摘要：從歷史和現狀中總結出自動化測控系統的網絡技術應沿著COTS（商業現貨技術）的設計原則前進。
關鍵詞：分布式控制系統；現場總線；ISO/OSI參考模型；網絡產品；交換機；系統集成
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
　　進入新世紀，信息化速度在加快，自動化測控系統中，不僅在辦公自動化系統，智能大廈自動化系統，市政、交通、物流、商業、銀行等公用工程自動化系統方面的網絡化有很大變化，就連機械制造為生的離散工業自動化，特別是流程工業自動化方面也向數字化、網絡化、智能化方面前進了可喜的一步。特別是最近陸續開工建設或已試車成功的特大型煉化項目，已經在其自動化測控系統中的現場層采用了約1/4的FF（基金會現場總線）等現場總線產品，監控層基本采用了高速以太網主流網絡產品，逐步做到控制徹底分散、操作顯示及管理高度集中（全廠15個裝置集中在一個總控制室操作），系統數字化程度有了質的飛躍，為管理一體化打下了堅實的基礎。這是對傳統的DCS（分布式控制系統）的重大突破。在此“十一五”規劃開始之年，有必要從自動化測控系統的角度，看一看網絡技術的發展歷史，溫故而知新。
1 歷史回顧
　　電報、電話等出現后，就有了用于信息傳遞的通信網絡，特別是微型計算機出現后，功能不同或地域不同的計算機之間連成網絡，數字通信技術就由一般單機（主機對終端）、多機通信擴展成計算機網絡系統。自動化測控系統是一種完成測量和控制功能的分布式計算機局域網，其發展過程如下：
　　（1）上世紀70年代中期開始出現DCS，這是在并無統一網絡標準的情況下，以大型企業為主各自完成的。網絡規模大約節點有32～64個，通信距離約在1km以內，主要節點為控制站和操作站，拓撲結構以環形和總線型為主，通信介質多為同軸電纜，也有采用雙絞線的，通信速率為1Mb/s以內。在控制站、操作站內均有“通信卡”等專用網絡部件。這時期代表性的產品有TDC2000的DHW（數據高速公路）總線和CENTUM的F總線等，均采用“令牌總線”通信協議。數據共享方面已做到按工位號操作。這時期代表性均為模擬儀表，少數專用設備有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可與之相連接。這期間通信規程中有IBM等提出的同步數據鏈路規程（SDLC）、高級數據鏈路規程（HDLC）和國際電報電話資訊委員會的CCITTX.25等。
　　（2）在這個期間，在辦公自動化設備發展中，1975年美國施樂（Xerox）公司推出了以太網（Ethernet），以后3COM等多家供應商參與，在此基礎上形成的以太網局域網，在突發性事務處理的各種通用系統中得到了較大發展，以太網以載波偵聽多路訪問/沖突檢測方式即CSMA/CD方式進行數據通信。
　　（3）在上述兩方面技術的基礎上，1980年2月，IEEE電子電氣工程師協會建立了一個委員會（簡稱IEEE802委員會），負責制定局域網標準。又1983年ISO國際標準化組織通過了開放系統互連（OSI，open system interconnection）參考模型，即ISO/OSI參考模型，在此基礎上，1985年IEEE802委員會成立9個分委員會（后來又增加到13個分委員會），其中IEEE802.3負責CSMA/CD網，IEEE802.4負責令牌總線網，802.5負責令牌環網，其他分委員會分工負責各項有關工作。這些分委員會的工作，后來形成了ISO的標準。這些標準，又統稱為IEEE802標準。
　　（4）上世紀80年代中后期，有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標準的基礎，出現了第2代、第3代DCS系統，其網絡特點為在保證第1代DCS網絡延續性（即能互連）的前提下，能實現多個裝置DCS互連及全廠各車間互連，向全廠控制網絡的系統與管理網絡互連方向發展，當然這期間更新的網絡的系統規模在擴大，采用光纖，通信距離為原來的數倍，通信速率提高至10Mb/s或更高，涵蓋工位號是原來的數倍，工位字符數由8位字符增至12個字符，而且形成了域的概念，但這期間現場儀表仍以模擬儀表或HART標準的儀表為主，只是遠程I/O的數據通信形式的現場儀表在增加，與PLC、分析儀等數字通信的能力在增強。又不同廠家的DCS的互連已提到日程上來了，DCS內異構的網絡互連在逐步實現，其中TDC3000網絡結構最為典型。
　　（5）PLC可編程控制器在上世紀80年代已由單獨控制器連成中小型規模以上的系統。1990年前后一臺或多臺PLC通過RS-232/RS-485串口與1臺或多臺PC機（操作站，內裝HMI人機界面和組態軟件或稱SCADA軟件）連成系統。它采用了現成的網絡技術，特別是DDE或OPC數據交換軟件技術及IEC61131-3標準的組態軟件，使PLC系統的開放性、可用性大大提高，成為低成本自動化的典范，現已逐步過渡到21世紀初的工業以太網為主的網絡，而且由羅克韋爾公司牽頭的CIP通用工業協議（common industrial protocol）已經形成，DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP 3層結構的通信網絡已為人們接受，PLC由原來通信功能較差變成走在網絡化的前列。
