从自动化测控系统看网络技术的发展

摘要:从历史和现状中总结出自动化测控系统的网络技术应沿着COTS(商业现货技术)的设计原则前进。

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。特别是最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,有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。这时期代表性均为模拟仪表,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)、高级数据链路规程(HDLC)和国际电报电话资讯委员会的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ISO国际标准化组织通过了开放系统互连(OSI,opensysteminterconnection)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,向全厂控制网络的系统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,通信距离为原来的数倍,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网络结构最为典型。

(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(commonindustrialprotocol)已经形成,DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP3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。FFH1/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FFH1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。

FFHSE在与FFH1无缝连接的基础上,用高速以太网(HSE,highspeedEthernet)完成中央控制室一级或监控层的网络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10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/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。