从自动化测控系统看网络技术的发展

进入新世纪,信息化速度在加快,自动化测控系统中,不仅在办公自动化系统,智能大厦自动化系统,市政、交通、物流、商业、银行等公用工程自动化系统方面的网络化有很大变化,就连机械制造为生的离散工业自动化,特别是流程工业自动化方面也向数字化、网络化、智能化方面前进了可喜的一步。特别是*近陆续开工建设或已试车成功的特大型炼化项目,已经在其自动化测控系统中的现场层采用了约1/4的FF(基金会现场总线)等现场总线产品,监控层基本采用了高速以太网主流网络产品,逐步做到控制彻底分散、操作显示及管理高度集中(全厂15个装置集中在一个总控制室操作),系统数字化程度有了质的飞跃,为管理一体化打下了坚实的基础。这是对传统的DCS(分布式控制系统)的重大突破。在此“十一五”规划开始之年,必要从自动化测控系统的角度,看一看网络技术的发展历史,温故而知新。
1、历史回顾
电报、电话等出现后,就有了用于信息传递的通信网络,特别是微型计算机出现后,功能不同或地域不同的计算机之间连成网络,数字通信技术就由一般单机(主机对终端)、多机通信扩展成计算机网络系统。自动化测控系统是一种完成测量和控制功能的分布式计算机局域网,其发展过程如下:
(1)上世纪70年代中期开始出现DCS,这是在并无统一网络标准的情况下,以大型企业为主各自完成的。网络规模大约节点有32~64个,通信距离约在1km以内,主要节点为控制站和操作站,拓扑结构以环形和总线型为主,通信介质多为同轴电缆,也有采用双绞线的,通信速率为1Mb/s以内。在控制站、操作站内均有“通信卡”等专用网络部件。这时期代表性的产品有TDC2000的DHW(数据高速公路)总线和CENTUM的F总线等,均采用“令牌总线”通信协议。数据共享方面已做到按工位号操作。这时现场仪表均为模拟仪表,少数专用设备有RS-232/RS-422/RS-485等串口,可与之相连接。这期间通信规程中有IBM等提出的同步数据链路规程(SDLC)、上等数据链路规程(HDLC)和国际电报电话咨询委员会的CCITTX.25等。
(2)在这个期间,在办公自动化设备发展中,1975年美国施乐(Xerox)公司推出了以太网(Ethernet),以后3COM等多家供应商参与,在此基础上形成的以太网局域网,在突发性事务处理的各种通用系统中得到了较大发展,以太网以载波侦听多路访问/冲突检测方式即CSMA/CD方式进行数据通信。
(3)在上述两方面技术的基础上,1980年2月,IEEE电子电气工程师协会建立了一个委员会(简称IEEE802委员会),负责制定局域网标准。又1983年IS0国际标准化组织通过了开放系统互连(OSI,open system interconnection)参考模型,即ISO/OSI参考模型,在此基础上,1985年IEEE802委员会成立9个分委员会(后来又增加到13个分委员会),其中IEEE802.3负责CSMA/CD网,IEEE802.4负责令牌总线网,802.5负责令牌环网,其他分委员会分工负责各项有关工作。这些分委员会的工作,后来形成了ISO的标准。这些标准,又统称为IEEE802标准。
(4)上世纪80年代中后期,有了上述ISO/OSI参考模型和IEEE802标准的基础,出现了第2代、第3代DCS系统,其网络特点为在保证第1代DCS网络延续性(即能互连)的前提下,能实现多个装置DCS互连及全厂各车间互连,向全厂控制网络与管理网络互连方向发展,当然这期间更新的网络的系统规模在扩大,采用光纤,通信距离为原来数倍,通信速率提高至10Mb/s或更高,涵盖工位号是原来的数倍,工位字符数由8位字符增至12个字符,而且形成了域的概念,但这期间现场仪表仍以模拟仪表或HART标准的仪表为主,只是远程I/O的数据通信形式的现场仪表在增加,与PLC、分析仪等数字通信的能力在增强。又不同厂家的DCS的互连已提到日程上来了,DCS内异构的网络互连在逐步实现,其中TDC3000网络结构*为典型。
(5)PLC可编程控制器在上世纪80年代已由单独控制器连成中小型规模以上的系统。1990年前后一台或多台PLC通过RS-232/RS-485串口与1台或多台PC机(操作站,内装HMI人机界面和组态软件或称SCADA软件)连成系统。它采用了现成的网络技术,特别是DDE或OPC数据交换软件技术及IEC61131-3标准的组态软件,使PLC系统的开放性、可用性大大提高,成为低成本自动化的典范,现已逐步过渡到21世纪初的工业以太网为主的网络,而且由罗克韦尔公司牵头的CIP通用工业协议(common industrial protocol)已经形成,Device Net/Control Net/Ethernet /IP 3层结构的通信网络已为人们接受,PLC由原来通信功能较差变成走在网络化的前列。
