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，找到了解决的出路，即共同融合、相辅相成、DCS和FCS双赢的道路。这是网络技术的功劳，因为它能够使如此复杂的通信要求，在经济适用的条件下完满的实现这个融合的过程。当然上面所说的主控系统，均达到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技术向以太网及TCP/VDP/IP协议靠拢，与工厂管理网络兼容，数据共享，逐步形成企业互联网Intranet。[page]

    3、开放系统互联参改模型

    ISO/OSI参改模型反映了计算机网络通信的工作原理，把通信过程分段，相应把网络功能分为不同的逻辑和物理层次，即不同功能层次完成不同通信阶段的工作。这个过程与邮政信件的邮递过程很相似，即按照收发信者活动、邮局服务业务、邮局转送投递业务(分栋、集装邮包或相反的折封邮包、分栋)、运输部门邮包运输管理来划分层次。计算机网络通信对应分应用层、表示层、会议层、传输层、网络层、数据链路层、物理层共7层，这就是OSI模型。
   
    每一层的功能是独立的，与上下层有关，同等层之间的通信规划形成通信协议。如本文前面提到的IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5同属物理层及数据链路层的介质访问控制(MAC)子层的不同的通信协议。

    实现网络节点各层功能的基本方法是利用硬件实现较低层协议，利用软件实现较高层协议，或低层(1-3层)通信传送功能网络和终端都具有，而高层(4-7层)通信管理功能由终端设备提供。如果某种网络用途较广，更多的采用“专用芯片”等集成电路，则可以获得更高的性价比，而且这往往为某种局域网技术生存的要害。众所周知，商用以太网是一个很好的例子，另外就是Lonworks技术，它得到了Motolora和东芝及后来加入的Cypress公司等器件公司的支持，生产的Neuron神经元芯片中，集成了3个CPU，将相关的OSI模型的7层通过协议包括兼容多种通信介质、Neuron C控制语言、网络变量等，均固化在其中，使通信达到能互操作水平，从而在智能大厦等局域网中得到广泛应用，这也是一个成功的范例。
   
    4、网络产品分类

    如果把各终端节点如何与线缆等通信介质相连的接口卡、连接器及通信介质和一些专门为通信而设置的节点均称为网络产品，加之对办公用或商业用网络产品与工业上管理用和控制用(包括现场总线)的网络产品综合考虑，还要对通信软件等进行分类，将是一个复杂的工作。现在从网络互联的低层设备功能来分，主要有中继器(或称重复器repeater)、网桥(bridge)、路由器(router)、网关(gateway)几种，以上几种均为有源产品。其功能简单地说：中继器为同一种网段上加强信号用；网桥用于同一种通信协议不同传输速率的两个网段的连接；路由器用于更为复杂的采用同一种通信协议的网络进行通信路径选择；网关用于两种不同通信协议的网段或网络之间信号和数据的变换。以上一般均为有源产品。无源产品有T型分支(Tee)、无源多端口集线器(Passivehub)、终端器、电缆、光缆等。
    在实际网络中，商品名词还有接口卡、接口模块、链接设备等，特别是商用以太网的接插器(Connector)、集线器(hub)、交换机(Switches)已成为目前通用的网络产品，它们要用于工业现场还需要根据环境条件进行强化设计，方可成为工业以太网的通用产品。其融合过程是在加速中，在“世纪之交论自动化系统工程产业”一文中所指出的一段话的现象，是不会再出现了(“我们可以用50美圆购买一块以太网卡用于PC机。而XXX生产商要求我们用2000美圆购买同样的东西，这真是疯狂……”)。

    作为网络产品，对于无线数字通信，诸如调制解调器、数传电台等在国内应用已相当广泛，它将随着商用移动通信技术有关数字通信的业务的发展而改变，这将另设专门文章来表述。

    嵌入式系统技术的普及，特别是32位的RM9等处理器嵌入式产品在网络产品中的使用，将使得网络产品智能化程度、价格、体积等方面都有改善，这也促进了网络技术的发展。 
   
    5、关于交换机

    近年来流程工业企业新建的中央控制室的网络中，交换机已广泛使用，特别是网络图中堆叠式交换机的图样很显眼，证明自动化测控系统网络的监控层已在很多行业中采用交换机。谈到交换机，最早用于电话网络中，它把要求通信的输入线和被呼叫的输出线接通……，经过几代产品更新换代，现在已由工作在OSI模型中的第2层发展到工作在第2、3层，即数据链路层和网络层。交换机是多条点线的交换矩阵互连，即把每个端口都挂在一条带宽很高的背板总线上。也可以说第2层交换机称为交换式集线器或多口网桥；第3层交换机除具有第2层交换机功能外，还具有路由器功能，即进行通信路程选择(IP/IPX路由)。关于集线器实质为中继器，当然也属于OSI第2层设备，有MAC子层CSMA/CD算法，即在连接的多个端口中，随机选出某一端口设备，并上连交换机等设备。

