互联网技术考试工业控制网络的发展

  7.3.3 工业控制网络的发展
  (1)集散控制系统
  随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展.工业控制系统经历了不同的发展阶段：电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、网络化控制系统等几个阶段。与此同时，作为控制系统的重要组成部分-工业控制网络,也不断地向前发展。
  20世纪60年代开始.控制室和现场仪表之间采用电气信号传输，电动组合仪表如控制器、显示仪表、记录仪等开始大量使用，工厂自动化控制体系初步形成。严格地说，电缆上的电气信号传输还不能称之为工业控制网络。
  20世纪70年代中期出现的集散控制系统（DCS,Distributed Control System），是控制体系结构的一次大变革，同时，DCS也可以看做是工业控制网络的雏形，如图7-8所示。几十年来，DCS由以分散控制为主的早期产品发展到了以全面信息管理为特点的新型综合控制系统。电子信息产业的开放和现场总线技术的成熟与应用，造就了新一代DCS,其技术特点呈现信息化和全集成化的发展趋势，而且大量采用了通信、网络技术的成果，具有ODBC、COM/DCOM、OPC等开放网络接口技术。同时，DCS和现场总线、航业以太网相结合，进行信息互连，构成大规模的综合控制系统。DCS的不断发展赋予其很强的生命力，在今后相当长的时期内，DCS仍将作为一种重要的控制系统得到广泛应用。

  (2)现场总线
  现场总线控制系统（FCS，FieldbUs Control System），是20世纪80年代末、90年代初在欧洲发展形成的。国际电工委员会在IEC61158标准中对现场总线的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。作为新一代控制系统，一方面，它突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面，它把DCS的集中与分敢相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。现场总线控制网络结构如图7-9所示。

  现场总线不单单是一种通信技术，不仅仅在于用数字仪表代替模拟仪表，更重要的是在于对整个控制系统的结构产生了根本性的变革，和以往的控制系统相比，现场总线具有以下特点：
  ①全数字通信。传统控制系统（如DCS）采用4-20mA的模拟信号通信,这种通信方式已成为控制系统的瓶颈，这是因为模拟信号的传输精度不高，且易受外界干扰；传统DCS的通信网络介于操作站与控制站之间，而现场仪表与控制站中的输人/输出单元之间采用的是点对点通信,现场仪表之间不能进行通信无法通过现场仪表组成就地控制回路，建立真正的现场控制。
  而现场总线是数字通信网络，在现场总线系统中，同层的或/和不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信。具体地说,现场底层的变送器/传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中/上层的控制器、监控/监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号;各层设备之间的信息交换均用数字信号。
  ②现场设备的互操作性与互换性。互操作性指来自不同厂商生产的符合同一现场总线协议的设备可以连接在一起，统一组态和协同工作。而互换性指来自不同厂家的相同类型的设备还可以互换，而无需专用的驱动程序。现场总线中现场设备的互操作性与互换性是传统DCS无法具备的，它彻底改变了传统控制系统的封闭性和专用性，保护了用户的利益，使用户有更多的选择权。
  ③现场总线是开放互连网络。现场总线通过一根通信线将分散在生产现场、具有数宇通信能力的现场设备（如传感器、执行器、控制器）互相连接起来，构成了现场设备的互连网络，从而将传统DCS、PLC等控制系统复杂的控制任务进行分解，由现场变送器或执行机构构成控制回路，并实现各部分的控制。现场总线是开放的，它采用公开、规范的通信协议，既可实现同层次网络互连，也可实现不同层次网络互连。
  正是基于上述特点和优越性，从现场总线诞生起，广大用户就给予了高度的关注，并强烈要求对现场总线的通信协议进行标准化，2003年4月IEC61158现场总线标准第三版正式成为国际标准，该标准由IEC/SC65C/MT9小组负责修订,它规定了10种类型现场总线：TypelTS61158现场总线、Type2ControlNet和Ethernet/IP现场总线、Type3PROFIBUS现场总线、Type4P-NET现场总线、Type5基金会现场总线（FF)、Type6SwiftNet现场总线Type7WorldFIP现场总线、Type8INTERBUS现场总线、Type9FFHSECFF高速以太网协议）、TypelOPROFINET现场总线。此外，还有几种现场总线尽管未能成为国际标准，但仍得到了一定的应用，如HART、CAN、LonWorks、Devi-ceNet等。目前?现场总线正逐步得到用户的认可，现场总线的产品也逐渐成熟和丰富，并开始广泛应用。
  (3)工业以太网
  从20世纪80年代以来，现场总线的发展非常迅猛，但其中也暴露出许多不足，具体表现为：现有的现场总线标准过多，仅国际标准IEC61158就包含了10种类型，未能统一到单-标准上来；不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成；由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高；现场总线的速度较低，支持的应用有限.不便于和Internet信息集成。
  为了突破现场总线控制系统发展中出现的瓶颈,适应企业管控一体化的要求，实现企业管理层、监控层和设备层的无缝连接，降低系统造价，提高系统性能，必须寻找一种新的控制系统网络技术，工业以太网是解决以上难题的一个有效的方法。一般来讲，工业以太网在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容,但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。
  以太网由于通讯速率高、成本低廉、支持的服务种类多、可选的应用程序多而成为事实上的办公室和商业网络标准。目前，以太网不仅垄断了办公自动化领域的网络通信,而且在行业控制领域管理层和监控层等中上层网络通信中也得到了广泛应用，并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势，并成为近年来工业控制网络新的研究热点。
  既然与现场总线相比，以太网具有诸多优点，那为什么一直以来以太网未能用于工业控制领域呢？这是因为以太网最初得到广泛应用是在办公自动化领域，它应用于工业控制领域时存在以下主、客观障碍：
  ①通信存在不确定性，不能满足实时性要求。以太网采用CSMA/CD介质访问机制和退避算法处理冲突，和其他网络如令牌网、令牌环网等相比，这是一种非确定性或随机性通信方式，导致了网络传输延时和通信响应的不确定性。对于工业控制网络，以太网的这种通信不确定性会导致系统控制性能的下降，在有紧急事件发生时,还可能因报聱信息不能得到及时响应而导致灾难事故的发生,这是以太网应用于工业控制领域的主要障碍。
  ②不适用于恶劣的工业现场环境。由于工业现场环境与商业环境相比，条件恶劣，因此要求工业控制网络必须具备气候环境适应性，耐冲击、耐振动、防尘防水，抗腐蚀以及较好的电磁兼容性，并要求很高的可靠性。
  ③安全性和总线供电。对于应用于工业现场的网络，还要求具有向现场仪表提供电源的能力，即总线供电；在易爆等危险场合，还需要解决防爆（包括隔爆、本质安全等〉问题。
  ④目前的工业以太网缺乏通用稳定的应用层。当一个控制节点接收到报文的时候，如果没有一个通用的应用层，那么控制节点中的应用程序将无法正确的解释和使用报文的数据，控制节点中的程序将无法确定报文内容的格式和用途。这实际上是一个应用性的协议，由于涉及商业利益，因此需要工业以太网设备生产商协商解决。
  由此可见，以太网要全面应用于工业控制网络，还需要解决以上几个关键性技术问题，但工业以太网已经呈现出了巨大的应用潜力，随着技术的进步和支持工业以太网厂商的增多，其性能必将不断改善，在工业应用中的市场份额也将不断扩大。

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