(6)现场总线技术在上世纪90年代已经形成了开发的热潮。它适应了各行业现场测控方面的需求,形成了多标准并存的局面。FP H1/FFHSE等对过程控制更适合些,Profibus、DeviceNet等对离散控制更适合。基金会现场总线FF H1采用ISO/OSI通信模型的1、2、7层及用户层,它在现场两线制供电、防爆、防电磁干扰、防雷击及冗余、现场控制、互操作性、互换性方面均经受了实际工程的较长期的考验。
FF HSE在与PPH1无缝连接的基础上,用高速以太网(HSE,high speed Ethernet)完成中央控制室上等或监控层的网络COTS(商业现货技术)化的任务,采用了交换机等网络产品及传输层、网络层的TCP/UDP/IP协议,保证了系统的开放性和可互操作性。
现场总线技术发展与现场仪表实现数字化、网络化、智能化是分不开的。目前流程工业用的变送器等现场仪表生产情况是FF占10%,HART占40%、模拟仪表占50%,所以还要重视现场检测仪表与执行器的更新换代,才能使现场总线技术普及。
(7)在上世纪90年代之前兴起的互联网(全球性的广域网)及移动通信、多媒体技术、个人计算机及操作系统网络支持功能的发展等,对自动化测控系统的数字通信技术的影响是非常深刻的。由于互联网的普及,“网络接入业”的兴起,交换机、集成器、5类双绞铜缆等网络产品价格下降,以太网及互联网协议簇(包括TCP/IP等)的应用技术深入到各种连网设备中,传输方式由基带向载波、宽带等方式发展,网络速率由10 Mb/s提升至100 Mb/s、1000 Mb/s等,所以在自动化测控系统中兴起了“工业以太网”热。又由于一部分人强调自动化测控系统的确定性和实时性的特点,而在商用以太网基础上进行改造,形成了多种实时以太网,但这只是一个过程,关键是性价比能否为用户认可。总之,向着自动化测控系统网络扁平化、直至“e网到底”的方向发展,这个趋势是明显的,只是有待时日而已。
(8)第4代DCS的出现,适应了21世纪初现场总线技术、管控一体化技术的发展。目前,通过现场总线基金会的HIST互操作性测试认证的11个主控系统,均是第4代DCS系统,而且在“基金会现场总线系统工程指南”中指出:“所有主FF功能,包括工程、组态、维护和操作显示功能,应集成在单个无缝主系统中。工程、组态、维护和操作性能应能够与传统模拟或离散I/O、智能HART和专用I/O、基于总线的I/O和FF系统实现兼容和无缝集成。建议不要采用只针对FF并且与传统系统不兼容的独立软件工具、显示或程序。”从而为“FCS取代DCS”等观点,找到了解决的出路,即共同融合、相辅相成、DCS和FCS双赢的道路。这是网络技术的功劳,因为它能够使如此复杂的通信要求,在经济适用的条件下完满地实现这个融合的过程。当然上面所说的主控系统,均达到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技术向以太网及TCP/UDP/IP协议靠拢,与工厂管理网络兼容、数据共享,逐步形成企业互联网Intranet。
2 开放系统互连参考模型
ISO/OSI参考模型反映了计算机网络通信的工作原理,把通信过程分段,相应地把网络功能分为不同的逻辑和物理层次,即不同功能层次完成不同通信阶段的工作。OSI模型分为7层,即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。它与FFH1、FF HSE 通信模型之间的比较如图1所示。




图1 OSI模型与基金会现场总线通信模型比较
实现网络节点各层功能的基本方法是利用硬件实现较低层协议,利用软件实现较高层协议。目前已有用“专用芯片”等集成电路实现OSI的功能,其中以太网是一个很好的例子,另外就是Lon Works技术,它的Neuron 神经元芯片中,集成了3个CPU,将相关的OSI模型的7层通信协议,包括兼容多种通信介质、Neuron C控制语言、网络变量等,均固化在其中,使通信达到能互操作水平,从而在智能大厦等局域网中得到广泛应用,这也是一个成功的范例。
3 网络产品分类
如果把各终端节点如何与线缆等通信介质相连的接口卡、连接器及通信介质和一些专门为通信而设置的节点均称为网络产品,加之对办公用或商业用网络产品与工业上管理用和控制用(包括现场总线)的网络产品综合考虑,还要对通信软件等进行分类,将是一个复杂的工作。现在从网络互联的低层设备功能来分,主要有中继器(或称重复器repeater)、网桥(bridge)、路由器(router)、网关(gateway)几种,以上几种均为有源产品。无源产品有T型分支(Tee)、无源多端口集线器(passive hub)、终端器、电缆、光缆等。
在实际网络中,原来就有的物理层通用标准连接器如RS-232、RS-485等,应用很广,这也解决了很多简单的通信需求,而它们的商品形式又是多种多样的。
