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從自動化測控系統(tǒng)看網(wǎng)絡技術的發(fā)展
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摘要: 進入新世紀,信息化速度在加快,自動化測控系統(tǒng)中,不僅在辦公自動化系統(tǒng),智能大廈自動化系統(tǒng),市政、交通、物流、商業(yè)、銀行等公用工程自動化系統(tǒng)方面的網(wǎng)絡化有很大變化,就連機械制造為生的離散工業(yè)自動化,特別是流程工業(yè)自動化方面也向數(shù)字化、網(wǎng)絡化
Abstract:
Key words :
   進入新世紀,信息化速度在加快,自動化測控系統(tǒng)中,不僅在辦公自動化系統(tǒng),智能大廈自動化系統(tǒng),市政、交通、物流、商業(yè)、銀行等公用工程自動化系統(tǒng)方面的網(wǎng)絡化有很大變化,就連機械制造為生的離散工業(yè)自動化,特別是流程工業(yè)自動化方面也向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方面前進了可喜的一步。特別是最近陸續(xù)開工建設或已試車成功的特大型煉化項目,已經(jīng)在其自動化測控系統(tǒng)中的現(xiàn)場層采用了約1/4的FF(基金會現(xiàn)場總線)等現(xiàn)場總線產(chǎn)品,監(jiān)控層基本采用了高速以太網(wǎng)主流網(wǎng)絡產(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15個裝置集中在一個總控制室操作),系統(tǒng)數(shù)字化程度有了質的飛躍,為管理一體化打下了堅實的基礎。這是對傳統(tǒng)的DCS(分布式控制系統(tǒng))的重大突破。在此“十一五”規(guī)劃開始之年,有必要從自動化測控系統(tǒng)的角度,看一看網(wǎng)絡技術的發(fā)展歷史,溫故而知新。

1 歷史回顧

    電報、電話等出現(xiàn)后,就有了用于信息傳遞的通信網(wǎng)絡,特別是微型計算機出現(xiàn)后,功能不同或地域不同的計算機之間連成網(wǎng)絡,數(shù)字通信技術就由一般單機(主機對終端)、多機通信擴展成計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。自動化測控系統(tǒng)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)展過程如下:

(1)上世紀70年代中期開始出現(xiàn)DCS,這是在并無統(tǒng)一網(wǎng)絡標準的情況下,以大型企業(yè)為主各自完成的。網(wǎng)絡規(guī)模大約節(jié)點有32~64個,通信距離約在1km以內,主要節(jié)點為控制站和操作站,拓撲結構以環(huán)形和總線型為主,通信介質多為同軸電纜,也有采用雙絞線的,通信速率為1Mb/s以內。在控制站、操作站內均有“通信卡”等專用網(wǎng)絡部件。這時期代表性的產(chǎn)品有TDC2000的DHW(數(shù)據(jù)高速公路)總線和CENTUM的F總線等,均采用“令牌總線”通信協(xié)議。數(shù)據(jù)共享方面已做到按工位號操作。這時期代表性均為模擬儀表,少數(shù)專用設備有RS-232/RS-422/RS-485等串口,可與之相連接。這期間通信規(guī)程中有IBM等提出的同步數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程(SDLC)、高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程(HDLC)和國際電報電話資訊委員會的CCITTX.25等。

 (2)在這個期間,在辦公自動化設備發(fā)展中,1975年美國施樂(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)性事務處理的各種通用系統(tǒng)中得到了較大發(fā)展,以太網(wǎng)以載波偵聽多路訪問/沖突檢測方式即CSMA/CD方式進行數(shù)據(jù)通信。

(3)在上述兩方面技術的基礎上,1980年2月,IEEE電子電氣工程師協(xié)會建立了一個委員會(簡稱IEEE802委員會),負責制定局域網(wǎng)標準。又1983年ISO國際標準化組織通過了開放系統(tǒng)互連(OSI,open system interconnection)參考模型,即ISO/OSI參考模型,在此基礎上,1985年IEEE802委員會成立9個分委員會(后來又增加到13個分委員會),其中IEEE802.3負責CSMA/CD網(wǎng),IEEE802.4負責令牌總線網(wǎng),802.5負責令牌環(huán)網(wǎng),其他分委員會分工負責各項有關工作。這些分委員會的工作,后來形成了ISO的標準。這些標準,又統(tǒng)稱為IEEE802標準。

