編者語：隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革车榆，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展厌留。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計算機(jī)集中控制系統(tǒng)）耙钉，到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)）囊像，發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）。對諸如圖像卡竣、語音信號等大數(shù)據(jù)量禾门、高速率傳輸?shù)囊螅执呱水?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合蝴韭。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)够颠、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來榄鉴，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間履磨，帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

　　計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

　　計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系牢硅。最早在50年代中后期蹬耘，計算機(jī)就已經(jīng)被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。60年代初减余，出現(xiàn)了由計算機(jī)完全替代模擬控制的控制系統(tǒng)综苔，被稱為直接數(shù)字控制（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期位岔，隨著微處理器的出現(xiàn)如筛，計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入一個新的快速發(fā)展的時期，1975年世界上第一套以微處理為基礎(chǔ)的分散式計算機(jī)控制系統(tǒng)問世抒抬，它以多臺微處理器共同分散控制杨刨，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中管理，被稱為集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）擦剑。

　　進(jìn)入80年代以后吊冬，人們利用微處理器和一些外圍電路構(gòu)成了數(shù)字式儀表以取代模擬儀表，這種DDC的控制方式提高了系統(tǒng)的控制精度和控制的靈活性婉涌，而且在多回路的巡回采樣及控制中具有傳統(tǒng)模擬儀表無法比擬的性能價格比量伏。

　　80年代中后期，隨著工業(yè)系統(tǒng)的日益復(fù)雜夏坝，控制回路的進(jìn)一步增多畴贵，單一的DDC控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)控制要求和生產(chǎn)工作的管理要求，同時中小型計算機(jī)和微機(jī)的性能價格比有了很大提高花脐。于是幅秉，由中小型計算機(jī)和微機(jī)共同作用的分層控制系統(tǒng)得到大量應(yīng)用。

　　進(jìn)入90年代以后戚吕，由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展渠跷，使得DCS系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展袄洁，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，在今天的工業(yè)控制領(lǐng)域DCS仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位斑泳，但是DCS不具備開放性孝承，布線復(fù)雜，費(fèi)用較高末捣，不同廠家產(chǎn)品的集成存在很大困難侠姑。

　　從八十年代后期開始，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展箩做，許多傳感器莽红、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(shè)備智能化邦邦，人們便開始尋求用一根通信電纜將具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接起來安吁，在設(shè)備層傳遞的不再是I/ O（4～2 0 m A/ 2 4VDC）信號，而是數(shù)字信號燃辖，這就是現(xiàn)場總線鬼店。由于它解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性和開放性問題，現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸成為了計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢黔龟。從那時起妇智，一些發(fā)達(dá)的工業(yè)國家和跨國工業(yè)公司都紛紛推出自己的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品，形成了群雄逐鹿之勢氏身。

　　信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的關(guān)系

　　從發(fā)展歷程看巍棱，信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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)歷了如下幾個發(fā)展階段：

　“觥①基于主機(jī)的集中模式

　　由功能強(qiáng)大的主機(jī)完成幾乎所有的計算和處理任務(wù)穴你，用戶和主機(jī)的交互很少。

　〔粗②基于工作組的分層結(jié)構(gòu)

　　微機(jī)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乓收，共享某些公共資源，用戶之間的交流和協(xié)作得到了加強(qiáng)者侄。

　⌒酉亍③基于Internet/Intranet/Extranet的網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)組織

　　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使它成為現(xiàn)代信息技術(shù)的主流，特別是Internet的發(fā)展和普及應(yīng)用使它成為公認(rèn)的未來全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的雛形晚号。采用 Internet成熟的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，人們提出了Intranet和Extranet的概念卫驯，分別用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和企業(yè)外聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)殃忠，于是便形成了以 Intranet為中心，以Extranet為補(bǔ)充毫痢，依托于Internet的新一代企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施（企業(yè)網(wǎng)）趾始。

　　計算機(jī)控制系統(tǒng)也是經(jīng)歷了集中控制秉馏、分層控制、基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制等幾個發(fā)展階段脱羡，它們的發(fā)展過程是非常相似的萝究。

