0引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革,，開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)），到第二代的DCS（分散控制系統(tǒng)）,，發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）[1],。對(duì)諸如圖像、語(yǔ)音信號(hào)等大數(shù)據(jù)量,、高速率傳輸?shù)囊?，又催生了?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù),、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),、無(wú)線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來(lái)，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間,，帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇,。

　　1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

　　計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。最早在50年代中后期,，計(jì)算機(jī)就已經(jīng)被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中,。60年代初，出現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)完全替代模擬控制的控制系統(tǒng),，被稱(chēng)為直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl,DDC）,。70年代中期，隨著微處理器的出現(xiàn),，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的快速發(fā)展的時(shí)期,，1975年世界上第一套以微處理為基礎(chǔ)的分散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)問(wèn)世，它以多臺(tái)微處理器共同分散控制,，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中管理,，被稱(chēng)為集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem,DCS）。

　　進(jìn)入80年代以后,，人們利用微處理器和一些外圍電路構(gòu)成了數(shù)字式儀表以取代模擬儀表,，這種DDC的控制方式提高了系統(tǒng)的控制精度和控制的靈活性，而且在多回路的巡回采樣及控制中具有傳統(tǒng)模擬儀表無(wú)法比擬的性能價(jià)格比,。

　　80年代中后期,，隨著工業(yè)系統(tǒng)的日益復(fù)雜，控制回路的進(jìn)一步增多,，單一的DDC控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)控制要求和生產(chǎn)工作的管理要求,，同時(shí)中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)的性能價(jià)格比有了很大提高。于是,，由中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)共同作用的分層控制系統(tǒng)得到大量應(yīng)用,。

　　進(jìn)入90年代以后，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,，使得DCS系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展,，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性,，在今天的工業(yè)控制領(lǐng)域DCS仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，但是DCS不具備開(kāi)放性,，布線復(fù)雜,，費(fèi)用較高，不同廠家產(chǎn)品的集成存在很大困難,。

　　從八十年代后期開(kāi)始,，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器,、執(zhí)行機(jī)構(gòu),、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化，人們便開(kāi)始尋求用一根通信電纜將具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái),，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信號(hào),，而是數(shù)字信號(hào)，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線,。由于它解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性和開(kāi)放性問(wèn)題,，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐漸成為了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。從那時(shí)起,，一些發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家和跨國(guó)工業(yè)公司都紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品,，形成了群雄逐鹿之勢(shì)。

　　2信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的關(guān)系

　　從發(fā)展歷程看,，信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展有相似之處,。企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展大體經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：

　　①基于主機(jī)的集中模式

　　由功能強(qiáng)大的主機(jī)完成幾乎所有的計(jì)算和處理任務(wù),，用戶和主機(jī)的交互很少,。

　　②基于工作組的分層結(jié)構(gòu)

　　微機(jī)和局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使工作性質(zhì)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(xié)作得到了加強(qiáng)。

　?、刍贗nternet/Intranet/Extranet的網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)組織

　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使它成為現(xiàn)代信息技術(shù)的主流，特別是Internet的發(fā)展和普及應(yīng)用使它成為公認(rèn)的未來(lái)全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的雛形,。采用Internet成熟的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn),，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和企業(yè)外聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn),，于是便形成了以Intranet為中心,，以Extranet為補(bǔ)充，依托于Internet的新一代企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施（企業(yè)網(wǎng)）,。

　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也是經(jīng)歷了集中控制,、分層控制、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)控制等幾個(gè)發(fā)展階段，它們的發(fā)展過(guò)程是非常相似的,。

　　隨著企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的深入應(yīng)用與日臻完善，現(xiàn)場(chǎng)控制信息進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控是必然的趨勢(shì),。為提高企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,，許多企業(yè)都在盡力建立全方位的管理信息系統(tǒng)，它必須包括生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,，以確保實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài),，使企業(yè)管理決策科學(xué)化,，達(dá)到生產(chǎn),、經(jīng)營(yíng)、管理的最優(yōu)化狀態(tài),。信息一控制一體化將為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動(dòng)化CIPA（computerintegratedplantautomation）和企業(yè)信息化創(chuàng)造有利條件,。