(4)上世紀80年代中后期,有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標準的基礎,出現(xiàn)了第2代、第3代DCS系統(tǒng),其網(wǎng)絡特點為在保證第1代DCS網(wǎng)絡延續(xù)性(即能互連)的前提下,能實現(xiàn)多個裝置DCS互連及全廠各車間互連,向全廠控制網(wǎng)絡的系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡互連方向發(fā)展,當然這期間更新的網(wǎng)絡的系統(tǒng)規(guī)模在擴大,采用光纖,通信距離為原來的數(shù)倍,通信速率提高至10Mb/s或更高,涵蓋工位號是原來的數(shù)倍,工位字符數(shù)由8位字符增至12個字符,而且形成了域的概念,但這期間現(xiàn)場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(shù)據(jù)通信形式的現(xiàn)場儀表在增加,與PLC、分析儀等數(shù)字通信的能力在增強。又不同廠家的DCS的互連已提到日程上來了,DCS內異構的網(wǎng)絡互連在逐步實現(xiàn),其中TDC3000網(wǎng)絡結構最為典型。

(5)PLC可編程控制器在上世紀80年代已由單獨控制器連成中小型規(guī)模以上的系統(tǒng)。1990年前后一臺或多臺PLC通過RS-232/RS-485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SCADA軟件)連成系統(tǒng)。它采用了現(xiàn)成的網(wǎng)絡技術,特別是DDE或OPC數(shù)據(jù)交換軟件技術及IEC61131-3標準的組態(tài)軟件,使PLC系統(tǒng)的開放性、可用性大大提高,成為低成本自動化的典范,現(xiàn)已逐步過渡到21世紀初的工業(yè)以太網(wǎng)為主的網(wǎng)絡,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 3層結構的通信網(wǎng)絡已為人們接受,PLC由原來通信功能較差變成走在網(wǎng)絡化的前列。

(6)現(xiàn)場總線技術在上世紀90年代已經(jīng)形成了開發(fā)的熱潮。它適應了各行業(yè)現(xiàn)場測控方面的需求,形成了多標準并存的局面。FF H1/FF HSE等對過程控制更適合些,Profibus、DeviceNet等對離散控制更適合?;饡F(xiàn)場總線FF H1采用ISO/OSI通信模型的1、2、7層及用戶層,它在現(xiàn)場兩線制供電、防爆、防電磁干擾、防雷擊及冗余、現(xiàn)場控制、互操作性、互換性方面均經(jīng)受了實際工程的較長期的考驗。
FF HSE在與FF H1無縫連接的基礎上,用高速以太網(wǎng)(HSE,high speed Ethernet)完成中央控制室一級或監(jiān)控層的網(wǎng)絡COTS(商業(yè)現(xiàn)貨技術)化的任務,采用了交換機等網(wǎng)絡產(chǎn)品及傳輸層、網(wǎng)絡層的TCP/UDP/IP協(xié)議,保證了系統(tǒng)的開放性和可操作性。

   現(xiàn)場總線技術發(fā)展與現(xiàn)場儀表實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化是分不開的。目前流程工業(yè)用的變送器等現(xiàn)場儀表生產(chǎn)情況是FF占10%,HART占40%、模擬儀表占50%,所以還要重視現(xiàn)場檢測儀表與執(zhí)行器的更新?lián)Q代,才能使現(xiàn)場總線技術普及。

(7)在上世紀90年代之前興起的互聯(lián)網(wǎng)(全球性的廣域網(wǎng))及移動通信、多媒體技術、個人計算機及操作系統(tǒng)網(wǎng)絡支持功能的發(fā)展等,對自動化測控系統(tǒng)的數(shù)字通信技術的影響是非常深刻的。由于互聯(lián)網(wǎng)的普及,“網(wǎng)絡接入業(yè)”的興起,交換機、集成器、5類雙絞銅纜等網(wǎng)絡產(chǎn)品價格下降,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)絡速率由10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s等,所以在自動化測控系統(tǒng)中興起了“工業(yè)以太網(wǎng)”熱。又由于一部分人強調自動化測控系統(tǒng)的確定性和實時性的特點,而在商用以太網(wǎng)基礎上進行改造,形成了多種實時以太網(wǎng),但這只是一個過程,關鍵是性價比能否為用戶認可??傊?,向著自動化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡扁平化、直至“e網(wǎng)到底”的方向發(fā)展,這個趨勢是明顯的,只是有待時日而已。

