLC多層通訊

PLC可編程控制器在80年代已由單獨控制器連成中小型規模以上的系統，1990年前后一臺或多臺PLC通過(guò)RS232/RS485串口與1臺或多臺PC機(操作站內裝HMI人機界面和組態(tài)軟件或稱(chēng)SCADA軟件)連成系統，它采用了現成的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，特別是DDE或OPC數據交換軟件技術(shù)及IEC61131-3標準的組態(tài)軟件，使PLC系統的開(kāi)放性、可用性大大提高，成為低成本自動(dòng)化的典范，現已逐步過(guò)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三層結構的通信網(wǎng)絡(luò )，已為人們接受，PLC由原來(lái)通信功能較差變成走在網(wǎng)絡(luò )化的前列。

2.5 90年代現場(chǎng)總線(xiàn)熱潮方興未艾

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在90年代已經(jīng)形成了開(kāi)發(fā)的熱潮，它適應了各行業(yè)現場(chǎng)測控方面的需求，形成了多標準并存的局面，細分傳送數據寬度的位級的傳感器總線(xiàn)，傳送數據寬度為字節級的設備總線(xiàn)、傳送數據寬度為數據流或功能塊級的現場(chǎng)總線(xiàn)，FF HI/FF HSE等對過(guò)程控制更適合些，Profibus、Device Net等對離散控制更適合?；饡?huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF HI采用了ISO/OSI通信模型的1、2、7層及用戶(hù)層，它在現場(chǎng)兩線(xiàn)制供電、防爆、防電磁干擾、防雷擊及冗余、現場(chǎng)控制(PID單回路調節、串級調節、選擇性調節、比值調節等常規控制均在現場(chǎng)完成)、互操作性、互換性方面均經(jīng)受了實(shí)際工程的較長(cháng)期的考驗。FFHI在通信上考慮了網(wǎng)段上各種設備的特點(diǎn)及現場(chǎng)傳輸信號的特點(diǎn)，為多年相關(guān)經(jīng)驗的總結。把現場(chǎng)總線(xiàn)設備的通信連接(一種軟連接)這種虛擬通信系統VCR(Virtual Communication Relationship)分成三種類(lèi)型，即設置參數或改變操作方式的客戶(hù)/服務(wù)器型(C/S)、刷新功能塊的輸入輸出的發(fā)行者/預定者型(P/S)、事件報告、趨勢報告的報告分發(fā)型(S/S 源點(diǎn)/受點(diǎn))，并且利用對象字典(OD)、設備描述語(yǔ)言(DDL)及用戶(hù)層的功能塊應用過(guò)程等，完成自動(dòng)化系統測量數據采集、控制回路任務(wù)，及保證可互操作性。FF HSE在與FF HI無(wú)縫連接的基礎上，用高速以太網(wǎng)(HSE:High Speed Ethernet)完成中央控制室一級或監控層的網(wǎng)絡(luò )COTS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/VDP/IP協(xié)議，保證了系統的開(kāi)放性和可互操作性。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展與現場(chǎng)儀表實(shí)現數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化是分不開(kāi)的，目前流程工業(yè)用的變送器等現場(chǎng)儀表生產(chǎn)情況是FF占10%、HART占40%、模擬儀表占50%，所以還要重視現場(chǎng)檢測儀表與執行器的更新?lián)Q代，才能使現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)普及。

2.6 “e網(wǎng)到底”前程似錦

在90年代之前興起的互聯(lián)網(wǎng)(全球性的廣域網(wǎng))，及移動(dòng)通信、多媒體技術(shù)、個(gè)人計算機及操作系統網(wǎng)絡(luò )支持功能的發(fā)展等，對自動(dòng)化測控系統的數字通信技術(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、集線(xiàn)器、5類(lèi)雙絞銅纜等網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品價(jià)格下降，以太網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簇(包括TCP/IP等)的應用技術(shù)深入到各種連網(wǎng)設備中，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10M提升至100M、1000Mbps等，所以在自動(dòng)化測控系統中興起了“工業(yè)以太網(wǎng)”熱，又由于一部分人強調自動(dòng)化測控系統的確定性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，而在商用以太網(wǎng)基礎上進(jìn)行改造，形成了多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，但這只是一個(gè)過(guò)程，關(guān)鍵是性?xún)r(jià)比能否為用戶(hù)認可?？傊?，向著(zhù)自動(dòng)化測控系統網(wǎng)絡(luò )扁平化、直至“e網(wǎng)到底”的方向發(fā)展，這個(gè)趨勢是明顯的，只是有待時(shí)日而已！

2.7 新世紀FCS與DCS孰是孰非

第4代DCS的出現，適應了21世紀初現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，管控一體化技術(shù)的發(fā)展。目前，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )的HIST互操作性測試認證的11個(gè)主控系統，均是第4代DCS系統，而且在“基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)系統工程指南”中指出：“所有FF功能，包括工程、組態(tài)、維護和操作顯示功能，應集成在單個(gè)無(wú)縫主系統中。工程、組態(tài)、維護和操作性能應能夠與傳統模擬或離散I/O、智能HART和專(zhuān)用I/O、基于總線(xiàn)的I/O和FF系統實(shí)現兼容和無(wú)縫集成。建議不要采用只針對FF并且與傳統系統不兼容的獨立軟件工具、顯示或程序?！睆亩鵀椤癋CS取代DCS”等等觀(guān)點(diǎn)，找到了解決的出路，即共同融合、相輔相成、DCS和FCS雙贏(yíng)的道路。這是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的功勞，因為它能夠使如此復雜的通信要求，在經(jīng)濟適用的條件下完滿(mǎn)的實(shí)現這個(gè)融合的過(guò)程。當然上面所說(shuō)的主控系統，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/VDP/IP協(xié)議靠攏，與工廠(chǎng)管理網(wǎng)絡(luò )兼容，數據共享，逐步形成企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Intranet。