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做座自动化控制系统网络技术的发展

发布时间:2021-10-12 00:24:00 阅读: 来源:缎类厂家

自动化控制系统络技术的发展

1、引言

新世纪以来,信息化速度在加快。自动化控制系统中,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络化有很大变化,就连机械制造为主的离散工业自动化,特别是流程工业自动化方面也向数字化、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,已经在其自动化控制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主流络产品,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,为管控一体化打下了坚实的基础。这是对传统DCS的重大突破。在此十一五规划开始之年,有必要从自动化控制系统的角度,看一看络技术的发展历史,温故而知新。

2、历史回顾

电报、等出现后,就有了用于信息传递的通信络,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络系统。自动化控制系统是一种完成测量和控制功能的分布式计算机局域,其发展过程如下:

2.1 70年代DCS初级通讯系统

上世纪70年代中期开始出现DCS分散型控液态金属具有韧性强、弹性好、磁化快等优点制系统,这是在并无统一络标准的情况下,以大型企业为主各自完成的。络规模大约节点有个,通信距离约在1公里以内,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1Mbps以内。在控制站、操作站内均有 通信卡 等专用络部件。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,可与之相链接。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)和国际电报咨询委员会的CCITTX.25等。

2.2 1975年推出以太(Ethernet)

1975年美国施乐(Xerox)公司推出了以太(Ethernet),以后3COM等多家供应商参与,在此基础上形成的以太局域,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。

2.3 始于1980年的ISO/OSI参考模型与IEEE802家族标准

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),负责制定局域标准。又1983年ISO国际标准化组织通过了开放系统互联参改模型(OSI,Open System Interconnection)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,(后来又增加成13个委员会)(为22个分委员会),其中IEEE802.3负责CSMA/CD,IEEE802.4负责令牌总线,802.5负责令牌环(其他分委员会负责高层接口、逻辑电路控制、广域、宽带、光纤、数据和语音综合络、可互操作的局域的安全、无线局域、有限高速局域、有线电视等),这些分委员会的工作,后来形成了ISO的标准,而我们对这些标准,又统称为IEEE802标准。

2.4 80年代中后期DCS通讯络发展里程碑 TDC3000络

80年代中后期,有了上述ISO/OSI参考模型和IEEE802标准基础,出现了第二代、第三代DCS系统,其络特点为在保证第一代DCS络延续性(即能互连)的前提下,能实现多个装置DCS互联及全厂各车间互联,向全厂控制络与管理络互联方向发展,当然这期间更新的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10Mbps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的数据通信型式的现场仪表在增加,与PLC、分析仪等数字通信的能力增强。又不同厂家的DC的互联问题已提到日程上来了,DCS内异构的络互联在逐步实现,其中TDC3000络结构最为典型。DHW(250Kpbs)通过HG(数据高速通道的)与LCN(局部控制络)相连;与DHW相当的新开发的总线VCN(万能控制络)通过NIM(络接口模件)与LCN相连。LCN络可接645模件,通信速率为5Mbps,采用同轴电缆,通信距离为300米(光纤通信时为2000米),用于控制室内操作站、应用模件、历史模件上位机接口(CG)等互连,并通过DHW、VCN与控制站相连,通向现场,LCN采用一种专有的含误差检查的 令牌传递 协议。CG与现套接口软件CM50S、CM50N配合保证与上位机相连,完成工厂管理的和高级控制的功能。VCN可按63个模件(32个冗余设备),通信速率为5Mbps,采用电轴电缆,通信距离300米,其上接控制站PM、APM、LM等,UCN及LCN已经参考了IEEE802.4通信模型。

2.5 80年代后起之秀的PLC多层通讯

PLC可编程控制器在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RS232/RS485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,它采用了现成的络技术,特别是DDE或OPC数据交换软件技术及IEC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世纪初的工业以太为主的络,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,DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP三层结构的通信络,已为人们接受,PLC由原来通信功能较差变成走在络化的前列。

