从自动化测控系统看网络技术的发展

摘要：从历史和现状中总结出自动化测控系统的网络技术应沿着COTS（商业现货技术）的设计原则前进。
关键词：分布式控制系统；现场总线；ISO/OSI参考模型；网络产品；交换机；系统集成
Reviewing the Development of Networks Technology From
Automatic Measurement & Control System
BIAN Zheng-gang
(China Instrument Manufacturer’s Association,Beijing 100011,China)
Abstract：Reviewing the history and present state. The networks technology of automatic measurement & control system will advance along COTS design principle.
Key words：DCS; fieldbus; ISO/OSI reference model; networks product; switches; system integration
　　进入新世纪，信息化速度在加快，自动化测控系统中，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，就连机械制造为生的离散工业自动化，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，已经在其自动化测控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，为管理一体化打下了坚实的基础。这是对传统的DCS（分布式控制系统）的重大突破。在此“十一五”规划开始之年，有必要从自动化测控系统的角度，看一看网络技术的发展历史，温故而知新。
1 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。自动化测控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：
　　（1）上世纪70年代中期开始出现DCS，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1km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1Mb/s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。这时期代表性均为模拟仪表，少数专用设备有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可与之相连接。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）和国际电报电话资讯委员会的CCITTX.25等。
　　（2）在这个期间，在办公自动化设备发展中，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。
　　（3）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连（OSI，open system interconnection）参考模型，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（后来又增加到13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，其他分委员会分工负责各项有关工作。这些分委员会的工作，后来形成了ISO的标准。这些标准，又统称为IEEE802标准。
　　（4）上世纪80年代中后期，有了上述ISO/OSI参考模型和IEEE802标准的基础，出现了第2代、第3代DCS系统，其网络特点为在保证第1代DCS网络延续性（即能互连）的前提下，能实现多个装置DCS互连及全厂各车间互连，向全厂控制网络的系统与管理网络互连方向发展，当然这期间更新的网络的系统规模在扩大，采用光纤，通信距离为原来的数倍，通信速率提高至10Mb/s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的数据通信形式的现场仪表在增加，与PLC、分析仪等数字通信的能力在增强。又不同厂家的DCS的互连已提到日程上来了，DCS内异构的网络互连在逐步实现，其中TDC3000网络结构最为典型。
　　（5）PLC可编程控制器在上世纪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RS-232/RS-485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 3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。
　　（6）现场总线技术在上世纪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。FF H1/FF HSE等对过程控制更适合些，Profibus、DeviceNet等对离散控制更适合。基金会现场总线FF H1采用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、互操作性、互换性方面均经受了实际工程的较长期的考验。
　　FF HSE在与FF H1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（商业现货技术）化的任务，采用了交换机等网络产品及传输层、网络层的TCP/UDP/IP协议，保证了系统的开放性和可操作性。
　　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。
　　（7）在上世纪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、集成器、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10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s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。
　　（8）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：“所有主FF功能，包括工程、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并且与传统不兼容的独立软件工具、显示或程序。”从而为“FCS取代DCS”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地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/UDP/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。
2 开放系统互连参考模型
　　ISO/OSI参考模型反映了计算机网络通信的工作原理，把通信过程分段，相应地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。OSI模型分为7层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。它与FF H1、FF HSE通信模型之间的比较如图1所示。


　　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。目前已有用“专用芯片”等集成电路实现OSI的功能，其中以太网是一个很好的例子，另外就是LonWorks技术，它的Neuron神经元芯片中，集成了3个CPU，将相关的OSI模型的7层通信协议，包括兼容多种通信介质、NeuronC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。
3 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）的网络产品总和考虑，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。无源产品有T型分支（Tee）、无源多端口集线器（passive hub）、终端器、电缆、光缆等。
　　在实际网络中，原来就有的物理层通用标准连接器如RS-232、RS-485等，应用很广，这也解决了很多简单的通信需求，而它们的商品形式又是多种多样的。
　　在实际网络中，产品中还有接口卡、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）等。
　　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，希望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。
　　嵌入式系统技术的普及，特别是32位的ARM9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。
4 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了交换机。交换机是多条总线的交换矩阵互连，即把每个端口都挂在一条带宽很高的背板总线上。
　　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。
5 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1I（integration），目前又提出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。系统集成一词的流行始于上世纪80年代末、90年代初，现在Integrated System和System Integration的界限在逐渐模糊，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）等3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。它分为4部分，第1部分提出了开放系统的应用集成框架（AIF，application integration framework）。自动化测控系统的网络往往牵涉到它的第2、3、4部分，如基金会现场总线FF H1/FF HSE就与第3、4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4部分的以太网标准，交换机为中心的星型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。工业以太网实时响应时间已打倒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 H1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。
6 结束语
　　（1）在参考文献〔2〕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应用COTS，把网络产品的价格降下来，使现场总线的“辅助设备”通用化。
　　（2）把自动化测控系统对网络的需求进行分类，首先在数据采集系统中推广COTS；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。
　　（3）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、可操作性、可互换性，争取成为国际上认可的产品。
　　（4）在自动化行业中应进一步普及网络技术，虽然已有十几种相关书籍，但为用户办学习班等方式仍很重要。中国仪器仪表学会和北京合成网络公司合作，在这方面为广大用户服务做出榜样，值得推广。

参考文献：
〔1〕 卞正岗.世纪之交论自动化系统工程产业〔J〕.测控技术，2000，19（1）.
〔2〕 于功敬，孟汉城.军用ATE/ATS技术的发展〔J〕.测控技术，2000，19〔1〕.
〔3〕 夏德海.现场总线技术〔M〕.北京：中国电力出版社，2003-09.