自動化控制系統網絡技術的發展

3、開放系統互聯參改模型

ISO/OSI參改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。這個過程與郵政信件的郵遞過程很相似，即按照收發信者活動、郵局服務業務、郵局轉送投遞業務(分棟、集裝郵包或相反的折封郵包、分棟)、運輸部門郵包運輸管理來劃分層次。計算機網絡通信對應分應用層、表示層、會議層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層共7層，這就是OSI模型。

每一層的功能是獨立的，與上下層有關，同等層之間的通信規劃形成通信協議。如本文前面提到的IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5同屬物理層及數據鏈路層的介質訪問控制(MAC)子層的不同的通信協議。

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，或低層(1-3層)通信傳送功能網絡和終端都具有，而高層(4-7層)通信管理功能由終端設備提供。如果某種網絡用途較廣，更多的采用“專用芯片”等集成電路，則可以獲得更高的性價比，而且這往往為某種局域網技術生存的要害。眾所周知，商用以太網是一個很好的例子，另外就是Lonworks技術，它得到了Motolora和東芝及后來加入的Cypress公司等器件公司的支持，生產的Neuron神經元芯片中，集成了3個CPU，將相關的OSI模型的7層通過協議包括兼容多種通信介質、Neuron C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。

4、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)的網絡產品綜合考慮，還要對通信軟件等進行分類，將是一個復雜的工作?，F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。其功能簡單地說：中繼器為同一種網段上加強信號用；網橋用于同一種通信協議不同傳輸速率的兩個網段的連接；路由器用于更為復雜的采用同一種通信協議的網絡進行通信路徑選擇；網關用于兩種不同通信協議的網段或網絡之間信號和數據的變換。以上一般均為有源產品。無源產品有T型分支(Tee)、無源多端口集線器(Passivehub)、終端器、電纜、光纜等。
在實際網絡中，商品名詞還有接口卡、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)已成為目前通用的網絡產品，它們要用于工業現場還需要根據環境條件進行強化設計，方可成為工業以太網的通用產品。其融合過程是在加速中，在“世紀之交論自動化系統工程產業”一文中所指出的一段話的現象，是不會再出現了(“我們可以用50美圓購買一塊以太網卡用于PC機。而XXX生產商要求我們用2000美圓購買同樣的東西，這真是瘋狂……”)。

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，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，這將另設專門文章來表述。

嵌入式系統技術的普及，特別是32位的RM9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。

5、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交換機。談到交換機，最早用于電話網絡中，它把要求通信的輸入線和被呼叫的輸出線接通……，經過幾代產品更新換代，現在已由工作在OSI模型中的第2層發展到工作在第2、3層，即數據鏈路層和網絡層。交換機是多條點線的交換矩陣互連，即把每個端口都掛在一條帶寬很高的背板總線上。也可以說第2層交換機稱為交換式集線器或多口網橋；第3層交換機除具有第2層交換機功能外，還具有路由器功能，即進行通信路程選擇(IP/IPX路由)。關于集線器實質為中繼器，當然也屬于OSI第2層設備，有MAC子層CSMA/CD算法，即在連接的多個端口中，隨機選出某一端口設備，并上連交換機等設備。

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。

6、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1 I(Intefration)，目前又提出了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。系統集成一詞流行始于80年代末、90年代初，現在Integrated System和System Integration的界限在逐漸模糊了，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)三個標準推動下，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，分為4部分：通用參改描述、以ISO11898標準為基礎的控制系統的參改描述、以IEC61158標準為基礎的控制系統的參改描述、以以太網標準為基礎的控制系統的參改描述。第一部分提出了開放系統的應用集成框架(AIF，Application Integration Framework)，它定義了一些元素和規則，構成集成模型來表示應用需求，并開發應用互操作專用規范AIP，這個AIP是接口規范的表示形式，并要求開發AIP時，應用UML、XML等來描述和表達。這些對系統集成技術發展起到了里程碑式作用。自動化測控系統的網絡往往牽涉到第二、三、四部分，如基金會現場總線FFHI/FF HSE就與第三、四部分相關，所以它是異構系統的組合，而多種異構系統中，監控層都采用了第四部分的以太網標準，交換機為中心的星形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。工業以太網實時向已達到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 HI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。

在工業以太網推廣過程中，還應把Web瀏覽等互聯網技術在工業上應用搞到位，也就是說要讓相關的人們可以放心地瀏覽現場數據，從而在地域方面使生產方式、公用工程管理方式發生變化，起到促進生產力和改進社會服務的作用。

7、結束語

在參考文獻[2]的文章“軍用ATE/ATS技術的發展”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COTS原則。COTS原文為Commercial off the sheff technology商業現貨技術，這在網絡技術方面同樣重要，我們應看到自動化測控系統在網絡技術方面的共性，把網絡產品的價格降下來，使現場總線的“輔助設備”通用化……。COTS與創新是不矛盾的，而且創新成果必須是在商業現貨基礎以商品的形式出現在市場上的，否則是毫無生命力的，創新開始就要吃透COTS原則。當然要做到集成創新，那就更離不開COTS了。

把自動化控制系統對網絡的需求分類，首先在數據采集系統中推廣COTS原則；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。

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、可互換性，爭取成為國際上認可的產品。