2.5 90年代现场总线热潮方兴未艾

现场总线技术在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,细分传送数据宽度的位级的传感器总线,传送数据宽度为字节级的设备总线、传送数据宽度为数据流或功能块级的现场总线,FF HI/FF HSE等对过程控制更适合些,Profibus、Device Net等对离散控制更适合。基金会现场总线FF HI采用了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(PID单回路调节、串级调节、选择性调节、比值调节等常规控制均在现场完成)、互操作性、互换性方面均经受了实际工程的较长期的考验。FFHI在通信上考虑了段上各种设备的特点及现场传输信号的特点,为多年相关经验的总结。把现场总线设备的通信连接(一种软连接)这种虚拟通信系统VCR(Virtual Communication Relationship)分成三种类型,即设置参数或改变操作方式的客户/服务器型(C/S)、刷新功能块的输入输出的发行者/预定者型(P/S)、事件报告、趋势报告的报告分发型(S/S 源点/受点),并且利用对象字典(OD)、设备描述语言(DDL)及用户层的功能块应用过程等,完成自动化系统测量数据采集、控制回路任务,及保证可互操作性。FF HSE在与FF HI无缝连接的基础上,用高速以太(HSE:High Speed Ethernet)完成中央控制室一级或监控层的络COTS化的任务,采用了交换机等络产品及传输层、络层的TCP/VDP/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、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。

2.6 e到底 前程似锦

在90年代之前兴起的互联(全球性的广域),及移动通信、多媒体技术、个人计算机及操作系统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。由于互联的普及, 络接入业 的兴起,交换机、集线器、5类双绞铜缆等络产品价格下降,以太及互联协议簇(包括TCP/IP等)的应用技术深入到各种连设备中,传输方式由基带向载波、宽带等方式发展,络速率由10M提升至100M、1000Mbps等,所以在自动化测控系统中兴起了 工业以太 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,而在商用以太基础上肯定了攻关项目的技术思路进行改造,形成了多种实时以太,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络扁平化、直至 e到底 的方向发展,这个趋势是明显的,只是有待时日而已!

2.7 新世纪FCS与DCS孰是孰非

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的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的通信技术向以太及TCP/VDP/IP协议靠拢,与工厂管理络兼容,数据共享,逐步形成企业互联Intranet。

3、开放系统互联参改模型

ISO/OSI参改模型反映了计算机络通信的工作原理1起来看看吧!,把通信过程分段,相应把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。这个过程与邮政信件的邮递过程很相似,即按照收发信者活动、邮局服务业务、邮局转送投递业务(分栋、集装邮包或相反的折封邮包、分栋)、运输部门邮包运输管理来划分层次。计算机络通信对应分应用层、表示层、会议层、传输层、络层、数据链路层、物理层共7层,这就是OSI模型。

每一层的功能是独立的,与上下层有关,同等层之间的通信规划形成通信协议。如本文前面提到的IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5同属物理层及数据链路层的介质访问控制(MAC)子层的不同的通信协议。

实现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,或低层(层)通信传送功能络和终端都具有,而高层(层)通信管理功能由终端设备提供。如果某种络用途较广,更多的采用 专用芯片 等集成电路,则可以获得更高的性价比,而且这往往为某种局域技术生存的要害。众所周知,商用以太是一个很好的例子,另外就是Lonworks技术,它得到了Motolora和东芝及后来加入的Cypress公司等器件公司的支持,生产的Neuron神经元芯片中,集成了3个CPU,将相关的OSI模型的7层通过协议包括兼容多种通信介质、Neuron C控制语言、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中得到广泛应用,这也是一个成功的范例。

4、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络产品,加之对办公用或商业用络产品与工业上管理用和控制用(包括现场总线)的络产品综合考虑,还要对通信软件等进行分类,将是一个复杂的工作。现在从络互联的低层设备功能来分,主要有中继器(或称重复器repeater)、桥(bridge)、路由器(router)、关(gateway)几种,以上几种均为有源产品。其功能简单地说:中继器为同一种段上加强信号用;桥用于同一种通信协议不同传输速率的两个段的连接;路由器用于更为复杂的采用同一种通信协议的络进行通信路径选择;关用于两种不同通信协议的段或络之间信号和数据的变换。以上一般均为有源产品。无源产品有T型分支(Tee)、无源多端口集线器(Passivehub)、终端器、电缆、光缆等。

