7.3.3 工業控制網絡的發展
  (1)集散控制系統
  隨著微電子技術、計算機技術以及通信技術的飛速發展.工業控制系統經歷了不同的發展階段：電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統、現場總線控制系統、網絡化控制系統等幾個階段。與此同時，作為控制系統的重要組成部分-工業控制網絡,也不斷地向前發展。
  20世紀60年代開始.控制室和現場儀表之間采用電氣信號傳輸，電動組合儀表如控制器、顯示儀表、記錄儀等開始大量使用，工廠自動化控制體系初步形成。嚴格地說，電纜上的電氣信號傳輸還不能稱之為工業控制網絡。
  20世紀70年代中期出現的集散控制系統（DCS,Distributed Control System），是控制體系結構的一次大變革，同時，DCS也可以看做是工業控制網絡的雛形，如圖7-8所示。幾十年來，DCS由以分散控制為主的早期產品發展到了以全面信息管理為特點的新型綜合控制系統。電子信息產業的開放和現場總線技術的成熟與應用，造就了新一代DCS,其技術特點呈現信息化和全集成化的發展趨勢，而且大量采用了通信、網絡技術的成果，具有ODBC、COM/DCOM、OPC等開放網絡接口技術。同時，DCS和現場總線、航業以太網相結合，進行信息互連，構成大規模的綜合控制系統。DCS的不斷發展賦予其很強的生命力，在今后相當長的時期內，DCS仍將作為一種重要的控制系統得到廣泛應用。

  (2)現場總線
  現場總線控制系統（FCS，FieldbUs Control System），是20世紀80年代末、90年代初在歐洲發展形成的。國際電工委員會在IEC61158標準中對現場總線的定義是：安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。作為新一代控制系統，一方面，它突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面，它把DCS的集中與分敢相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。現場總線控制網絡結構如圖7-9所示。