　　企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)發(fā)展過(guò)程上的相似性不是偶然的,。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中,，每一種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)的出現(xiàn)總是滯后于相應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,。實(shí)際上,，大多數(shù)情況下，正是在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一種新技術(shù)出現(xiàn)以后,，人們才開(kāi)始研究如何將這種新技術(shù)應(yīng)用于控制領(lǐng)域,。鑒于兩種應(yīng)用環(huán)境的差異,，其中的技術(shù)細(xì)節(jié)作了適當(dāng)修改和補(bǔ)充，但關(guān)鍵技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)上,，它們有許多共同的地方,。正是由于二者在發(fā)展過(guò)程中的這種關(guān)系,，使得實(shí)現(xiàn)信息一控制一體化成為可能,。

  　3現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　在40年代,，過(guò)程控制是基于3～15PSI的氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),。其后,，由于4～20mA模擬信號(hào)的使用,，使得模擬控制器得到了廣泛應(yīng)用,，但是并不是所有的傳感儀表和驅(qū)動(dòng)裝置都使用統(tǒng)一的4～20mA信號(hào),。70年代,，由于在檢測(cè),、模擬控制和邏輯控制領(lǐng)域率先使用了計(jì)算機(jī),，從而產(chǎn)生了集中控制,。進(jìn)入80年代，由于微處理器的出現(xiàn),，促使工業(yè)儀表進(jìn)入了數(shù)字化和智能化的時(shí)代，4～20mA模擬信號(hào)傳輸逐步被數(shù)字化通信代替,，加之分布式控制以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,，促進(jìn)了控制,、調(diào)度,、優(yōu)化、決策等功能一體化的發(fā)展,。然而由于檢測(cè),、變送,、執(zhí)行等機(jī)構(gòu)大都采用模擬信號(hào)連接,，其傳送方式是一對(duì)一結(jié)構(gòu),，這使得接線復(fù)雜,，工程費(fèi)用高,，維護(hù)困難,，而信號(hào)傳輸精度底,，易受干擾，儀表互換性差,，這都阻礙了上層系統(tǒng)的功能發(fā)揮,。另一方面，由于智能儀表的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表,，如對(duì)量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)定,，儀表工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自診斷，能進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量和對(duì)環(huán)境影響的補(bǔ)償?shù)?。由此可?jiàn),，智能儀表和控制系統(tǒng)的發(fā)展，都要求上層系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信,。

　　為了克服DCS系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸,進(jìn)一步滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它實(shí)際上是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字式,、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò),也被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)（INFRANET）。和Internet,、Intranet等類(lèi)型的信息網(wǎng)絡(luò)不同,控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過(guò)程,因此要求很高的實(shí)時(shí)性,、可靠性,、資料完整性和可用性,。為滿足這些特性,現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議作了簡(jiǎn)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(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線在發(fā)展的最初,各個(gè)公司都提出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議,。IEC組織于1999年12月31日投票,確定了8大總線作為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),其中包括CANBus、ProfitBus,、InterBus-S、ModBus,、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基礎(chǔ)上形成了新的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystemFCS）,。它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段,從根本上突破了傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”式的模擬信號(hào)或數(shù)字———模擬信號(hào)控制的局限性,構(gòu)成一種全分散,、全數(shù)字化、智能,、雙向、互連,、多變量、多接點(diǎn)的通信與控制系統(tǒng)。相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大的變化,。FCS的典型結(jié)構(gòu)分為3層：設(shè)備層、控制層和信息層,。

　　雖然現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展非常迅速,但也存在許多問(wèn)題,制約其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大,。

　　（1）首先是現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇,。雖然目前IEC組織已達(dá)成了國(guó)際總線標(biāo)準(zhǔn),但總線種類(lèi)仍然過(guò)多,而每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有自己最合適的應(yīng)用領(lǐng)域,如何在實(shí)際中根據(jù)應(yīng)用對(duì)象,將不同層次的現(xiàn)場(chǎng)總線組合使用,使系統(tǒng)的各部分都選擇最合適的現(xiàn)場(chǎng)總線,對(duì)用戶來(lái)說(shuō),仍然是比較棘手的問(wèn)題,。