    交换机除去封装数据包进行转发、减少冲突域之外，还有隔离广播风暴、网络管理等功能，特别是工业以太网用交换机，还应适应工业环境及做到双电源供电，避免单一电源所造成的数据流失，支持环形网，提供网络冗余，通过安全规范认证，做到断线快速恢复等，正是由于增加了这些功能，所以其价格略高于商业以太网产品，目前赫斯曼、卓越等工业以太网用交换机已得到广泛应用。至于商业用交换机是否可用在工业上的问题，应该因地制宜，具体情况具体分析，正如不少工业企业在系统集成中，操作站使用名牌戴尔计算机而不使用一般工控机的现象，屡见不鲜。
   
    6、系统集成技术与网络技术

    自动化测控系统的基础是3C(Computer、Control、Communication)和1 I(Intefration)，目前又提出了1S(Solution)目标，它的推动力是电控、仪控一体化和管控一体化。系统集成技术与网络技术相辅相成，共同达到在网络上共享数据和信息的目的。系统集成一词流行始于80年代末、90年代初，现在Integrated System和System Integration的界限在逐渐模糊了，这证明系统集成商和最终用户掌握，网络技术的水平在提高，对各种网络或现场总线互联的接口卡的需求在扩大，美国Woodhead公司、Prosoft公司等的几十种接口卡产品和多协议网关(Modbus Ethernet TCP/IP←→Profibus)可以满足系统集成的需求。系统集成技术的发展，在OPC(过程控制的对象链接嵌入)、EDDL和FDT(关于互操作性)、IEC61131-3(关于组态)三个标准推动下，目前又向前发展，2003年发布了ISO15745标准，它解决了系统集成的应用需求和接口两个基本问题，该标准全称为：工业自动化系统和系统集成——开放系统应用集成框架，分为4部分：通用参改描述、以ISO11898标准为基础的控制系统的参改描述、以IEC61158标准为基础的控制系统的参改描述、以以太网标准为基础的控制系统的参改描述。第一部分提出了开放系统的应用集成框架(AIF，Application  Integration  Framework)，它定义了一些元素和规则，构成集成模型来表示应用需求，并开发应用互操作专用规范AIP，这个AIP是接口规范的表示形式，并要求开发AIP时，应用UML、XML等来描述和表达。这些对系统集成技术发展起到了里程碑式作用。自动化测控系统的网络往往牵涉到第二、三、四部分，如基金会现场总线FFHI/FF HSE就与第三、四部分相关，所以它是异构系统的组合，而多种异构系统中，监控层都采用了第四部分的以太网标准，交换机为中心的星形结构比较普遍地被采用，而且冗余技术、安全技术、质量服务等都有较大提高。工业以太网实时向已达到5-10ms，这对于流程工业的控制系统(包括安全系统)、离散工业控制系统(除去少数同步要求高的运动控制系统)，均可以满足要求，所以有把握地说：实践已经证明，现场层采用FF HI等现场总线、监控层采用一般工业以太网是成熟的网络技术，将会在今后普遍被采用。

    在工业以太网推广过程中，还应把Web浏览等互联网技术在工业上应用搞到位，也就是说要让相关的人们可以放心地浏览现场数据，从而在地域方面使生产方式、公用工程管理方式发生变化，起到促进生产力和改进社会服务的作用。
   
    7、结束语

    在参考文献[2]的文章“军用ATE/ATS技术的发展”中提到COTS，在军用信息系统中能把它作为设计原则，所以一般自动化测控系统更应重视COTS原则。COTS原文为Commercial off the sheff technology商业现货技术，这在网络技术方面同样重要，我们应看到自动化测控系统在网络技术方面的共性，把网络产品的价格降下来，使现场总线的“辅助设备”通用化……。COTS与创新是不矛盾的，而且创新成果必须是在商业现货基础以商品的形式出现在市场上的，否则是毫无生命力的，创新开始就要吃透COTS原则。当然要做到集成创新，那就更离不开COTS了。

    把自动化控制系统对网络的需求分类，首先在数据采集系统中推广COTS原则；针对不同行业的需求推广不同的现场总线技术；工业以太网推广过程中，应对工程应用和开发并重。

    检测仪表、执行器的数字化、智能化、网络化是基础，应该在国内大力开发这方面的新产品，同时要在国内建立测试中心，认证中心，开展标准化的工作，确保开放性、可互换性，争取成为国际上认可的产品。