工业控制网络发展

工业控制系统的网络化发展及现状研究

发布: 2009-10-26 | 作者: | 来源:

0引言

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。

1计算机控制系统的发展

计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）。70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）。

进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。

80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC 控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。

进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。

从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。

2信息网络与控制系统的关系

从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。企业信息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段：

①基于主机的集中模式

由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。

②基于工作组的分层结构

微机和局域网技术的发展使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资源，用户之间的交流和协作得到了加强。

③基于Internet/Intranet/Extranet的网络化企业组织

计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的发展和普及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用Internet成熟的技术和标准，人们提出了Intranet和Extranet的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于是便形成了以Intranet为中心，以Extranet为补充，依托于Internet的新一代企业信息基础设施（企业网）。

计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的网络控制等几个发展阶段，它们的发展过程是非常相似的。

随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽力建立全方位的管理信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，

使企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信息一控制一体化将为实现企业综合自动化CIPA（computerintegratedplantautomation）和企业信息化创造有利条件。

企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然的。在计算机控制系统的发展过程中，每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新技术出现以后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。鉴于两种应用环境的差异，其中的技术细节作了适当修改和补充，但关键技术的原理及实现上，它们有许多共同的地方。正是由于二者在发展过程中的这种关系，使得实现信息一控制一体化成为可能。

3现场总线技术的研究现状

在40年代，过程控制是基于3～15PSI的气动标准信号。其后，由于4～20mA 模拟信号的使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的4～20mA信号。70年代，由于在检测、模拟控制和逻辑控制领域率先使用了计算机，从而产生了集中控制。进入80年代，由于微处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，4～20mA模拟信号传输逐步被数字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进了控制、调度、优化、决策等功能一体化的发展。然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接，其传送方式是一对一结构，这使得接线复杂，工程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥。另一方面，由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实现自诊断，能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由此可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现数字通信。

为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同,控制网络直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性,现场总线对标准的网络协议作了简化,省略了一些中间层,只包括

ISO/OSI7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。

现场总线在发展的最初,各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总线作为国际现场总线标准,其中包括CANBus、ProfitBus、

InterBus-S、ModBus、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字———模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS 的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层。

虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进一步扩大。

（1）首先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准,但总线种类仍然过多,而每种现场总线都有自己最合适的应用领域,如何在实际中根据应用对象,将不同层次的现场总线组合使用,使系统的各部分都选择最合适的现场总线,对用户来说,仍然是比较棘手的问题。

（2）系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线,因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成,从而使整个系统实现管控一体化,是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时,不仅要考虑各现场节点的距离,还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强,因此许多仪表会有同样的功能块,组态时选哪个功能块是要仔细考虑的;要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要,要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。

（3）存在技术瓶颈问题[2]。主要表现在：

a.当总线电缆截断时,整个系统有可能瘫痪。

用户希望这时系统的效能可以降低,但不能崩溃,这一点目前许多现场总线不能保证。

b.本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质安全概念（FISCO）理论加强研究,争取有所突破。

C.系统组态参数过分复杂。现场总线的组态

参数很多,不容易掌握,但组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大。

4以太控制网络

控制网络的发展,其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。上述出现的问题,根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前的现场总线由于种类繁多,互不兼容,尚不能满足这一要求。而以太网的TCP/IP协议的开放性使得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。

5目前存在的问题

通常我们考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在一起。目前在控制领域较有影响的现场总线系统有：FF、LonWorks、Profibus、CAN、HART，以及RS485的总线网络等。现场总线基金会己经制定的统一标准（（FF），其慢速总线标准Hl已得到通过成为国际标准，其高速总线标准H2还在制订中。但是由于商业利润、技术垄断等原因，目前现场总线产品仍然是百花齐放的局面，这对降低系统成本，扩大应用范围产生不利影响。

以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度己经达到100Mbps，千兆以太网也己经投入使用，其网络产品和软件发展速度很快。以太网以成本低、组网方便、软硬件丰富、可靠性高等特点得到了广泛的认可。

Internet飞速发展的主要原因在于以太网和TCP/IP协议的广泛应用，TCP/IP

协议是极其灵活的，几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP/IP的通信。应用TCP/IP 的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。

由此，我们考虑将Internet及其相关技术集成到现有控制系统中，利用Internet 上开放的、并且己经成熟的技术对现有的控制系统进行升级改造，加快工业企业的信息一控制一体化进程，不失为一种较为可行的问题解决方案。

6总结

从目前趋势来看,工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来,它还难以完全取代现场总线,作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍将继续存在,最有可能的是发展一种混合式控制系统。