　　隨著企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的深入應(yīng)用與日臻完善，現(xiàn)場控制信息進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控是必然的趨勢锉罐。為提高企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益帆竹，許多企業(yè)都在盡力建立全方位的管理信息系統(tǒng)，它必須包括生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)信息脓规，以確保實(shí)時掌握生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀態(tài)栽连，使企業(yè)管理決策科學(xué)化，達(dá)到生產(chǎn)侨舆、經(jīng)營秒紧、管理的最優(yōu)化狀態(tài)。信息一控制一體化將為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業(yè)信息化創(chuàng)造有利條件挨下。

　　企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)發(fā)展過程上的相似性不是偶然的熔恢。在計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)總是滯后于相應(yīng)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展臭笆。實(shí)際上叙淌，大多數(shù)情況下，正是在計算機(jī)領(lǐng)域一種新技術(shù)出現(xiàn)以后圾董，人們才開始研究如何將這種新技術(shù)應(yīng)用于控制領(lǐng)域钱淳。鑒于兩種應(yīng)用環(huán)境的差異，其中的技術(shù)細(xì)節(jié)作了適當(dāng)修改和補(bǔ)充几谐，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)上恳瞄，它們有許多共同的地方。正是由于二者在發(fā)展過程中的這種關(guān)系坊欢，使得實(shí)現(xiàn)信息一控制一體化成為可能漩践。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　在40年代，過程控制是基于3～15PSI的氣動標(biāo)準(zhǔn)信號甥归。其后肝唁，由于4～20mA模擬信號的使用，使得模擬控制器得到了廣泛應(yīng)用卑保，但是并不是所有的傳感儀表和驅(qū)動裝置都使用統(tǒng)一的4～20mA信號处冰。70年代，由于在檢測天俺、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計算機(jī)赞辩，從而產(chǎn)生了集中控制。進(jìn)入80年代授艰，由于微處理器的出現(xiàn)辨嗽，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數(shù)字化和智能化的時代世落，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數(shù)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)展糟需，促進(jìn)了控制屉佳、調(diào)度、優(yōu)化洲押、決策等功能一體化的發(fā)展武花。然而由于檢測、變送诅诱、執(zhí)行等機(jī)構(gòu)大都采用模擬信號連接髓堪，其傳送方式是一對一結(jié)構(gòu)，這使得接線復(fù)雜娘荡，工程費(fèi)用高干旁，維護(hù)困難，而信號傳輸精度底炮沐，易受干擾朋暴，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統(tǒng)的功能發(fā)揮碉伙。另一方面下抬，由于智能儀表的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)場模擬儀表，如對量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)定真译，儀表工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自診斷紧燎，能進(jìn)行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的補(bǔ)償?shù)取Ｓ纱丝梢娾椋悄軆x表和控制系統(tǒng)的發(fā)展戒款，都要求上層系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。

　　為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿足現(xiàn)場的需要,現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它實(shí)際上是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備的雙向串行执寺、數(shù)字式区孩、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò),也被稱為現(xiàn)場底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。和Internet洞惕、Intranet等類型的信息網(wǎng)絡(luò)不同,控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過程,因此要求很高的實(shí)時性刑嚷、可靠性、資料完整性和可用性竟坛。為滿足這些特性,現(xiàn)場總線對標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡化,省略了一些中間層,只包括ISO/OSI7 層模型中的3層：物理層闽巩、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

　　現(xiàn)場總線在發(fā)展的最初,各個公司都提出自己的現(xiàn)場總線協(xié)議担汤。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線作為國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),其中包括 CAN Bus又官、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus六敬、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基礎(chǔ)上形成了新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System FCS）驾荣。它綜合了數(shù)字通信技術(shù)外构、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)播掷、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(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”式的模擬信號或數(shù)字———模擬信號控制的局限性,構(gòu)成一種全分散审编、全數(shù)字化、智能歧匈、雙向垒酬、互連、多變量嚎猛、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)薛苫。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為3層：設(shè)備層拉鳄、控制層和信息層排貌。

　　雖然現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展非常迅速,但也存在許多問題,制約其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

　〉矢！（1）首先是現(xiàn)場總線的選擇投谅。雖然目前IEC組織已達(dá)成了國際總線標(biāo)準(zhǔn),但總線種類仍然過多,而每種現(xiàn)場總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域,如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對象,將不同層次的現(xiàn)場總線組合使用,使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場總線,對用戶來說,仍然是比較棘手的問題。

