控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展及現(xiàn)狀

2 信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的關(guān)系

　　從發(fā)展歷程看，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(gè)發(fā)展階段：

　?、倩谥鳈C(jī)的集中模式

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

　?、诨诠ぷ鹘M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，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)。

　?、刍贗nternet/Intranet/Extranet的網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)組織

　　計(jì)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。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，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)，于是便形成了以 Intranet為中心，以Extranet為補(bǔ)充，依托于Internet的新一代企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施（企業(yè)網(wǎng)）。

　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也是經(jīng)歷了集中控制、分層控制、基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制等幾個(gè)發(fā)展階段，它們的發(fā)展過程是非常相似的。

　　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(shí)監(jiān)控是必然的趨勢。為提高企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，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(shí)數(shù)據(jù)信息，以確保實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀態(tài)，使企業(yè)管理決策科學(xué)化，達(dá)到生產(chǎn)、經(jīng)營、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(dòng)化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業(yè)信息化創(chuàng)造有利條件。

　　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。在計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。實(shí)際上，大多數(shù)情況下，正是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一種新技術(shù)出現(xiàn)以后，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。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，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)上，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，使得實(shí)現(xiàn)信息一控制一體化成為可能。

3 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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號。其后，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，但是并不是所有的傳感儀表和驅(qū)動(dòng)裝置都使用統(tǒng)一的4～20mA信號。70年代，由于在檢測、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn)生了集中控制。進(jìn)入80年代，由于微處理器的出現(xiàn)，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數(shù)字化和智能化的時(shí)代，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，促進(jìn)了控制、調(diào)度、優(yōu)化、決策等功能一體化的發(fā)展。然而由于檢測、變送、執(zhí)行等機(jī)構(gòu)大都采用模擬信號連接，其傳送方式是一對一結(jié)構(gòu)，這使得接線復(fù)雜，工程費(fèi)用高，維護(hù)困難，而信號傳輸精度底，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統(tǒng)的功能發(fā)揮。另一方面，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，儀表工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自診斷，能進(jìn)行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的補(bǔ)償?shù)?。由此可見，智能儀表和控制系統(tǒng)的發(fā)展，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(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式、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、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(shí)性、可靠性、資料完整性和可用性。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、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(gè)公司都提出自己的現(xiàn)場總線協(xié)議。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、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、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）。它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、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、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。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、控制層和信息層。

　　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。

　?。?）首先是現(xiàn)場總線的選擇。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。