　　（6）現場總線技術在上世紀90年代已經形成了開發的熱潮。它適應了各行業現場測控方面的需求，形成了多標準并存的局面。FF H1/FF HSE等對過程控制更適合些，Profibus、DeviceNet等對離散控制更適合。基金會現場總線FF H1采用ISO/OSI通信模型的1、2、7層及用戶層，它在現場兩線制供電、防爆、防電磁干擾、防雷擊及冗余、現場控制、互操作性、互換性方面均經受了實際工程的較長期的考驗。
　　FF HSE在與FF H1無縫連接的基礎上，用高速以太網（HSE，high speed Ethernet）完成中央控制室一級或監控層的網絡COTS（商業現貨技術）化的任務，采用了交換機等網絡產品及傳輸層、網絡層的TCP/UDP/IP協議，保證了系統的開放性和可操作性。
　　現場總線技術發展與現場儀表實現數字化、網絡化、智能化是分不開的。目前流程工業用的變送器等現場儀表生產情況是FF占10％，HART占40％、模擬儀表占50％，所以還要重視現場檢測儀表與執行器的更新換代，才能使現場總線技術普及。
　　（7）在上世紀90年代之前興起的互聯網（全球性的廣域網）及移動通信、多媒體技術、個人計算機及操作系統網絡支持功能的發展等，對自動化測控系統的數字通信技術的影響是非常深刻的。由于互聯網的普及，“網絡接入業”的興起，交換機、集成器、5類雙絞銅纜等網絡產品價格下降，以太網及互聯網協議簇（包括TCP/IP等）的應用技術深入到各種連網設備中，傳輸方式由基帶向載波、寬帶等方式發展，網絡速率由10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s等，所以在自動化測控系統中興起了“工業以太網”熱。又由于一部分人強調自動化測控系統的確定性和實時性的特點，而在商用以太網基礎上進行改造，形成了多種實時以太網，但這只是一個過程，關鍵是性價比能否為用戶認可。總之，向著自動化測控系統網絡扁平化、直至“e網到底”的方向發展，這個趨勢是明顯的，只是有待時日而已。
　　（8）第4代DCS的出現，適應了21世紀初現場總線技術、管控一體化技術的發展。目前，通過現場總線基金會的HIST互操作性測試認證的11個主控系統，均是第4代DCS系統，而且在“基金會現場總線系統工程指南”中指出：“所有主FF功能，包括工程、組態、維護和操作性能應能夠與傳統模擬或離散I/O、智能HART和專用I/O、基于總線的I/O和FF系統實現兼容和無縫集成。建議不要采用只針對FF并且與傳統不兼容的獨立軟件工具、顯示或程序。”從而為“FCS取代DCS”等觀點，找到了解決的出路，即共同融合、相輔相成、DCS和FCS雙贏的道路。這是網絡技術的功勞，因為它能夠使如此復雜的通信要求，在經濟適用的條件下完滿地實現這個融合的過程。當然上面所說的主控系統，均達到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技術向以太網及TCP/UDP/IP協議靠攏，與工廠管理網絡兼容、數據共享，逐步形成企業互聯網Intranet。
2 開放系統互連參考模型
　　ISO/OSI參考模型反映了計算機網絡通信的工作原理，把通信過程分段，相應地把網絡功能分為不同的邏輯和物理層次，即不同功能層次完成不同通信階段的工作。OSI模型分為7層，即應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。它與FF H1、FF HSE通信模型之間的比較如圖1所示。


　　實現網絡節點各層功能的基本方法是利用硬件實現較低層協議，利用軟件實現較高層協議。目前已有用“專用芯片”等集成電路實現OSI的功能，其中以太網是一個很好的例子，另外就是LonWorks技術，它的Neuron神經元芯片中，集成了3個CPU，將相關的OSI模型的7層通信協議，包括兼容多種通信介質、NeuronC控制語言、網絡變量等，均固化在其中，使通信達到能互操作水平，從而在智能大廈等局域網中得到廣泛應用，這也是一個成功的范例。
3 網絡產品分類
　　如果把各終端節點如何與線纜等通信介質相連的接口卡、連接器及通信介質和一些專門為通信而設置的節點均稱為網絡產品，加之對辦公用或商業用網絡產品與工業上管理用和控制用（包括現場總線）的網絡產品總和考慮，還要對通信軟件等進行分類，將是一個復雜的工作。現在從網絡互聯的低層設備功能來分，主要有中繼器（或稱重復器repeater）、網橋（bridge）、路由器（router）、網關（gateway）幾種，以上幾種均為有源產品。無源產品有T型分支（Tee）、無源多端口集線器（passive hub）、終端器、電纜、光纜等。