　≡蚬场（2）系統(tǒng)的集成問題蘑劲。由于實(shí)際應(yīng)用中一個系統(tǒng)很可能采用多種形式的現(xiàn)場總線,因此如何把工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫的集成,從而使整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管控一體化,是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)場總線系統(tǒng)在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)布局時,不僅要考慮各現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的距離,還要考慮現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系檀巡、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動情況等似魄。由于智能化現(xiàn)場儀表的功能很

　　強(qiáng),因此許多儀表會有同樣的功能塊,組態(tài)時選哪個功能塊是要仔細(xì)考慮的;要使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動最小化。同時通信參數(shù)的組態(tài)也很重要,要在系統(tǒng)的實(shí)時性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡班聂。

　「涂俊（3）存在技術(shù)瓶頸問題。主要表現(xiàn)在：

　　a.當(dāng)總線電纜截斷時,整個系統(tǒng)有可能癱瘓霍衫。

　　用戶希望這時系統(tǒng)的效能可以降低,但不能崩潰,這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場總線不能保證候引。

　　b.本安防爆理論的制約。現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長度和總線上負(fù)載的數(shù)量敦跌。這就是限制了現(xiàn)場總線節(jié)省線纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮澄干。目前各國都在對現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念（FISCO）理論加強(qiáng)研究,爭取有所突破。

　　C.系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過分復(fù)雜∧現(xiàn)場總線的組態(tài)

　　參數(shù)很多,不容易掌握,但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞,對系統(tǒng)性能影響很大麸俘。

　　以太控制網(wǎng)絡(luò)

　　控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,其基本趨勢是逐漸趨向于開放性、透明的通訊協(xié)議。上述出現(xiàn)的問題,根本原因在于現(xiàn)場總線的開放性是有條件的从媚、不徹底的逞泄。以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗拜效、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢,由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用喷众。近些年來,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這主要是由于工業(yè)自動化系統(tǒng)向分布化紧憾、智能化控制方面發(fā)展,開放的到千、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。目前的現(xiàn)場總線由于種類繁多,互不兼容,尚不能滿足這一要求块生。而以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的開放性使得在工控領(lǐng)域通訊這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有無可比擬的優(yōu)勢稻诚。

　　目前存在的問題

　　通常我們考慮將控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，主要將網(wǎng)絡(luò)化與現(xiàn)場總線聯(lián)系在一起廓蒜。目前在控制領(lǐng)域較有影響的現(xiàn)場總線系統(tǒng)有：FF辖狞、 LonWorks、 Profibus漓蜗、 CAN 岳散、 HART，以及RS485的總線網(wǎng)絡(luò)等◇λ。現(xiàn)場總線基金會己經(jīng)制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（（FF）眠煮，其慢速總線標(biāo)準(zhǔn)Hl已得到通過成為國際標(biāo)準(zhǔn)，其高速總線標(biāo)準(zhǔn)H2還在制訂中膳几。但是由于商業(yè)利潤茴审、技術(shù)壟斷等原因，目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品仍然是百花齊放的局面启疙，這對降低系統(tǒng)成本躁绸，擴(kuò)大應(yīng)用范圍產(chǎn)生不利影響。

　　以太網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用臣嚣，目前主流產(chǎn)品的速度己經(jīng)達(dá)到100Mbps净刮，千兆以太網(wǎng)也己經(jīng)投入使用，其網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和軟件發(fā)展速度很快硅则。以太網(wǎng)以成本低淹父、組網(wǎng)方便、軟硬件豐富怎虫、可靠性高等特點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)可暑认。

　　Internet飛速發(fā)展的主要原因在于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，TCP/IP協(xié)議是極其靈活的大审，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)底層技術(shù)都可用于傳輸TCP/IP的通信蘸际。應(yīng)用TCP/IP的以太網(wǎng)已經(jīng)成為最流行的分組交換局域網(wǎng)技術(shù)座哩，同時也是最具開放性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　由此粮彤，我們考慮將Internet及其相關(guān)技術(shù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)中根穷，利用Internet上開放的、并且己經(jīng)成熟的技術(shù)對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造逛径，加快工業(yè)企業(yè)的信息一控制一體化進(jìn)程撼烹，不失為一種較為可行的問題解決方案。

　　然而匕憋，從目前趨勢來看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場控制級毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來,它還難以完全取代現(xiàn)場總線,作為實(shí)時控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)久泞。已有的現(xiàn)場總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)族帅。

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