控制系統的網絡化發展及現狀

2 信息網絡與控制系統的關系

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

　　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。

　　②基于工作組的分層結構

　　微機和局域網技術的發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作得到了加強。

　　③基于Internet/Intranet/Extranet的網絡化企業組織

　　計算機網絡技術的發展使它成為現代信息技術的主流，特別是Internet的發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，分別用于企業內部網和企業外聯網的實現，于是便形成了以 Intranet為中心，以Extranet為補充，依托于Internet的新一代企業信息基礎設施（企業網）。

　　計算機控制系統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展階段，它們的發展過程是非常相似的。

　　隨著企業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控是必然的趨勢。為提高企業的社會效益和經濟效益，許多企業都在盡力建立全方位的管理信息系統，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，使企業管理決策科學化，達到生產、經營、管理的最優化狀態。信息一控制一體化將為實現企業綜合自動化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業信息化創造有利條件。

　　企業信息網絡與控制系統在體系結構發展過程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統的發展過程中，每一種結構的控制系統的出現總是滯后于相應計算機技術的發展。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。鑒于兩種應用環境的差異，其中的技術細節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展，促進了控制、調度、優化、決策等功能一體化的發展。然而由于檢測、變送、執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的功能發揮。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，儀表工作狀態實現自診斷，能進行多參數測量和對環境影響的補償等。由此可見，智能儀表和控制系統的發展，都要求上層系統和現場儀表實現數字通信。

　　為了克服DCS系統的技術瓶頸,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。

　　現場總線在發展的最初,各個公司都提出自己的現場總線協議。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（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。相應的控制網絡結構也發生了較大的變化。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。