互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)考試工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

  7.3.3 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
  (1)集散控制系統(tǒng)
  隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展.工業(yè)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段：電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)等幾個階段。與此同時，作為控制系統(tǒng)的重要組成部分-工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),也不斷地向前發(fā)展。
  20世紀60年代開始.控制室和現(xiàn)場儀表之間采用電氣信號傳輸，電動組合儀表如控制器、顯示儀表、記錄儀等開始大量使用，工廠自動化控制體系初步形成。嚴格地說，電纜上的電氣信號傳輸還不能稱之為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。
  20世紀70年代中期出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)（DCS,Distributed Control System），是控制體系結(jié)構(gòu)的一次大變革，同時，DCS也可以看做是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的雛形，如圖7-8所示。幾十年來，DCS由以分散控制為主的早期產(chǎn)品發(fā)展到了以全面信息管理為特點的新型綜合控制系統(tǒng)。電子信息產(chǎn)業(yè)的開放和現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟與應(yīng)用，造就了新一代DCS,其技術(shù)特點呈現(xiàn)信息化和全集成化的發(fā)展趨勢，而且大量采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成果，具有ODBC、COM/DCOM、OPC等開放網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)。同時，DCS和現(xiàn)場總線、航業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合，進行信息互連，構(gòu)成大規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)。DCS的不斷發(fā)展賦予其很強的生命力，在今后相當長的時期內(nèi)，DCS仍將作為一種重要的控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

  (2)現(xiàn)場總線
  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbUs Control System），是20世紀80年代末、90年代初在歐洲發(fā)展形成的。國際電工委員會在IEC61158標準中對現(xiàn)場總線的定義是：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，它突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面，它把DCS的集中與分敢相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7-9所示。

