1 歷史回顧

    電報,、電話等出現(xiàn)后，就有了用于信息傳遞的通信網(wǎng)絡(luò),，特別是微型計算機出現(xiàn)后,，功能不同或地域不同的計算機之間連成網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信技術(shù)就由一般單機（主機對終端）,、多機通信擴展成計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。自動化測控系統(tǒng)是一種完成測量和控制功能的分布式計算機局域網(wǎng)，其發(fā)展過程如下：

（1）上世紀70年代中期開始出現(xiàn)DCS,，這是在并無統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標準的情況下,，以大型企業(yè)為主各自完成的。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大約節(jié)點有32～64個,，通信距離約在1km以內(nèi),，主要節(jié)點為控制站和操作站，拓撲結(jié)構(gòu)以環(huán)形和總線型為主,，通信介質(zhì)多為同軸電纜,，也有采用雙絞線的，通信速率為1Mb/s以內(nèi),。在控制站,、操作站內(nèi)均有“通信卡”等專用網(wǎng)絡(luò)部件。這時期代表性的產(chǎn)品有TDC2000的DHW（數(shù)據(jù)高速公路）總線和CENTUM的F總線等,，均采用“令牌總線”通信協(xié)議,。數(shù)據(jù)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(shù)專用設(shè)備有RS-232/RS-422/RS-485等串口,，可與之相連接。這期間通信規(guī)程中有IBM等提出的同步數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程（SDLC）,、高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)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(shè)備發(fā)展中,，1975年美國施樂（Xerox）公司推出了以太網(wǎng)（Ethernet）,，以后3COM等多家供應(yīng)商參與，在此基礎(chǔ)上形成的以太網(wǎng)局域網(wǎng),，在突發(fā)性事務(wù)處理的各種通用系統(tǒng)中得到了較大發(fā)展，以太網(wǎng)以載波偵聽多路訪問/沖突檢測方式即CSMA/CD方式進行數(shù)據(jù)通信,。

（3）在上述兩方面技術(shù)的基礎(chǔ)上,，1980年2月,，IEEE電子電氣工程師協(xié)會建立了一個委員會（簡稱IEEE802委員會），負責制定局域網(wǎng)標準,。又1983年ISO國際標準化組織通過了開放系統(tǒng)互連（OSI,，open system interconnection）參考模型，即ISO/OSI參考模型,，在此基礎(chǔ)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(wǎng),，IEEE802.4負責令牌總線網(wǎng),，802.5負責令牌環(huán)網(wǎng)，其他分委員會分工負責各項有關(guān)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(tǒng)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(chǔ),，出現(xiàn)了第2代,、第3代DCS系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)特點為在保證第1代DCS網(wǎng)絡(luò)延續(xù)性（即能互連）的前提下,，能實現(xiàn)多個裝置DCS互連及全廠各車間互連,，向全廠控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)互連方向發(fā)展，當然這期間更新的網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)規(guī)模在擴大,，采用光纖,，通信距離為原來的數(shù)倍，通信速率提高至10Mb/s或更高,，涵蓋工位號是原來的數(shù)倍,，工位字符數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)通信形式的現(xiàn)場儀表在增加，與PLC,、分析儀等數(shù)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(nèi)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互連在逐步實現(xiàn),，其中TDC3000網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(guī)模以上的系統(tǒng)。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(nèi)裝HMI人機界面和組態(tài)軟件或稱SCADA軟件）連成系統(tǒng),。它采用了現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，特別是DDE或OPC數(shù)據(jù)交換軟件技術(shù)及IEC61131-3標準的組態(tài)軟件，使PLC系統(tǒng)的開放性,、可用性大大提高,，成為低成本自動化的典范，現(xiàn)已逐步過渡到21世紀初的工業(yè)以太網(wǎng)為主的網(wǎng)絡(luò),，而且由羅克韋爾公司牽頭的CIP通用工業(yè)協(xié)議（common industrial protocol）已經(jīng)形成,，DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP 3層結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)已為人們接受，PLC由原來通信功能較差變成走在網(wǎng)絡(luò)化的前列,。

（6）現(xiàn)場總線技術(shù)在上世紀90年代已經(jīng)形成了開發(fā)的熱潮,。它適應(yīng)了各行業(yè)現(xiàn)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,?；饡F(xiàn)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(xiàn)場兩線制供電、防爆,、防電磁干擾,、防雷擊及冗余、現(xiàn)場控制,、互操作性,、互換性方面均經(jīng)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(chǔ)上,，用高速以太網(wǎng)（HSE,，high speed Ethernet）完成中央控制室一級或監(jiān)控層的網(wǎng)絡(luò)COTS（商業(yè)現(xiàn)貨技術(shù)）化的任務(wù)，采用了交換機等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品及傳輸層,、網(wǎng)絡(luò)層的TCP/UDP/IP協(xié)議,，保證了系統(tǒng)的開放性和可操作性。