工业控制网络结构的发展趋势

2006-3-20 来源：机电商情网收藏此信息推荐给好友

1前言

随着网络技术的发展，Internet正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础上，传统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展，形成了新的控制网络。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统)，到第二代的DCS (集散控制系统)，发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)。而新一代的工业Ethernet控制系统又将引起工控领域新的变革。

2工业控制系统的回顾

本世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统CCS(计算机集中控制系统)，其结构如图2—1所示。

在CCS中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，例如复杂控制算法和协调控制。从而使自动控制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成控制网络体系。CCS在集中控制的同

时也集中了危险，系统可靠性很低。由于只有一个CPU工作，实时性差。系统越大，上述缺点越突出。

真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统：分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)，其结构如图2—2所示。目前所使用的D CS有环形、总线形和分级式几种，其中分级式应用最为普遍。

典型的DCS可分为操作站级、过程控制级和现场仪表3级。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。

然而DCS的缺点也是十分明显的。首先其结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦

发生故障，整个系统就会“瘫痪”。其次它是一种数字——模拟混合系统，DCS 的现场仪表仍然使用传统的4～20mA电流模拟信号，传输可靠性差，成本高。再有各厂家的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。

3现场总线控制网络系统

为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运而生，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。和Internet、Int ranet等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议作了简化，省略了一些中间层，只包括ISO／OSI7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。

现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票，确定了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括CA N Bus、Profit Bus、InterBus S、Mod Bus、FOUNDATION Fieldbus等等。

而在此基础上形成了新的现场总线控制系统(Fieldbus Control System FC S)。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字——模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。

以太网已成为工业控制网络的发展方向

1 现场总线控制系统的优缺点

1.1现场总线控制系统的优越性

现场总线控制系统使工业过程控制发生了很大变化，它具有如下优越性：

（l）现场总线使得智能变送器中安装的微处理器能够直接与数字控制系统通信，而不要I／O转换，节约了费用；

（2）现场总线可以取代每个传感器到控制器的单独布线，大大减少了连线费用；

（3）现场总线可以将一些先进功能，如线性化、工程量转换以及报警处理等赋予现场总线仪表，提高了现场仪表的精度和可靠性；

（4）现场总线提高了控制精度，这意味着应用数字信号所受到的限制将主来自传感器的精度：

（5）现场总线可提供控制装置与传感器、执行器之间的双向通信，方便了操作员

与被控设备之间的交互。

（6）现场总线使得专门根据现场总线开发的现场仪表的使用成为可能，并将最终取代单变量模拟仪表，减少了仪表的购置、安装与维修费用；

（7）现场总线的开放性将使用户有可能对备仪表厂商的产品任意进行选择，井组成系统，而不必考虑接口是否匹配。

1.2现场总线的不足

现场总线有其突出的优点，但也有其明显的不足之处，主要表现在以下两点

（l）现场总线没有单一的国际标准

各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准。而经14年的纷争， 2000年初8种现场总线成为IEC现场总线国际标准子集。这一结果令人失望，也违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。尽管基金会现场总线试图推出中立和公正、防止任何技术垄断、广泛性的体系结构和标准，但至今仍有一些标准未能取得一致通过，并且迟迟未见产品问世。现场总线真正实现开放性任重而道远。在这种情况下，多种现场总线并存，共存于一个系统已成为客观事实。

（2）现场总线的系统开发困难，开放性有一定的局限性

FF， Lon Works， CAN等现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包。这需要较昂贵的代价，往往只有开发商、研究机构才能有这类开发工具，一般用户则无能为力。这说明现场总线的开放性仍有一定的局限性。许多技术人员正致力于现场总线图形化节点软件开发工具的研究工作。

当现场总线由于以上不足而停滞不前时，人们开始寻找新的出路，以太网进入了人们的视线。

2 工业以太网的产生及发展现状

以太网是目前应用最广泛的通信网络之一。90年代中期，当现场总线大战正浓时，传统用于办公室和商业的以太网开始进入工业控制领域

2.1 以太网技术

以太网是在1972年发明的。由于种种原因，Xerx、Dec、Intel等公司联合起来开发以太网产品；1979年9月Xerox、Dec、Intel等公司联合推出了“以太网，一种局域网：数据链路层和物理层规范1.0版”，这就是著名的以太网蓝皮书，也称为DIX