  現(xiàn)場總線不單單是一種通信技術(shù)，不僅僅在于用數(shù)字儀表代替模擬儀表，更重要的是在于對整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了根本性的變革，和以往的控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線具有以下特點：
  ①全數(shù)字通信。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（如DCS）采用4-20mA的模擬信號通信,這種通信方式已成為控制系統(tǒng)的瓶頸，這是因為模擬信號的傳輸精度不高，且易受外界干擾；傳統(tǒng)DCS的通信網(wǎng)絡(luò)介于操作站與控制站之間，而現(xiàn)場儀表與控制站中的輸人/輸出單元之間采用的是點對點通信,現(xiàn)場儀表之間不能進行通信無法通過現(xiàn)場儀表組成就地控制回路，建立真正的現(xiàn)場控制。
  而現(xiàn)場總線是數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，同層的或/和不同層的總線設(shè)備之間均采用數(shù)字信號進行通信。具體地說,現(xiàn)場底層的變送器/傳感器、執(zhí)行器、控制器之間的信號傳輸均用數(shù)字信號；中/上層的控制器、監(jiān)控/監(jiān)視計算機等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送均用數(shù)字信號;各層設(shè)備之間的信息交換均用數(shù)字信號。
  ②現(xiàn)場設(shè)備的互操作性與互換性?；ゲ僮餍灾竵碜圆煌瑥S商生產(chǎn)的符合同一現(xiàn)場總線協(xié)議的設(shè)備可以連接在一起，統(tǒng)一組態(tài)和協(xié)同工作。而互換性指來自不同廠家的相同類型的設(shè)備還可以互換，而無需專用的驅(qū)動程序?，F(xiàn)場總線中現(xiàn)場設(shè)備的互操作性與互換性是傳統(tǒng)DCS無法具備的，它徹底改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的封閉性和專用性，保護了用戶的利益，使用戶有更多的選擇權(quán)。
  ③現(xiàn)場總線是開放互連網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線通過一根通信線將分散在生產(chǎn)現(xiàn)場、具有數(shù)宇通信能力的現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器、控制器）互相連接起來，構(gòu)成了現(xiàn)場設(shè)備的互連網(wǎng)絡(luò)，從而將傳統(tǒng)DCS、PLC等控制系統(tǒng)復(fù)雜的控制任務(wù)進行分解，由現(xiàn)場變送器或執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成控制回路，并實現(xiàn)各部分的控制?，F(xiàn)場總線是開放的，它采用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，既可實現(xiàn)同層次網(wǎng)絡(luò)互連，也可實現(xiàn)不同層次網(wǎng)絡(luò)互連。
  正是基于上述特點和優(yōu)越性，從現(xiàn)場總線誕生起，廣大用戶就給予了高度的關(guān)注，并強烈要求對現(xiàn)場總線的通信協(xié)議進行標準化，2003年4月IEC61158現(xiàn)場總線標準第三版正式成為國際標準，該標準由IEC/SC65C/MT9小組負責修訂,它規(guī)定了10種類型現(xiàn)場總線：TypelTS61158現(xiàn)場總線、Type2ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場總線、Type3PROFIBUS現(xiàn)場總線、Type4P-NET現(xiàn)場總線、Type5基金會現(xiàn)場總線（FF)、Type6SwiftNet現(xiàn)場總線Type7WorldFIP現(xiàn)場總線、Type8INTERBUS現(xiàn)場總線、Type9FFHSECFF高速以太網(wǎng)協(xié)議）、TypelOPROFINET現(xiàn)場總線。此外，還有幾種現(xiàn)場總線盡管未能成為國際標準，但仍得到了一定的應(yīng)用，如HART、CAN、LonWorks、Devi-ceNet等。目前?現(xiàn)場總線正逐步得到用戶的認可，現(xiàn)場總線的產(chǎn)品也逐漸成熟和豐富，并開始廣泛應(yīng)用。
  (3)工業(yè)以太網(wǎng)
  從20世紀80年代以來，現(xiàn)場總線的發(fā)展非常迅猛，但其中也暴露出許多不足，具體表現(xiàn)為：現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準過多，僅國際標準IEC61158就包含了10種類型，未能統(tǒng)一到單-標準上來；不同總線之間不能兼容，不能真正實現(xiàn)透明信息互訪，無法實現(xiàn)信息的無縫集成；由于現(xiàn)場總線是專用實時通信網(wǎng)絡(luò)，成本較高；現(xiàn)場總線的速度較低，支持的應(yīng)用有限.不便于和Internet信息集成。
  為了突破現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展中出現(xiàn)的瓶頸,適應(yīng)企業(yè)管控一體化的要求，實現(xiàn)企業(yè)管理層、監(jiān)控層和設(shè)備層的無縫連接，降低系統(tǒng)造價，提高系統(tǒng)性能，必須尋找一種新的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)是解決以上難題的一個有效的方法。一般來講，工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容,但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。
  以太網(wǎng)由于通訊速率高、成本低廉、支持的服務(wù)種類多、可選的應(yīng)用程序多而成為事實上的辦公室和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準。目前，以太網(wǎng)不僅壟斷了辦公自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信,而且在行業(yè)控制領(lǐng)域管理層和監(jiān)控層等中上層網(wǎng)絡(luò)通信中也得到了廣泛應(yīng)用，并有直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的趨勢，并成為近年來工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)新的研究熱點。
  既然與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有諸多優(yōu)點，那為什么一直以來以太網(wǎng)未能用于工業(yè)控制領(lǐng)域呢？這是因為以太網(wǎng)最初得到廣泛應(yīng)用是在辦公自動化領(lǐng)域，它應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域時存在以下主、客觀障礙：
  ①通信存在不確定性，不能滿足實時性要求。以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問機制和退避算法處理沖突，和其他網(wǎng)絡(luò)如令牌網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等相比，這是一種非確定性或隨機性通信方式，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時和通信響應(yīng)的不確定性。對于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的這種通信不確定性會導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能的下降，在有緊急事件發(fā)生時,還可能因報聱信息不能得到及時響應(yīng)而導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生,這是以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主要障礙。
  ②不適用于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境與商業(yè)環(huán)境相比，條件惡劣，因此要求工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須具備氣候環(huán)境適應(yīng)性，耐沖擊、耐振動、防塵防水，抗腐蝕以及較好的電磁兼容性，并要求很高的可靠性。
  ③安全性和總線供電。對于應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)，還要求具有向現(xiàn)場儀表提供電源的能力，即總線供電；在易爆等危險場合，還需要解決防爆（包括隔爆、本質(zhì)安全等〉問題。
  ④目前的工業(yè)以太網(wǎng)缺乏通用穩(wěn)定的應(yīng)用層。當一個控制節(jié)點接收到報文的時候，如果沒有一個通用的應(yīng)用層，那么控制節(jié)點中的應(yīng)用程序?qū)o法正確的解釋和使用報文的數(shù)據(jù)，控制節(jié)點中的程序?qū)o法確定報文內(nèi)容的格式和用途。這實際上是一個應(yīng)用性的協(xié)議，由于涉及商業(yè)利益，因此需要工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)商協(xié)商解決。
  由此可見，以太網(wǎng)要全面應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，還需要解決以上幾個關(guān)鍵性技術(shù)問題，但工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，隨著技術(shù)的進步和支持工業(yè)以太網(wǎng)廠商的增多，其性能必將不斷改善，在工業(yè)應(yīng)用中的市場份額也將不斷擴大。

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