   現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)場儀表實現(xiàn)數(shù)字化,、網(wǎng)絡(luò)化,、智能化是分不開的。目前流程工業(yè)用的變送器等現(xiàn)場儀表生產(chǎn)情況是FF占10％,，HART占40％,、模擬儀表占50％，所以還要重視現(xiàn)場檢測儀表與執(zhí)行器的更新?lián)Q代，才能使現(xiàn)場總線技術(shù)普及,。

（7）在上世紀90年代之前興起的互聯(lián)網(wǎng)（全球性的廣域網(wǎng)）及移動通信,、多媒體技術(shù)、個人計算機及操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持功能的發(fā)展等,，對自動化測控系統(tǒng)的數(shù)字通信技術(shù)的影響是非常深刻的。由于互聯(lián)網(wǎng)的普及,，“網(wǎng)絡(luò)接入業(yè)”的興起,，交換機、集成器,、5類雙絞銅纜等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品價格下降,，以太網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簇（包括TCP/IP等）的應(yīng)用技術(shù)深入到各種連網(wǎng)設(shè)備中，傳輸方式由基帶向載波,、寬帶等方式發(fā)展,，網(wǎng)絡(luò)速率由10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s等,，所以在自動化測控系統(tǒng)中興起了“工業(yè)以太網(wǎng)”熱,。又由于一部分人強調(diào)自動化測控系統(tǒng)的確定性和實時性的特點，而在商用以太網(wǎng)基礎(chǔ)上進行改造,，形成了多種實時以太網(wǎng),，但這只是一個過程，關(guān)鍵是性價比能否為用戶認可,?？傊蛑詣踊瘻y控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)扁平化,、直至“e網(wǎng)到底”的方向發(fā)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(xiàn),，適應(yīng)了21世紀初現(xiàn)場總線技術(shù)、管控一體化技術(shù)的發(fā)展,。目前,，通過現(xiàn)場總線基金會的HIST互操作性測試認證的11個主控系統(tǒng)，均是第4代DCS系統(tǒng),，而且在“基金會現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南”中指出：“所有主FF功能,，包括工程、組態(tài),、維護和操作性能應(yīng)能夠與傳統(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)兼容和無縫集成,。建議不要采用只針對FF并且與傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的功勞,，因為它能夠使如此復(fù)雜的通信要求，在經(jīng)濟適用的條件下完滿地實現(xiàn)這個融合的過程,。當然上面所說的主控系統(tǒng),，均達到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技術(shù)向以太網(wǎng)及TCP/UDP/IP協(xié)議靠攏,，與工廠管理網(wǎng)絡(luò)兼容,、數(shù)據(jù)共享，逐步形成企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Intranet,。

2 開放系統(tǒng)互連參考模型

   ISO/OSI參考模型反映了計算機網(wǎng)絡(luò)通信的工作原理,，把通信過程分段，相應(yīng)地把網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層,、表示層,、會話層、傳輸層,、網(wǎng)絡(luò)層,、數(shù)據(jù)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點各層功能的基本方法是利用硬件實現(xiàn)較低層協(xié)議,，利用軟件實現(xiàn)較高層協(xié)議,。目前已有用“專用芯片”等集成電路實現(xiàn)OSI的功能，其中以太網(wǎng)是一個很好的例子,，另外就是LonWorks技術(shù),，它的Neuron神經(jīng)元芯片中，集成了3個CPU,，將相關(guān)的OSI模型的7層通信協(xié)議,，包括兼容多種通信介質(zhì)、NeuronC控制語言、網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用,，這也是一個成功的范例,。

3 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品分類

    如果把各終端節(jié)點如何與線纜等通信介質(zhì)相連的接口卡、連接器及通信介質(zhì)和一些專門為通信而設(shè)置的節(jié)點均稱為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品,，加之對辦公用或商業(yè)用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品與工業(yè)上管理用和控制用（包括現(xiàn)場總線）的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品總和考慮，還要對通信軟件等進行分類,，將是一個復(fù)雜的工作?，F(xiàn)在從網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的低層設(shè)備功能來分,，主要有中繼器（或稱重復(fù)器repeater）,、網(wǎng)橋（bridge）、路由器（router）,、網(wǎng)關(guān)（gateway）幾種,，以上幾種均為有源產(chǎn)品。無源產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)中,，原來就有的物理層通用標準連接器如RS-232、RS-485等,，應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中,，產(chǎn)品中還有接口卡,、接口模塊、鏈接設(shè)備等,，特別是商用以太網(wǎng)的接插器（connector）、集線器（hub）,、交換機（switches）等,。

作為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品,，對于無線數(shù)字通信,，諸如調(diào)制解調(diào)器、數(shù)傳電臺等在國內(nèi)應(yīng)用已相當廣泛,，希望它將隨著商用移動通信技術(shù)有關(guān)數(shù)字通信的業(yè)務(wù)的發(fā)展而改變。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的普及,，特別是32位的ARM9等處理器嵌入式產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中的使用,，將使得網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品智能化程度、價格,、體積等方面都有改善,，這也促進了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,。

