自动化控制系统网络技术的发展

1、引言          新世纪以来，信息化速度在加快。自动化控制系统中，不仅在办公自动化系统、智能大厦自动化系统、市政、交通、物流、商业、银行等公用工程自动化系统方面的网络化有很大变化，就连机械制造为主的离散工业自动化，特别是流程工业自动化方面也向数字化、网络化、智能化方面前进了可喜的一步。特别是最近陆续开工建设或已试车成功的特大型炼化项目，已经在其自动化控制系统中的现场层采用了约1/4的FF(基金会现场总线)等现场总线产品，监控层基本采用了高速以太网主流网络产品，逐步做到控制彻底分散、操作显示及管理高度集中(全厂15个装置集中在一个总控制室操作)，系统数字化程度有了质的飞跃，为管控一体化打下了坚实的基础。这是对传统DCS的重大突破。在此十一五规划开始之年，有必要从自动化控制系统的角度，看一看网络技术的发展历史，温故而知新。 2、历史回顾          电报、电话等出现后，就有了用于信息传递的通信网络，特别是微型计算机出现后，功能不同或地域不同的计算机之间连成网络，数字通信技术就由一般单机(主机对终端)、多机通信扩展成计算机网络系统。自动化控制系统是一种完成测量和控制功能的分布式计算机局域网，其发展过程如下： 2.1 70年代DCS初级通讯系统         上世纪70年代中期开始出现DCS分散型控制系统，这是在并无统一网络标准的情况下，以大型企业为主各自完成的。网络规模大约节点有32-64个，通信距离约在1公里以内，主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环形和总线型为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通信速率为1Mbps以内。在控制站、操作站内均有“通信卡”等专用网络部件。这时期代表性的产品有TDC2000的DHW(数据高速公路)总线和CENTUM的F总线等，均采用“令牌总线”通信协议。数据共享方面已做到按工位号操作。这时现场仪表均为模拟仪表，少数专用设备有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可与之相链接。这期间通信规程中有IBM等提出的同步数据链路规程(SDLC)、高级数据链路规程(HDLC)和国际电报电话咨询委员会的CCITTX.25等。 2.2 1975年推出以太网(Ethernet)         1975年美国施乐(Xerox)公司推出了以太网(Ethernet)，以后3COM等多家供应商参与，在此基础上形成的以太网局域网，在突发性事务处理的各种通用系统中得到了较大发展，以太网以载波侦听多路访问/冲突检测方式即CSMA/CD方式进行数据通信。 2.3 始于1980年的ISO/OSI参考模型与IEEE802家族标准         在上述两方面技术的基础上，1980年2月，IEEE电子电气工程师协会建立了一个委员会(简称IEEE802委员会)，负责制定局域网标准。又1983年ISO国际标准化组织通过了开放系统互联参改模型(OSI，Open System Interconnection)即ISO/OSI参考模型，在此基础上，1985年IEEE802委员会成立9个分委员会，(后来又增加成13个委员会)(为22个分委员会)，其中IEEE802.3负责CSMA/CD网，IEEE802.4负责令牌总线网，802.5负责令牌环网(其他分委员会负责高层接口、逻辑电路控制、广域网、宽带、光纤、数据和语音综合网络、可互操作的局域网的安全、无线局域网、有限高速局域网、有线电视等)，这些分委员会的工作，后来形成了ISO的标准，而我们对这些标准，又统称为IEEE802标准。 2.4 80年代中后期DCS通讯网络发展里程碑——TDC3000网络         80年代中后期，有了上述ISO/OSI参考模型和IEEE802标准基础，出现了第二代、第三代DCS系统，其网络特点为在保证第一代DCS网络延续性(即能互连)的前提下，能实现多个装置DCS互联及全厂各车间互联，向全厂控制网络与管理网络互联方向发展，当然这期间更新的网络的系统规模在扩大，采用光纤，通信距离为原来数倍，通信速率提高至10Mbps或更高，涵盖工位号是原来的数倍，工位字符数由8位字符增至12个字符，而且形成了域的概念，但这期间现场仪表仍以模拟仪表或HART标准的仪表为主，只是远程I/O的数据通信型式的现场仪表在增加，与PLC、分析仪等数字通信的能力增强。又不同厂家的DC的互联问题已提到日程上来了，DCS内异构的网络互联在逐步实现，其中TDC3000网络结构最为典型。DHW(250Kpbs)通过HG(数据高速通道的)与LCN(局部控制网络)相连；与DHW相当的新开发的总线VCN(万能控制网络)通过NIM(网络接口模件)与LCN相连。