　　（2）系統(tǒng)的集成問(wèn)題,。由于實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)系統(tǒng)很可能采用多種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線,因此如何把工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)縫的集成,從而使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管控一體化,是關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)布局時(shí),不僅要考慮各現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的距離,還要考慮現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)之間的功能關(guān)系、信息在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)情況等,。由于智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能很強(qiáng),因此許多儀表會(huì)有同樣的功能塊,組態(tài)時(shí)選哪個(gè)功能塊是要仔細(xì)考慮的;要使網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)最小化,。同時(shí)通信參數(shù)的組態(tài)也很重要,要在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)效率之間做好平衡。

　?。?）存在技術(shù)瓶頸問(wèn)題[2],。主要表現(xiàn)在：

　　a.當(dāng)總線電纜截?cái)鄷r(shí),整個(gè)系統(tǒng)有可能癱瘓。

　　用戶希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低,但不能崩潰,這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場(chǎng)總線不能保證,。

　　b.本安防爆理論的制約?，F(xiàn)有的防爆規(guī)定限制總線的長(zhǎng)度和總線上負(fù)載的數(shù)量。這就是限制了現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省線纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮,。目前各國(guó)都在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全概念（FISCO）理論加強(qiáng)研究,爭(zhēng)取有所突破,。

　　C.系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過(guò)分復(fù)雜。現(xiàn)場(chǎng)總線的組態(tài)

　　參數(shù)很多,不容易掌握,但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞,對(duì)系統(tǒng)性能影響很大,。

　　4以太控制網(wǎng)絡(luò)

　　控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,其基本趨勢(shì)是逐漸趨向于開(kāi)放性,、透明的通訊協(xié)議。上述出現(xiàn)的問(wèn)題,根本原因在于現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放性是有條件的,、不徹底的。以太網(wǎng)具有傳輸速度高,、低耗,、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì),由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。近些年來(lái),隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以太網(wǎng)進(jìn)入了控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。這主要是由于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向分布化,、智能化控制方面發(fā)展,開(kāi)放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。目前的現(xiàn)場(chǎng)總線由于種類(lèi)繁多,互不兼容,尚不能滿足這一要求,。而以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的開(kāi)放性使得在工控領(lǐng)域通訊這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),。

   　5目前存在的問(wèn)題

　　通常我們考慮將控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，主要將網(wǎng)絡(luò)化與現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)系在一起,。目前在控制領(lǐng)域較有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有：FF,、LonWorks、Profibus,、CAN,、HART，以及RS485的總線網(wǎng)絡(luò)等?，F(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)己經(jīng)制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（（FF），其慢速總線標(biāo)準(zhǔn)Hl已得到通過(guò)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),，其高速總線標(biāo)準(zhǔn)H2還在制訂中,。但是由于商業(yè)利潤(rùn)、技術(shù)壟斷等原因,，目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品仍然是百花齊放的局面,，這對(duì)降低系統(tǒng)成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍產(chǎn)生不利影響,。

　　以太網(wǎng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,，目前主流產(chǎn)品的速度己經(jīng)達(dá)到100Mbps，千兆以太網(wǎng)也己經(jīng)投入使用,，其網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和軟件發(fā)展速度很快,。以太網(wǎng)以成本低、組網(wǎng)方便,、軟硬件豐富,、可靠性高等特點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)可。

　　Internet飛速發(fā)展的主要原因在于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用,，TCP/IP協(xié)議是極其靈活的,，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)底層技術(shù)都可用于傳輸TCP/IP的通信。應(yīng)用TCP/IP的以太網(wǎng)已經(jīng)成為最流行的分組交換局域網(wǎng)技術(shù),，同時(shí)也是最具開(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。

　　由此，我們考慮將Internet及其相關(guān)技術(shù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)中,，利用Internet上開(kāi)放的,、并且己經(jīng)成熟的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，加快工業(yè)企業(yè)的信息一控制一體化進(jìn)程,，不失為一種較為可行的問(wèn)題解決方案,。

　　6總結(jié)

　　從目前趨勢(shì)來(lái)看,工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)毋庸置疑。但至少現(xiàn)在看來(lái),它還難以完全取代現(xiàn)場(chǎng)總線,作為實(shí)時(shí)控制通信的單一標(biāo)準(zhǔn)。已有的現(xiàn)場(chǎng)總線仍將繼續(xù)存在,最有可能的是發(fā)展一種混合式控制系統(tǒng)[6],。