　　在實際網絡中，原來就有的物理層通用標準連接器如RS-232、RS-485等，應用很廣，這也解決了很多簡單的通信需求，而它們的商品形式又是多種多樣的。
　　在實際網絡中，產品中還有接口卡、接口模塊、鏈接設備等，特別是商用以太網的接插器（connector）、集線器（hub）、交換機（switches）等。
　　作為網絡產品，對于無線數字通信，諸如調制解調器、數傳電臺等在國內應用已相當廣泛，希望它將隨著商用移動通信技術有關數字通信的業務的發展而改變。
　　嵌入式系統技術的普及，特別是32位的ARM9等處理器嵌入式產品在網絡產品中的使用，將使得網絡產品智能化程度、價格、體積等方面都有改善，這也促進了網絡技術的發展。
4 關于交換機
　　近年來流程工業企業新建的中央控制室的網絡中，交換機已廣泛使用，特別是網絡圖中堆疊式交換機的圖樣很顯眼，證明自動化測控系統網絡的監控層已在很多行業中采用了交換機。交換機是多條總線的交換矩陣互連，即把每個端口都掛在一條帶寬很高的背板總線上。
　　交換機除去封裝數據包進行轉發、減少沖突域之外，還有隔離廣播風暴、網絡管理等功能，特別是工業以太網用交換機，還應適應工業環境及做到雙電源供電，避免單一電源所造成的數據流失，支持環形網，提供網絡冗余，通過安全規范認證，做到斷線快速恢復等，正是由于增加了這些功能，所以其價格略高于商業以太網產品。目前赫斯曼、卓越等工業以太網用交換機已得到廣泛應用。至于商業用交換機是否可用在工業上的問題，應該因地制宜，具體情況具體分析，正如不少工業企業在系統集成中，操作站使用名牌戴爾計算機而不使用一般工控機的現象，屢見不鮮。
5 系統集成技術與網絡技術
　　自動化測控系統的基礎是3C（computer，control，communication）和1I（integration），目前又提出1S（solution）目標，它的推動力是電控、儀控一體化和管控一體化。系統集成技術與網絡技術相輔相成，共同達到在網絡上共享數據和信息的目的。系統集成一詞的流行始于上世紀80年代末、90年代初，現在Integrated System和System Integration的界限在逐漸模糊，這證明系統集成商和最終用戶掌握網絡技術的水平在提高，對各種網絡或現場總線互聯的接口卡的需求在擴大。美國Woodhead公司、Prosoft公司等的幾十種接口卡產品和多協議網關（Modbus Ethernet TCP IP Profibus）可以滿足系統集成的需求。系統集成技術的發展，在OPC（過程控制的對象鏈接嵌入）、EDDL和FDT（關于互操作性）、IEC61131－3（關于組態）等3個標準推動下，目前又向前發展，2003年發布了ISO15745標準，它解決了系統集成的應用需求和接口兩個基本問題。該標準全稱為：工業自動化系統和系統集成——開放系統應用集成框架。它分為4部分，第1部分提出了開放系統的應用集成框架（AIF，application integration framework）。自動化測控系統的網絡往往牽涉到它的第2、3、4部分，如基金會現場總線FF H1/FF HSE就與第3、4部分相關，所以它是異構系統的組合，而多種異構系統中，監控層都采用了第4部分的以太網標準，交換機為中心的星型結構比較普遍地被采用，而且冗余技術、安全技術、質量服務等都有較大提高。工業以太網實時響應時間已打倒5～10ms。這對于流程工業的控制系統（包括安全系統）、離散工業控制系統（除去少數同步要求高的運動控制系統），均可以滿足要求。所以有把握地說：實踐已經證明，現場層采用FF H1等現場總線、監控層采用一般工業以太網是成熟的網絡技術，將會在今后普遍被采用。
6 結束語
　　（1）在參考文獻〔2〕中提到COTS，在軍用信息系統中能把它作為設計原則，所以一般自動化測控系統更應重視應用COTS，把網絡產品的價格降下來，使現場總線的“輔助設備”通用化。
　　（2）把自動化測控系統對網絡的需求進行分類，首先在數據采集系統中推廣COTS；針對不同行業的需求推廣不同的現場總線技術；工業以太網推廣過程中，應對工程應用和開發并重。
　　（3）檢測儀表，執行器的數字化、智能化、網絡化是基礎，應該在國內大力開發這方面的新產品，同時要在國內建立測試中心、認證中心，開展標準化的工作，確保開放性、可操作性、可互換性，爭取成為國際上認可的產品。
　　（4）在自動化行業中應進一步普及網絡技術，雖然已有十幾種相關書籍，但為用戶辦學習班等方式仍很重要。中國儀器儀表學會和北京合成網絡公司合作，在這方面為廣大用戶服務做出榜樣，值得推廣。

參考文獻：
〔1〕 卞正崗.世紀之交論自動化系統工程產業〔J〕.測控技術，2000，19（1）.
〔2〕 于功敬，孟漢城.軍用ATE/ATS技術的發展〔J〕.測控技術，2000，19〔1〕.
〔3〕 夏德海.現場總線技術〔M〕.北京：中國電力出版社，2003-09.