(8)第4代DCS的出現(xiàn),適應了21世紀初現(xiàn)場總線技術、管控一體化技術的發(fā)展。目前,通過現(xiàn)場總線基金會的HIST互操作性測試認證的11個主控系統(tǒng),均是第4代DCS系統(tǒng),而且在“基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南”中指出:“所有主FF功能,包括工程、組態(tài)、維護和操作性能應能夠與傳統(tǒng)模擬或離散I/O、智能HART和專用I/O、基于總線的I/O和FF系統(tǒng)實現(xiàn)兼容和無縫集成。建議不要采用只針對FF并且與傳統(tǒng)不兼容的獨立軟件工具、顯示或程序。”從而為“FCS取代DCS”等觀點,找到了解決的出路,即共同融合、相輔相成、DCS和FCS雙贏的道路。這是網(wǎng)絡技術的功勞,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地實現(xiàn)這個融合的過程。當然上面所說的主控系統(tǒng),均達到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技術向以太網(wǎng)及TCP/UDP/IP協(xié)議靠攏,與工廠管理網(wǎng)絡兼容、數(shù)據(jù)共享,逐步形成企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Intranet。

2 開放系統(tǒng)互連參考模型

   ISO/OSI參考模型反映了計算機網(wǎng)絡通信的工作原理,把通信過程分段,相應地把網(wǎng)絡功能分為不同的邏輯和物理層次,即不同功能層次完成不同通信階段的工作。OSI模型分為7層,即應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。它與FF H1、FF HSE通信模型之間的比較如圖1所示。


     實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點各層功能的基本方法是利用硬件實現(xiàn)較低層協(xié)議,利用軟件實現(xiàn)較高層協(xié)議。目前已有用“專用芯片”等集成電路實現(xiàn)OSI的功能,其中以太網(wǎng)是一個很好的例子,另外就是LonWorks技術,它的Neuron神經(jīng)元芯片中,集成了3個CPU,將相關的OSI模型的7層通信協(xié)議,包括兼容多種通信介質、NeuronC控制語言、網(wǎng)絡變量等,均固化在其中,使通信達到能互操作水平,從而在智能大廈等局域網(wǎng)中得到廣泛應用,這也是一個成功的范例。

3 網(wǎng)絡產(chǎn)品分類

    如果把各終端節(jié)點如何與線纜等通信介質相連的接口卡、連接器及通信介質和一些專門為通信而設置的節(jié)點均稱為網(wǎng)絡產(chǎn)品,加之對辦公用或商業(yè)用網(wǎng)絡產(chǎn)品與工業(yè)上管理用和控制用(包括現(xiàn)場總線)的網(wǎng)絡產(chǎn)品總和考慮,還要對通信軟件等進行分類,將是一個復雜的工作。現(xiàn)在從網(wǎng)絡互聯(lián)的低層設備功能來分,主要有中繼器(或稱重復器repeater)、網(wǎng)橋(bridge)、路由器(router)、網(wǎng)關(gateway)幾種,以上幾種均為有源產(chǎn)品。無源產(chǎn)品有T型分支(Tee)、無源多端口集線器(passive hub)、終端器、電纜、光纜等。

    在實際網(wǎng)絡中,原來就有的物理層通用標準連接器如RS-232、RS-485等,應用很廣,這也解決了很多簡單的通信需求,而它們的商品形式又是多種多樣的。

    在實際網(wǎng)絡中,產(chǎn)品中還有接口卡、接口模塊、鏈接設備等,特別是商用以太網(wǎng)的接插器(connector)、集線器(hub)、交換機(switches)等。

作為網(wǎng)絡產(chǎn)品,對于無線數(shù)字通信,諸如調制解調器、數(shù)傳電臺等在國內應用已相當廣泛,希望它將隨著商用移動通信技術有關數(shù)字通信的業(yè)務的發(fā)展而改變。

嵌入式系統(tǒng)技術的普及,特別是32位的ARM9等處理器嵌入式產(chǎn)品在網(wǎng)絡產(chǎn)品中的使用,將使得網(wǎng)絡產(chǎn)品智能化程度、價格、體積等方面都有改善,這也促進了網(wǎng)絡技術的發(fā)展。

4 關于交換機

    近年來流程工業(yè)企業(yè)新建的中央控制室的網(wǎng)絡中,交換機已廣泛使用,特別是網(wǎng)絡圖中堆疊式交換機的圖樣很顯眼,證明自動化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡的監(jiān)控層已在很多行業(yè)中采用了交換機。交換機是多條總線的交換矩陣互連,即把每個端口都掛在一條帶寬很高的背板總線上。

