控制系統(tǒng)的網絡化發(fā)展及現狀

2 信息網絡與控制系統(tǒng)的關系

　　從發(fā)展歷程看，信息網絡體系結構的發(fā)展與控制系統(tǒng)結構的發(fā)展有相似之處。企業(yè)信息網絡的發(fā)展大體經歷了如下幾個發(fā)展階段：

　　①基于主機的集中模式

　　由功能強大的主機完成幾乎所有的計算和處理任務，用戶和主機的交互很少。

　?、诨诠ぷ鹘M的分層結構

　　微機和局域網技術的發(fā)展使工作性質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。

　　③基于Internet/Intranet/Extranet的網絡化企業(yè)組織

　　計算機網絡技術的發(fā)展使它成為現代信息技術的主流，特別是Internet的發(fā)展和普及應用使它成為公認的未來全球信息基礎設施的雛形。采用 Internet成熟的技術和標準，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用于企業(yè)內部網和企業(yè)外聯(lián)網的實現，于是便形成了以 Intranet為中心，以Extranet為補充，依托于Internet的新一代企業(yè)信息基礎設施（企業(yè)網）。

　　計算機控制系統(tǒng)也是經歷了集中控制、分層控制、基于現場總線的網絡控制等幾個發(fā)展階段，它們的發(fā)展過程是非常相似的。

　　隨著企業(yè)信息網絡的深入應用與日臻完善，現場控制信息進入信息網絡實現實時監(jiān)控是必然的趨勢。為提高企業(yè)的社會效益和經濟效益，許多企業(yè)都在盡力建立全方位的管理信息系統(tǒng)，它必須包括生產現場的實時數據信息，以確保實時掌握生產過程的運行狀態(tài)，使企業(yè)管理決策科學化，達到生產、經營、管理的最優(yōu)化狀態(tài)。信息一控制一體化將為實現企業(yè)綜合自動化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業(yè)信息化創(chuàng)造有利條件。

　　企業(yè)信息網絡與控制系統(tǒng)在體系結構發(fā)展過程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每一種結構的控制系統(tǒng)的出現總是滯后于相應計算機技術的發(fā)展。實際上，大多數情況下，正是在計算機領域一種新技術出現以后，人們才開始研究如何將這種新技術應用于控制領域。鑒于兩種應用環(huán)境的差異，其中的技術細節(jié)作了適當修改和補充，但關鍵技術的原理及實現上，它們有許多共同的地方。正是由于二者在發(fā)展過程中的這種關系，使得實現信息一控制一體化成為可能。

3 現場總線技術的研究現狀

　　在40年代，過程控制是基于3～15PSI的氣動標準信號。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用，但是并不是所有的傳感儀表和驅動裝置都使用統(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域率先使用了計算機，從而產生了集中控制。進入80年代，由于微處理器的出現，促使工業(yè)儀表進入了數字化和智能化的時代，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數字化通信代替，加之分布式控制以及網絡技術的迅速發(fā)展，促進了控制、調度、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)行等機構大都采用模擬信號連接，其傳送方式是一對一結構，這使得接線復雜，工程費用高，維護困難，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遠超過了現場模擬儀表，如對量程和零點進行遠方設定，儀表工作狀態(tài)實現自診斷，能進行多參數測量和對環(huán)境影響的補償等。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)和現場儀表實現數字通信。

　　為了克服DCS系統(tǒng)的技術瓶頸,進一步滿足現場的需要,現場總線技術應運而生,它實際上是連接現場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數字式、多節(jié)點通信網絡,也被稱為現場底層設備控制網絡（INFRANET）。和Internet、Intranet等類型的信息網絡不同,控制網絡直接面向生產過程,因此要求很高的實時性、可靠性、資料完整性和可用性。為滿足這些特性,現場總線對標準的網絡協(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、數據鏈路層和應用層。

　　現場總線在發(fā)展的最初,各個公司都提出自己的現場總線協(xié)議。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線作為國際現場總線標準,其中包括 CAN Bus、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基礎上形成了新的現場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System FCS）。它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網絡技術和智能儀表等多種技術手段,從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數字―――模擬信號控制的局限性,構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。相應的控制網絡結構也發(fā)生了較大的變化。FCS的典型結構分為3層：設備層、控制層和信息層。

　　雖然現場總線技術發(fā)展非常迅速,但也存在許多問題,制約其應用范圍的進一步擴大。

　　（1）首先是現場總線的選擇。雖然目前IEC組織已達成了國際總線標準,但總線種類仍然過多,而每種現場總線都有自己最合適的應用領域,如何在實際中根據應用對象,將不同層次的現場總線組合使用,使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現場總線,對用戶來說,仍然是比較棘手的問題。