版以太网 1.0规范。最初的以太网采用10MbpS速率和带有冲突检测的多路载波侦听协议（CSMA／CD）。在DIX开展以太网标准化工作的同时，世界性专业组织IEEE也组成了一个定义与促进工业LAN标准的委员会——IEEE802委员会。1981年 6月，IEEE802委员会决定成立 8023分委员会，以产生基于DIX工作成果的国际公认标准。1983年，新的IEEE802.3草稿标准最终以 IEEE 10BASES面世，它包括。别参考模型的物理层和数据链路层。这是第一个以太网规范。此后，各大公司相继推出了自己的以太网产品，并且随着个人计算机迅速占领市场而得到了迅速的发展。

当前，以太网结合TCP／IP是目前应用最广泛的局域网技术之一。以太网最初是作为非实时通信网络出现的，采用带有冲突检测的多路载波侦听协议（CSMCD）和二进

制指数回退算法（Bim Expohential Back-off）处理冲突。以太网具有通信速度最高可达1GbitlS，开发和生产成本低（工业需求量大），开放性好（持多种网络协议），技术发展进步速度快等优点。这使以太网在办公自动化和IT行业取得了广泛的应用，已经成为最受欢迎的通信网络之一。

2.2 以太网已成为工业控制网络的发展方向

以以太网为代表的COTS(commercial offthe shelf) 信息网络通信技术却以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。与现场总线相比,以太网具有以下优点:

（1）应用广泛

Ethernet 的应用开发,如Java ,Visual C以太网是目前应用最为广泛的计算机网技术,受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持+ + 及Visual Basic等。这些编程语言由于广泛使用,并受到软件开发商的高度重视,具有很好的发展前景。因此,如果采用以太网作为现场总线,可以保证多种开发工具、开发环境供选择。

（2）成本低廉

由于以太网的应用最为广泛,因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支持,有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛,硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有Profibus ,FF 等现场总线的十分之一,并且随着集成电路技术的发展,其价格还会进一步下降。

（3）通信速率高

数据传输率很高。以太网支持的数据传输速率包括 10MbS，100MbPS和 IGfoS，比目前任何一种现场总线都快；以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交换模式后，任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独立的冲突域（Collision Domain），不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着提高确定性。

（4）软硬件资源丰富

由于以太网已应用多年,人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验,对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用,从而可以显著降低系统的整体成本,并大大加快系统的开发和推广速度。

（5）可持续发展潜力大

由于以太网的广泛应用,使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且,在这信息瞬息万变的时代,企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络,信息技术与通信技术的发展将更加迅速,也更加成熟,由此保证了

以太网技术不断地持续向前发展。

（6）易于与Internet 连接,能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成

（7） Web技术和以太网技术的结合，将实现生产过程的远程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。

（8）以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。

因此,工业控制网络采用以太网,就可以避免其发展游离于计算机网络技的发展主

流之外,从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进,共同发展,并保证技术上的可

持续发展,在技术升级方面无需单独的研究投入。

诚然,以太网由于采用了CSMA/ CD 介质访问控制机制,各个节点采用BEB(binary exponential back2off) 算法处理冲突,具有排队延迟不确定的缺陷,无法保证确定的排队延迟和通信响应确定性,使之无法在工业控制中得到有效的使用。

随着IT 技术的发展,以太网的发展也取得了本质的飞跃,先后产生了高速以太网(100M) 和千兆以太网产品和国际标准,10G以太网也在研究之中。针对以太网的排队延迟不确定性,以太网又增加了全双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性,并改进了容错技术。其中交换式以太网避免了交换机各端口之间的碰撞,全双工通信又避免了各节点发送和接收报文之间的冲突,从根本上解决了以太网通信传输延迟存在

不确定性的问题。

更为重要的是,广大工控专家通过研究发现,通信负荷在30%以下时,10M以太网的通信响应实时性要好于215M的ARCnet (一种曾被广泛用于工业控制网络的令牌总

线) 。而负荷在10 %以下时,以太网几乎不发生碰撞,或者说,因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。另一方面,在工业控制网络中,传输的信息多为周期性测量和控制数据,报文小,信息量少,信息流向也具有明显的方向性,变送器传向控制器;由控制器

传向执行机构。在拥有6000个I/O的典型工业控制系统中,通信负荷为10M以太网的5 %左右,即使有操作员信息传输(如设定值的改变,用户应用程序的下载等),10M 以太网

的负荷也完全可以保持在10 %以下。

因此,通过采用适当的系统设计和流量控制技术,以太网完全能用于工业控制网络。事实也是如此,20世纪90 年代中后期,国内外各大工控公司纷纷在其控制系统中采用以太网,推出了基于以太网的DCS ,PLC、数据采集器,以及基于以太网的现场仪表、显示仪表等产品。

以太网应为用于工业控制网络发展的首选。