   交換機除去封裝數(shù)據(jù)包進行轉發(fā)、減少沖突域之外,還有隔離廣播風暴、網(wǎng)絡管理等功能,特別是工業(yè)以太網(wǎng)用交換機,還應適應工業(yè)環(huán)境及做到雙電源供電,避免單一電源所造成的數(shù)據(jù)流失,支持環(huán)形網(wǎng),提供網(wǎng)絡冗余,通過安全規(guī)范認證,做到斷線快速恢復等,正是由于增加了這些功能,所以其價格略高于商業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。目前赫斯曼、卓越等工業(yè)以太網(wǎng)用交換機已得到廣泛應用。至于商業(yè)用交換機是否可用在工業(yè)上的問題,應該因地制宜,具體情況具體分析,正如不少工業(yè)企業(yè)在系統(tǒng)集成中,操作站使用名牌戴爾計算機而不使用一般工控機的現(xiàn)象,屢見不鮮。

5 系統(tǒng)集成技術與網(wǎng)絡技術

    自動化測控系統(tǒng)的基礎是3C(computer,control,communication)和1I(integration),目前又提出1S(solution)目標,它的推動力是電控、儀控一體化和管控一體化。系統(tǒng)集成技術與網(wǎng)絡技術相輔相成,共同達到在網(wǎng)絡上共享數(shù)據(jù)和信息的目的。系統(tǒng)集成一詞的流行始于上世紀80年代末、90年代初,現(xiàn)在Integrated System和System Integration的界限在逐漸模糊,這證明系統(tǒng)集成商和最終用戶掌握網(wǎng)絡技術的水平在提高,對各種網(wǎng)絡或現(xiàn)場總線互聯(lián)的接口卡的需求在擴大。美國Woodhead公司、Prosoft公司等的幾十種接口卡產(chǎn)品和多協(xié)議網(wǎng)關(Modbus Ethernet TCP IP Profibus)可以滿足系統(tǒng)集成的需求。系統(tǒng)集成技術的發(fā)展,在OPC(過程控制的對象鏈接嵌入)、EDDL和FDT(關于互操作性)、IEC61131-3(關于組態(tài))等3個標準推動下,目前又向前發(fā)展,2003年發(fā)布了ISO15745標準,它解決了系統(tǒng)集成的應用需求和接口兩個基本問題。該標準全稱為:工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成——開放系統(tǒng)應用集成框架。它分為4部分,第1部分提出了開放系統(tǒng)的應用集成框架(AIF,application integration framework)。自動化測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡往往牽涉到它的第2、3、4部分,如基金會現(xiàn)場總線FF H1/FF HSE就與第3、4部分相關,所以它是異構系統(tǒng)的組合,而多種異構系統(tǒng)中,監(jiān)控層都采用了第4部分的以太網(wǎng)標準,交換機為中心的星型結構比較普遍地被采用,而且冗余技術、安全技術、質量服務等都有較大提高。工業(yè)以太網(wǎng)實時響應時間已打倒5~10ms。這對于流程工業(yè)的控制系統(tǒng)(包括安全系統(tǒng))、離散工業(yè)控制系統(tǒng)(除去少數(shù)同步要求高的運動控制系統(tǒng)),均可以滿足要求。所以有把握地說:實踐已經(jīng)證明,現(xiàn)場層采用FF H1等現(xiàn)場總線、監(jiān)控層采用一般工業(yè)以太網(wǎng)是成熟的網(wǎng)絡技術,將會在今后普遍被采用。

6 結束語

(1)在參考文獻〔2〕中提到COTS,在軍用信息系統(tǒng)中能把它作為設計原則,所以一般自動化測控系統(tǒng)更應重視應用COTS,把網(wǎng)絡產(chǎn)品的價格降下來,使現(xiàn)場總線的“輔助設備”通用化。
(2)把自動化測控系統(tǒng)對網(wǎng)絡的需求進行分類,首先在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中推廣COTS;針對不同行業(yè)的需求推廣不同的現(xiàn)場總線技術;工業(yè)以太網(wǎng)推廣過程中,應對工程應用和開發(fā)并重。
(3)檢測儀表,執(zhí)行器的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化是基礎,應該在國內大力開發(fā)這方面的新產(chǎn)品,同時要在國內建立測試中心、認證中心,開展標準化的工作,確保開放性、可操作性、可互換性,爭取成為國際上認可的產(chǎn)品。
(4)在自動化行業(yè)中應進一步普及網(wǎng)絡技術,雖然已有十幾種相關書籍,但為用戶辦學習班等方式仍很重要。中國儀器儀表學會和北京合成網(wǎng)絡公司合作,在這方面為廣大用戶服務做出榜樣,值得推廣。

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