工业控制系统的网络化发展及现状研究
0引言
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。
1计算机控制系统的发展
计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）。70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）。
进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。
80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。
进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。
从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。
2信息网络与控制系统的关系
从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。企业信息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段：
①基于主机的集中模式
由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。
②基于工作组的分层结构
微机和局域网技术的发展使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资源，用户之间的交流和协作得到了加强。
③基于Internet/Intranet/Extranet的网络化企业组织
计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的发展和普及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用Internet成熟的技术和标准，人们提出了Intranet和Extranet的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于是便形成了以Intranet为中心，以Extranet为补充，依托于Internet的新一代企业信息基础设施（企业网）。
计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的网络控制等几个发展阶段，它们的发展过程是非常相似的。
随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽力建立全方位的管理信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，使企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信息一控制一体化将为实现企业综合自动化CIPA（computerintegratedplantautomation）和企业信息化创造有利条件。
企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然的。在计算机控制系统的发展过程中，每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新技术出现以后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。鉴于两种应用环境的差异，其中的技术细节作了适当修改和补充，但关键技术的原理及实现上，它们有许多共同的地方。正是由于二者在发展过程中的这种关系，使得实现信息一控制一体化成为可能。
3现场总线技术的研究现状
在40年代，过程控制是基于3～15PSI的气动标准信号。其后，由于4～20mA模拟信号的使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的4～20mA信号。70年代，由于在检测、模拟控制和逻辑控制领域率先使用了计算机，从而产生了集中控制。进入80年代，由于微处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，4～20mA模拟信号传输逐步被数字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进了控制、调度、优化、决策等功能一体化的发展。然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接，其传送方式是一对一结构，这使得接线复杂，工程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥。另一方面，由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实现自诊断，能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由此可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现数字通信。
为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同,控制网络直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性,现场总线对标准的网络协议作了简化,省略了一些中间层,只包括ISO/OSI7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。
现场总线在发展的最初,各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总线作为国际现场总线标准,其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字———模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层。
虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进一步扩大。
（1）首先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准,但总线种类仍然过多,而每种现场总线都有自己最合适的应用领域,如何在实际中根据应用对象,将不同层次的现场总线组合使用,使系统的各部分都选择最合适的现场总线,对用户来说,仍然是比较棘手的问题。
（2）系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线,因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成,从而使整个系统实现管控一体化,是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时,不仅要考虑各现场节点的距离,还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强,因此许多仪表会有同样的功能块,组态时选哪个功能块是要仔细考虑的;要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要,要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。
（3）存在技术瓶颈问题[2]。主要表现在：
a.当总线电缆截断时,整个系统有可能瘫痪。
用户希望这时系统的效能可以降低,但不能崩溃,这一点目前许多现场总线不能保证。
b.本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质安全概念（FISCO）理论加强研究,争取有所突破。
C.系统组态参数过分复杂。现场总线的组态
参数很多,不容易掌握,但组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大。
4以太控制网络
控制网络的发展,其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。上述出现的问题,根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前的现场总线由于种类繁多,互不兼容,尚不能满足这一要求。而以太网的TCP/IP协议的开放性使得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。
5目前存在的问题
通常我们考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在一起。目前在控制领域较有影响的现场总线系统有：FF、LonWorks、Profibus、CAN、HART，以及RS485的总线网络等。现场总线基金会己经制定的统一标准（（FF），其慢速总线标准Hl已得到通过成为国际标准，其高速总线标准H2还在制订中。但是由于商业利润、技术垄断等原因，目前现场总线产品仍然是百花齐放的局面，这对降低系统成本，扩大应用范围产生不利影响。
以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度己经达到100Mbps，千兆以太网也己经投入使用，其网络产品和软件发展速度很快。以太网以成本低、组网方便、软硬件丰富、可靠性高等特点得到了广泛的认可。
Internet飞速发展的主要原因在于以太网和TCP/IP协议的广泛应用，TCP/IP协议是极其灵活的，几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP/IP的通信。应用TCP/IP的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。
由此，我们考虑将Internet及其相关技术集成到现有控制系统中，利用Internet上开放的、并且己经成熟的技术对现有的控制系统进行升级改造，加快工业企业的信息一控制一体化进程，不失为一种较为可行的问题解决方案。
6总结
从目前趋势来看,工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来,它还难以完全取代现场总线,作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍将继续存在,最有可能的是发展一种混合式控制系统。
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。
1计算机控制系统的发展