  現場總線不單單是一種通信技術，不僅僅在于用數字儀表代替模擬儀表，更重要的是在于對整個控制系統的結構產生了根本性的變革，和以往的控制系統相比，現場總線具有以下特點：
  ①全數字通信。傳統控制系統（如DCS）采用4-20mA的模擬信號通信,這種通信方式已成為控制系統的瓶頸，這是因為模擬信號的傳輸精度不高，且易受外界干擾；傳統DCS的通信網絡介于操作站與控制站之間，而現場儀表與控制站中的輸人/輸出單元之間采用的是點對點通信,現場儀表之間不能進行通信無法通過現場儀表組成就地控制回路，建立真正的現場控制。
  而現場總線是數字通信網絡，在現場總線系統中，同層的或/和不同層的總線設備之間均采用數字信號進行通信。具體地說,現場底層的變送器/傳感器、執行器、控制器之間的信號傳輸均用數字信號；中/上層的控制器、監控/監視計算機等設備之間的數據傳送均用數字信號;各層設備之間的信息交換均用數字信號。
  ②現場設備的互操作性與互換性。互操作性指來自不同廠商生產的符合同一現場總線協議的設備可以連接在一起，統一組態和協同工作。而互換性指來自不同廠家的相同類型的設備還可以互換，而無需專用的驅動程序。現場總線中現場設備的互操作性與互換性是傳統DCS無法具備的，它徹底改變了傳統控制系統的封閉性和專用性，保護了用戶的利益，使用戶有更多的選擇權。
  ③現場總線是開放互連網絡。現場總線通過一根通信線將分散在生產現場、具有數宇通信能力的現場設備（如傳感器、執行器、控制器）互相連接起來，構成了現場設備的互連網絡，從而將傳統DCS、PLC等控制系統復雜的控制任務進行分解，由現場變送器或執行機構構成控制回路，并實現各部分的控制。現場總線是開放的，它采用公開、規范的通信協議，既可實現同層次網絡互連，也可實現不同層次網絡互連。
  正是基于上述特點和優越性，從現場總線誕生起，廣大用戶就給予了高度的關注，并強烈要求對現場總線的通信協議進行標準化，2003年4月IEC61158現場總線標準第三版正式成為國際標準，該標準由IEC/SC65C/MT9小組負責修訂,它規定了10種類型現場總線：TypelTS61158現場總線、Type2ControlNet和Ethernet/IP現場總線、Type3PROFIBUS現場總線、Type4P-NET現場總線、Type5基金會現場總線（FF)、Type6SwiftNet現場總線Type7WorldFIP現場總線、Type8INTERBUS現場總線、Type9FFHSECFF高速以太網協議）、TypelOPROFINET現場總線。此外，還有幾種現場總線盡管未能成為國際標準，但仍得到了一定的應用，如HART、CAN、LonWorks、Devi-ceNet等。目前?現場總線正逐步得到用戶的認可，現場總線的產品也逐漸成熟和豐富，并開始廣泛應用。
  (3)工業以太網
  從20世紀80年代以來，現場總線的發展非常迅猛，但其中也暴露出許多不足，具體表現為：現有的現場總線標準過多，僅國際標準IEC61158就包含了10種類型，未能統一到單-標準上來；不同總線之間不能兼容，不能真正實現透明信息互訪，無法實現信息的無縫集成；由于現場總線是專用實時通信網絡，成本較高；現場總線的速度較低，支持的應用有限.不便于和Internet信息集成。
  為了突破現場總線控制系統發展中出現的瓶頸,適應企業管控一體化的要求，實現企業管理層、監控層和設備層的無縫連接，降低系統造價，提高系統性能，必須尋找一種新的控制系統網絡技術，工業以太網是解決以上難題的一個有效的方法。一般來講，工業以太網在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容,但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度和適用性方面應能滿足工業現場的需要。
  以太網由于通訊速率高、成本低廉、支持的服務種類多、可選的應用程序多而成為事實上的辦公室和商業網絡標準。目前，以太網不僅壟斷了辦公自動化領域的網絡通信,而且在行業控制領域管理層和監控層等中上層網絡通信中也得到了廣泛應用，并有直接向下延伸應用于工業現場設備間通信的趨勢，并成為近年來工業控制網絡新的研究熱點。
  既然與現場總線相比，以太網具有諸多優點，那為什么一直以來以太網未能用于工業控制領域呢？這是因為以太網最初得到廣泛應用是在辦公自動化領域，它應用于工業控制領域時存在以下主、客觀障礙：
  ①通信存在不確定性，不能滿足實時性要求。以太網采用CSMA/CD介質訪問機制和退避算法處理沖突，和其他網絡如令牌網、令牌環網等相比，這是一種非確定性或隨機性通信方式，導致了網絡傳輸延時和通信響應的不確定性。對于工業控制網絡，以太網的這種通信不確定性會導致系統控制性能的下降，在有緊急事件發生時,還可能因報聱信息不能得到及時響應而導致災難事故的發生,這是以太網應用于工業控制領域的主要障礙。
  ②不適用于惡劣的工業現場環境。由于工業現場環境與商業環境相比，條件惡劣，因此要求工業控制網絡必須具備氣候環境適應性，耐沖擊、耐振動、防塵防水，抗腐蝕以及較好的電磁兼容性，并要求很高的可靠性。
  ③安全性和總線供電。對于應用于工業現場的網絡，還要求具有向現場儀表提供電源的能力，即總線供電；在易爆等危險場合，還需要解決防爆（包括隔爆、本質安全等〉問題。
  ④目前的工業以太網缺乏通用穩定的應用層。當一個控制節點接收到報文的時候，如果沒有一個通用的應用層，那么控制節點中的應用程序將無法正確的解釋和使用報文的數據，控制節點中的程序將無法確定報文內容的格式和用途。這實際上是一個應用性的協議，由于涉及商業利益，因此需要工業以太網設備生產商協商解決。
  由此可見，以太網要全面應用于工業控制網絡，還需要解決以上幾個關鍵性技術問題，但工業以太網已經呈現出了巨大的應用潛力，隨著技術的進步和支持工業以太網廠商的增多，其性能必將不斷改善，在工業應用中的市場份額也將不斷擴大。

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