4 關(guān)于交換機

    近年來流程工業(yè)企業(yè)新建的中央控制室的網(wǎng)絡(luò)中,，交換機已廣泛使用,，特別是網(wǎng)絡(luò)圖中堆疊式交換機的圖樣很顯眼，證明自動化測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控層已在很多行業(yè)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(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā),、減少沖突域之外,，還有隔離廣播風暴、網(wǎng)絡(luò)管理等功能,，特別是工業(yè)以太網(wǎng)用交換機，還應(yīng)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境及做到雙電源供電,，避免單一電源所造成的數(shù)據(jù)流失，支持環(huán)形網(wǎng),，提供網(wǎng)絡(luò)冗余，通過安全規(guī)范認證,，做到斷線快速恢復(fù)等，正是由于增加了這些功能,，所以其價格略高于商業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。目前赫斯曼,、卓越等工業(yè)以太網(wǎng)用交換機已得到廣泛應(yīng)用,。至于商業(yè)用交換機是否可用在工業(yè)上的問題，應(yīng)該因地制宜,，具體情況具體分析,，正如不少工業(yè)企業(yè)在系統(tǒng)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(xiàn)象,，屢見不鮮,。

5 系統(tǒng)集成技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    自動化測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(tǒng)集成技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相輔相成，共同達到在網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)據(jù)和信息的目的,。系統(tǒng)集成一詞的流行始于上世紀80年代末,、90年代初,，現(xiàn)在Integrated System和System Integration的界限在逐漸模糊,，這證明系統(tǒng)集成商和最終用戶掌握網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水平在提高,，對各種網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線互聯(lián)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(chǎn)品和多協(xié)議網(wǎng)關(guān)（Modbus Ethernet TCP IP Profibus）可以滿足系統(tǒng)集成的需求。系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展,，在OPC（過程控制的對象鏈接嵌入）,、EDDL和FDT（關(guān)于互操作性）、IEC61131－3（關(guān)于組態(tài)）等3個標準推動下,，目前又向前發(fā)展，2003年發(fā)布了ISO15745標準,，它解決了系統(tǒng)集成的應(yīng)用需求和接口兩個基本問題。該標準全稱為：工業(yè)自動化系統(tǒng)和系統(tǒng)集成——開放系統(tǒng)應(yīng)用集成框架,。它分為4部分，第1部分提出了開放系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架（AIF,，application integration framework）,。自動化測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)往往牽涉到它的第2,、3,、4部分,，如基金會現(xiàn)場總線FF H1/FF HSE就與第3,、4部分相關(guān),，所以它是異構(gòu)系統(tǒng)的組合，而多種異構(gòu)系統(tǒng)中,，監(jiān)控層都采用了第4部分的以太網(wǎng)標準，交換機為中心的星型結(jié)構(gòu)比較普遍地被采用,，而且冗余技術(shù),、安全技術(shù),、質(zhì)量服務(wù)等都有較大提高。工業(yè)以太網(wǎng)實時響應(yīng)時間已打倒5～10ms,。這對于流程工業(yè)的控制系統(tǒng)（包括安全系統(tǒng)）、離散工業(yè)控制系統(tǒng)（除去少數(shù)同步要求高的運動控制系統(tǒng)）,，均可以滿足要求。所以有把握地說：實踐已經(jīng)證明,，現(xiàn)場層采用FF H1等現(xiàn)場總線,、監(jiān)控層采用一般工業(yè)以太網(wǎng)是成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將會在今后普遍被采用,。

6 結(jié)束語

（1）在參考文獻〔2〕中提到COTS,，在軍用信息系統(tǒng)中能把它作為設(shè)計原則，所以一般自動化測控系統(tǒng)更應(yīng)重視應(yīng)用COTS,，把網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的價格降下來,，使現(xiàn)場總線的“輔助設(shè)備”通用化。
（2）把自動化測控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的需求進行分類,，首先在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中推廣COTS,；針對不同行業(yè)的需求推廣不同的現(xiàn)場總線技術(shù)；工業(yè)以太網(wǎng)推廣過程中,，應(yīng)對工程應(yīng)用和開發(fā)并重,。
（3）檢測儀表，執(zhí)行器的數(shù)字化,、智能化,、網(wǎng)絡(luò)化是基礎(chǔ)，應(yīng)該在國內(nèi)大力開發(fā)這方面的新產(chǎn)品,，同時要在國內(nèi)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(chǎn)品,。
（4）在自動化行業(yè)中應(yīng)進一步普及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，雖然已有十幾種相關(guān)書籍，但為用戶辦學(xué)習班等方式仍很重要,。中國儀器儀表學(xué)會和北京合成網(wǎng)絡(luò)公司合作,，在這方面為廣大用戶服務(wù)做出榜樣,，值得推廣,。