LCN网络可接645模件，通信速率为5Mbps，采用同轴电缆，通信距离为300米(光纤通信时为2000米)，用于控制室内操作站、应用模件、历史模件上位机接口(CG)等互连，并通过DHW、VCN与控制站相连，通向现场，LCN采用一种专有的含误差检查的“令牌传递”协议。CG与现套接口软件CM50S、CM50N配合保证与上位机相连，完成工厂管理的和高级控制的功能。VCN可按63个模件(32个冗余设备)，通信速率为5Mbps，采用电轴电缆，通信距离300米，其上接控制站PM、APM、LM等，UCN及LCN已经参考了IEEE802.4通信模型。 2.5 80年代后起之秀的PLC多层通讯          PLC可编程控制器在80年代已由单独控制器连成中小型规模以上的系统，1990年前后一台或多台PLC通过RS232/RS485串口与1台或多台PC机(操作站内装HMI人机界面和组态软件或称SCADA软件)连成系统，它采用了现成的网络技术，特别是DDE或OPC数据交换软件技术及IEC61131-3标准的组态软件，使PLC系统的开放性、可用性大大提高，成为低成本自动化的典范，现已逐步过渡到21世纪初的工业以太网为主的网络，而且由罗克韦尔公司牵头的CIP通用工业协议(Common Industrial Protocol)已经形成，DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP三层结构的通信网络，已为人们接受，PLC由原来通信功能较差变成走在网络化的前列。 2.5 90年代现场总线热潮方兴未艾         现场总线技术在90年代已经形成了开发的热潮，它适应了各行业现场测控方面的需求，形成了多标准并存的局面，细分传送数据宽度的位级的传感器总线，传送数据宽度为字节级的设备总线、传送数据宽度为数据流或功能块级的现场总线，FF HI/FF HSE等对过程控制更适合些，Profibus、Device Net等对离散控制更适合。基金会现场总线FF HI采用了ISO/OSI通信模型的1、2、7层及用户层，它在现场两线制供电、防爆、防电磁干扰、防雷击及冗余、现场控制(PID单回路调节、串级调节、选择性调节、比值调节等常规控制均在现场完成)、互操作性、互换性方面均经受了实际工程的较长期的考验。FFHI在通信上考虑了网段上各种设备的特点及现场传输信号的特点，为多年相关经验的总结。把现场总线设备的通信连接(一种软连接)这种虚拟通信系统VCR(Virtual Communication Relationship)分成三种类型，即设置参数或改变操作方式的客户/服务器型(C/S)、刷新功能块的输入输出的发行者/预定者型(P/S)、事件报告、趋势报告的报告分发型(S/S 源点/受点)，并且利用对象字典(OD)、设备描述语言(DDL)及用户层的功能块应用过程等，完成自动化系统测量数据采集、控制回路任务，及保证可互操作性。FF HSE在与FF HI无缝连接的基础上，用高速以太网(HSE:High Speed Ethernet)完成中央控制室一级或监控层的网络COTS化的任务，采用了交换机等网络产品及传输层、网络层的TCP/VDP/IP协议，保证了系统的开放性和可互操作性。          现场总线技术发展与现场仪表实现数字化、网络化、智能化是分不开的，目前流程工业用的变送器等现场仪表生产情况是FF占10%、HART占40%、模拟仪表占50%，所以还要重视现场检测仪表与执行器的更新换代，才能使现场总线技术普及。 2.6 “e网到底”前程似锦        在90年代之前兴起的互联网(全球性的广域网)，及移动通信、多媒体技术、个人计算机及操作系统网络支持功能的发展等，对自动化测控系统的数字通信技术的影响是非常深刻的。由于互联网的普及，“网络接入业”的兴起，交换机、集线器、5类双绞铜缆等网络产品价格下降，以太网及互联网协议簇(包括TCP/IP等)的应用技术深入到各种连网设备中，传输方式由基带向载波、宽带等方式发展，网络速率由10M提升至100M、1000Mbps等，所以在自动化测控系统中兴起了“工业以太网”热，又由于一部分人强调自动化测控系统的确定性和实时性的特点，而在商用以太网基础上进行改造，形成了多种实时以太网，但这只是一个过程，关键是性价比能否为用户认可。总之，向着自动化测控系统网络扁平化、直至“e网到底”的方向发展，这个趋势是明显的，只是有待时日而已！ 2.7 新世纪FCS与DCS孰是孰非         第4代DCS的出现，适应了21世纪初现场总线技术，管控一体化技术的发展。目前，通过现场总线基金会的HIST互操作性测试认证的11个主控系统，均是第4代DCS系统，而且在“基金会现场总线系统工程指南”中指出：“所有FF功能，包括工程、组态、维护和操作显示功能，应集成在单个无缝主系统中。工程、组态、维护和操作性能应能够与传统模拟或离散I/O、智能HART和专用I/O、基于总线的I/O和FF系统实现兼容和无缝集成。建议不要采用只针对FF并且与传统系统不兼容的独立软件工具、显示或程序。”从而为“FCS取代DCS”等等观点，找到<< p="">