在实际网络中,产品中还有接口卡、接口模块、链接设等,特别是商用以太网的接插(connector)、集线器(hub)、交换机(switches)等。
作为网络产品,对于无线数字通信,诸如调制解调器、数传电台等在国内应用已相当广泛,希望它将随着商用移动通信技术有关数字通信的业务的发展而改变。
嵌入式系统技术的普及,特别是32位的ARM9等处理器嵌入式产品在网络产品中的使用,将使得网络产品智能化程度、价格、体积等方面都有改善,这也促进了网络技术的发展。
4 关于交换机
近年来流程工业企业新建的中央控制室的网络中,交换机已广泛使用,特别是网络图中堆叠式交换机的图样很显眼,证明自动化测控系统网络的监控层已在很多行业中采用了交换机。交换机是多条总线的交换矩阵互连,即把每个端口都掛在一条带宽很高的背板总线上。
交换机除去封装数据包进行转发、减少冲突域之外,还有隔离广播风暴、网络管理等功能,特别是工业以太网用交换机,还应适应工业环境及做到双电源供电,避免单一电源所造成的数据流失,支持环形网,提供网络冗余,通过安全规范认证,做到断线快速恢复等,正是由于增加了这些功能,所以其价格略高于商业以太网产品。目前赫斯曼、卓越等工业以太网用交换机已得到广泛应用。至于商业用交换机是否可用在工业上的问题,应该因地制宜,具体情况具体分析,正如不少工业企业在系统集成中,操作站使用品牌戴尔计算机而不使用一般工控机的现象,屡见不鲜。
5 系统集成技术与网络技术
自动化测控系统的基础是3C(computer,control,communication)和1I(integration),目前又提出1S(solution)目标,它的推动力是电控、仪控一体化和管控一体化。系统集成技术与网络技术相辅相成,共同达到在网络上共享数据和信息的目的。系统集成一词的流行始于上世纪80年代末、90年代初,现在Integrated System和System Integration的界限在逐渐模糊,这证明系统集成商和*终用户掌握网络技术的水平在提高,对各种网络或现场总线互联的接口卡的需求在扩大。美国Woodhead公司、Prosoft公司等的几十种接口卡产品和多协议网关(Modbus↔Ethernet TCP IP↔Profibus)可以满足系统集成的需求。系统集成技术的发展,在OPC(过程控制的对象链接嵌入)、EDDL和FDT(关于互操作性)、IEC61131-3(关于组态)等3个标准推动下,目前又向前发展,2003年发布了ISO15745标准,它解决了系统集成的应用需求和接口两个基本问题。该标准全称为:工业自动化系统和系统集成——开放系统应用集成框架。它分为4部分,第1部分提出了开放系统的应用集成框架(AIF,application integration framework)。自动化测控系统的网络往往牵涉到它的第2、3、4部分,如基金会现场总线FF H1/FFHSE就与第3、4部分相关,所以它是异构系统的组合,而多种异构系统中,监控层都采用了第4部分的以太网标准,交换机为中心的星形结构比较普遍地被采用,而且冗余技术、安全技术、质量服务等都有较大提高。工业以太网实时响应时间已达到5~10ms。这对于流程工业的控制系统(包括安全系统)、离散工业控制系统(除去少数同步要求高的运动控制系统),均可以满足要求。所以有把握地说:实践已经证明,现场层采用 FF H1 等现场总线、监控层采用一般工业以太网是成熟的网络技术,将会在今后普遍被采用。
在工业以太网推广过程中,还应将Web浏览等互联网技术应用到工业上。也就是说要让相关的人们可以放心地浏览现场数据,从而在地域方面使生产方式、公用工程管理方式发生变化,起到促进生产力和改进会服务的作用。
6 结束语
(1)在参考文献[2]中提到COTS,在军用信息系统中能把它作为设计原则,所以一般自动化测控系统更应重视应用COTS,把网络产品的价格降下来,使现场总线的“辅助设备”通用化。
(2)把自动化测控系统对网络的需求进行分类,首先在数据采集系统中推广COTS;针对不同行业的需求推广不同的现场总线技术;工业以太网推广过程中,应对工程应用和开发并重。
(3)检测仪表,执行器的数字化、智能化、网络化是基础,应该在国内大力开发这方面的新产品,同时要在国内建立测试中心、认证中心,开展标准化的工作,确保开放性、可互操作性、可互换性,争取成为国际上认可的产品。
(4)在自动化行业中应进一步普及网络技术,虽然已有十几种相关书籍,但为用户办学习班等方式仍很重要。中国仪器仪表学会和北京合成网络公司合作,在这方面为广大用户服务做出榜样,值得推广。
转自《测控技术》杂志
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