在实际络中,商品名词还有接口卡、接口模块、链接设备等,特别是商用以太的接插器(Connector)、集线器(hub)、交换机(Switches)已成为目前通用的络产品,它们要用于工业现场还需要根据环境条件进行强化设计,方可成为工业以太的通用产品。其融合过程是在加速中,在 世纪之交论自动化系统工程产业 一文中所指出的一段话的现象,是不会再出现了( 我们可以用50美圆购买一块以太卡用于PC机。而XXX生产商要求我们用2000美圆购买同样的东西,这真是疯狂 )。

作为络产品,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,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,这将另设专门文章来表述。

嵌入式系统技术的普及,特别是32位的RM9等处理器嵌入式产品在络产品中的使用,将使得络产品智能化程度、价格、体积等方面都有改善,这也促进了络技术的发展。

5、关于交换机

近年来流程工业企业新建的中央控制室的络中,交换机已广泛使用,特别是络图中堆叠式交换机的图样很显眼,证明自动化测控系统络的监控层已在很多行业中采用交换机。谈到交换机,最早用于络中,它把要求通信的输入线和被呼叫的输出线接通 ,经过几代产品更新换代,现在已由工作在OSI模型中的第2层发展到工作在第2、3层,即数据链路层和络层。交换机是多条点线的交换矩阵互连,即把每个端口都挂在一条带宽很高的背板总线上。也可以说第2层交换机称为交换式集线器或多口桥;第3层交换机除具有第2层交换机功能外,还具有路由器功能,即进行通信路程选择(IP/IPX路由)。关于集线器实质为中继器,当然也属于OSI第2层设备,有MAC子层CSMA/CD算法,即在连接的多个端口中,随机选出某一端口设备,并上连交换机等设备。

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、络管理等功能,特别是工业以太用交换机,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,提供络冗余,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产品,目前赫斯曼、卓越等工业以太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,操作站使用名牌戴尔计算机而不使用一般工控机的现象,屡见不鲜。

6、系统集成技术与络技术

自动化测控系统的基础是3C(Computer、Control、Communication)和1 I(Intefration),目前又提出了1S(Solution)目标,它的推动力是电控、仪控一体化和管控一体化。系统集成技术与络技术相辅相成,共同达到在络上共享数据和信息的目的。系统集成一词流行始于80年代末、90年代初,现在Integrated System和System Integration的界限在逐渐模糊了,这证明系统集成商和最终用户掌握,络技术的水平在提高,对各种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)、IEC(关于组态)三个标准推动下,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,分为4部分:通用参改描述、以ISO11898标准为基础的控制系统的参改描述、以IEC61158标准为基础的控制系统的参改描述、以以太标准为基础的控制系统的参改描述。第一部分提出了开放系统的应用集成框架(AIF,Application Integration Framework),它定义了一些元素和规则,构成集成模型来表示应用需求,并开发应用互操作专用规范AIP,这个AIP是接口规范的表示形式,并要求开发AIP时,应用UML、XML等来描述和表达。这些对系统集成技术发展起到了里程碑式作用。自动化测控系统的络往往牵涉到第二、三、四部分,如基金会现场总线FFHI/FF HSE就与第三、四部分相关,所以它是异构系统的组合,而多种异构系统中,监控层都采用了第四部分的以太标准,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。工业以太实时向已达到ms,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 HI等现场总线、监控层采用一般工业以太是成熟的络技术,将会在今后普遍被采用。

否则很容易造成机器故障及人员伤害等险情在工业以太推广过程中,还应把Web浏览等互联技术在工业上应用搞到位,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社会服务的作用。

7、结束语

在参考文献[2]的文章 军用ATE/ATS技术的发展 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COTS原则。COTS原文为Commercial off the sheff technology商业现货技术,这在络技术方面同样重要,我们应看到自动化测控系统在络技术方面的共性,把络产品的价格降下来,使现场总线的 辅助设备 通用化 。COTS与创新是不矛盾的,而且创新成果必须是在商业现货基础以商品的形式出现在市场上的,否则是毫无生命力的,创新开始就要吃透COTS原则。当然要做到集成创新,那就更离不开COTS了。

把自动化控制系统对络的需求分类,首先在数据采集系统中推广COTS原则;针对不同行业的需求推广不同的现场总线技术;工业以太推广过程中,应对工程应用和开发并重。

检测仪表、执行器的数字化、智能化、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、可互换性,争取成为国际上认可的产品。

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