计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）。70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）。
进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。
80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。
进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。
从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。
2信息网络与控制系统的关系
从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。企业信息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段：
①基于主机的集中模式
由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。
②基于工作组的分层结构
微机和局域网技术的发展使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资源，用户之间的交流和协作得到了加强。
③基于Internet/Intranet/Extranet的网络化企业组织
计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的发展和普及应用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用Internet成熟的技术和标准，人们提出了Intranet和Extranet的概念，分别用于企业内部网和企业外联网的实现，于是便形成了以Intranet为中心，以Extranet为补充，依托于Internet的新一代企业信息基础设施（企业网）。
计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的网络控制等几个发展阶段，它们的发展过程是非常相似的。
随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现实时监控是必然的趋势。为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽力建立全方位的管理信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实时掌握生产过程的运行状态，使企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理的最优化状态。信息一控制一体化将为实现企业综合自动化CIPA（computerintegratedplantautomation）和企业信息化创造有利条件。
企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然的。在计算机控制系统的发展过程中，每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新技术出现以后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。鉴于两种应用环境的差异，其中的技术细节作了适当修改和补充，但关键技术的原理及实现上，它们有许多共同的地方。正是由于二者在发展过程中的这种关系，使得实现信息一控制一体化成为可能。
3现场总线技术的研究现状
在40年代，过程控制是基于3～15PSI的气动标准信号。其后，由于4～20mA模拟信号的使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不是所有的传感仪表和驱动装置都使用统一的4～20mA信号。70年代，由于在检测、模拟控制和逻辑控制领域率先使用了计算机，从而产生了集中控制。进入80年代，由于微处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，4～20mA模拟信号传输逐步被数字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进了控制、调度、优化、决策等功能一体化的发展。然而由于检测、变送、执行等机构大都采用模拟信号连接，其传送方式是一对一结构，这使得接线复杂，工程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪表互换性差，这都阻碍了上层系统的功能发挥。另一方面，由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实现自诊断，能进行多参数测量和对环境影响的补偿等。由此可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求上层系统和现场仪表实现数字通信。
为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。和Internet、Intranet等类型的信息网络不同,控制网络直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性,现场总线对标准的网络协议作了简化,省略了一些中间层,只包括ISO/OSI7层模型中的3层：物理层、数据链路层和应用层。
现场总线在发展的最初,各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总线作为国际现场总线标准,其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字———模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层。
虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进一步扩大。
（1）首先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准,但总线种类仍然过多,而每种现场总线都有自己最合适的应用领域,如何在实际中根据应用对象,将不同层次的现场总线组合使用,使系统的各部分都选择最合适的现场总线,对用户来说,仍然是比较棘手的问题。
（2）系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线,因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成,从而使整个系统实现管控一体化,是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时,不仅要考虑各现场节点的距离,还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等。由于智能化现场仪表的功能很强,因此许多仪表会有同样的功能块,组态时选哪个功能块是要仔细考虑的;要使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态也很重要,要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。
（3）存在技术瓶颈问题[2]。主要表现在：
a.当总线电缆截断时,整个系统有可能瘫痪。
用户希望这时系统的效能可以降低,但不能崩溃,这一点目前许多现场总线不能保证。
b.本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质安全概念（FISCO）理论加强研究,争取有所突破。
C.系统组态参数过分复杂。现场总线的组态
参数很多,不容易掌握,但组态参数设定得好坏,对系统性能影响很大。
4以太控制网络
控制网络的发展,其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。上述出现的问题,根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,由于它支持几乎所有流行的网络协议,所以在商业系统中被广泛采用。近些年来,随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域,形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展,开放的、透明的通讯协议是必然的要求。目前的现场总线由于种类繁多,互不兼容,尚不能满足这一要求。而以太网的TCP/IP协议的开放性使得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。
5目前存在的问题
通常我们考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在一起。目前在控制领域较有影响的现场总线系统有：FF、LonWorks、Profibus、CAN、HART，以及RS485的总线网络等。现场总线基金会己经制定的统一标准（（FF），其慢速总线标准Hl已得到通过成为国际标准，其高速总线标准H2还在制订中。但是由于商业利润、技术垄断等原因，目前现场总线产品仍然是百花齐放的局面，这对降低系统成本，扩大应用范围产生不利影响。
以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度己经达到100Mbps，千兆以太网也己经投入使用，其网络产品和软件发展速度很快。以太网以成本低、组网方便、软硬件丰富、可靠性高等特点得到了广泛的认可。
Internet飞速发展的主要原因在于以太网和TCP/IP协议的广泛应用，TCP/IP协议是极其灵活的，几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP/IP的通信。应用TCP/IP的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。
由此，我们考虑将Internet及其相关技术集成到现有控制系统中，利用Internet上开放的、并且己经成熟的技术对现有的控制系统进行升级改造，加快工业企业的信息一控制一体化进程，不失为一种较为可行的问题解决方案。
6总结
从目前趋势来看,工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来,它还难以完全取代现场总线,作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍将继续存在,最有可能的是发展一种混合式控制系统。