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1、孝南理N大亨South China University of Technology研究生课程论文（2010-2011学年第一学期）控制网络系统的开展和研究研究生：刘树青提交日期：2010年月25日研究生签名：刘树青学号201020114832学院自动化科学与工程学院课程编号S0811016课程名称控制网络与系统集成学位类别硕士任课教师陈立定教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日控制网络系统的开展和研究刘树青摘要：随着现实生产、生活中大型复杂分布式控制应用的不断增长，计算机和网络通讯技术被广泛应用于控制领域。控制、计算机和网络技术的交叉与融合，促成了控制网络系统(CNS)这一新控制模式的产
2、生和开展。控制网络技术引起了控制领域的深刻变革，控制网络系统必将成为未来自动控制系统的主流。本论文正是在这样的背景下，首先给出控制网络和控制网络系统的定义，论述了它们的特点和优点。其次，在对于控制系统网络化开展趋势进行分析的根底上，提出了控制网络系统开展的三个主要阶段及其技术特性。接着，分析了当前控制网络系统开展的现状，指出不同控制网络系统间互连与集成是现阶段的主要特点。最后，详细介绍了目前国内外控制网络系统理论与应用的研究现状。关键词：控制网络系统；现场总线；工业以太网；系统集成ResearchandDevelopmentOnControlNetworkSystem1.iuShuqingAb
3、stract：Astheapplicationsoflargescale,complexanddistributedcontrolcontinuetogrowinbothdailylifeandsocialproduction,computerandnetworkcommunicationtechnologiesarewidelyusedinthedomainofautomaticcontrol.Mergingofcontrol,computerandnetworktechnologiespromotesthebirthanddevelopmentofcontrolnetworksystem(
4、CNS),whichconsistsofabrandnewcontrolpattern.ControlnetworktechnologyhascausedprofoundchangesincontrolareaandCNSisduetobethemainstreamoffutureautomaticcontrolsystems.Onthisbackground,weintroducesthedefinitionofcontrolnetworkandCNS.Discussingtheircharacteristicsandadvantages.Onthebasisofanalyzingthede
5、velopmentofnetworkcontrolsystems,itsummarizesthreeimportantdevelopmentphrasesofCNSandtheirowntechnicalcharacteristics.Then,itstudiescurrentsituationofcontrolnetworkdevelopment,pointingoutthatinterconnectionandintegrationofdifferentkindsofCNSisthekeycharacteristicofthephraseundergoing.Finally,thechap
6、terexplains,indetail,theresearchstatusofCNSinboththeoryandapplication.Keywords:ControlNetworkSystem;Fieldbus;IndustrialEthernet;SystemIntegration引言信息技术的高速开展和应用推广彻底改变了社会生产、生活的运作方式和运行效率，给工业企业开展带来了新的机遇和挑战。信息化促进了经济的全球一体化，随着我国参加WTO,全球经济一体化进程的不断加快，经济的竞争威胁到众多企业的生存。人们为追求更大的经济效益，对生产过程的平安、高效、优质、低耗的要求在不断提高。现代大
7、工业生产向自动化和信息化方向开展成为必然的趋势，是提高企业综合竞争力的重要保证手段。信息沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。形成新型的管控一体化的全开放工业控制网络，是现代企业提出的要求，也是信息开展进程的结果。通信和网络技术的出现是分散控制系统诞生的重要特征，而今天以现场总线、网络技术、数据库技术、开放技术为核心的工业通信网络和系统集成技术，也正推动着工业控制系统向综合自动化迈进，推动着工业企业向信息化方向迈进。工业通信网络和系统集成技术，作为企业综合自动化、信息化的根底，是企业实现集成自动化、先进控制、过程优化、高效生
8、产管理的技术保证，对工业自动化领域的开展起着举足轻重的作用。从集散控制系统DCS开始，引入了计算机网络技术。计算机网络技术引入控制系统，带来了控制系统的一系列变革，网络控制系统是计算机通信技术与控制技术开展和融合的产物，分布式控制系统(DCS)、现场总线控制系统、工业以太网都属于网络控制系统。它表达了过程控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的开展趋势。计算机和信息网络技术的开展水平直接影响着控制技术的进步。无论是DCS还是现场总线控制系统，无一例外地建立在网络技术之上。因此，控制与通信、人与机器的交互是现代控制论的主题。1控制网络及控制网络系统的定义、特点和优点1.1控制网络系统的定义
9、定义1控制网络(ControINCtWOrk)是面向复杂分布式控制应用或控制对象，采用计算机和网络通讯技术，在各个功能模块化的控制节点或予系统间传递控制和管理信息，完成复杂的整体控制功能，从而形成的数字通信网络。定义2控制网络系统(ControINetworkSyStem)是由控制网络结合相应控制策略和方法所形成的分布式网络化控制系统。控制网络系统也被称为网络化控制系统(NetWorkedControlSystem)o本文一般均采用控制网络系统(CNS)这种称法。控制网络系统有狭义和广义之分。狭义的控制网络系统是指在局部区域内现场的检测、控制、操作设备以及通信线路的集合，用以实现设备之间的数据
10、传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义控制网络系统中包括狭义控制网络系统，还包括通过企业内部信息网络甚至Internet实现的对全工厂、车间生产线直至现场设备的监控调度、管理优化等。控制网络系统与控制网络技术的产生和开展有内外两个因素。现代控制应用中，控制对象更加复杂，覆盖地理范围更加广泛，对象模型越来越不确定，优化控制要求越来越高,这是控制网络产生的内在动力。计算机网络技术、分布式控制技术、大规模集成电路技术不断开展，提供了客观现实条件，促成了控制网络技术出现。这是其产生的外部条件。以底层控制网络为根底，把控制现场的各种传感器、控制器、执行器、监控管理模块或者某些单
11、独集中式控制系统连接起来，进而通过网关或路由器把各种控制网络子网互连，组成了大型复杂的控制网络系统。1.2控制网络系统的特点控制融络系统衍生于计算机网络和传统集中式控制系统。由于应用对象和采用技术的改变，控制网络系统与两者既有紧密联系，也有较显著区别。控制网络系统有自己的特点,具体表现为:1）分布式的网络体系结构。这是控制网络系统不同于以往控制系统的一个重要特点。在现代工业、交通及能源生产等控制中，存在大量分散的控制和传感信号，它们分布范围小到几十米，大到几公里、几十公里。传统集中式体系结构的控制系统显然无法满足要求,必须引入网络和分布式技术到现代控制应用中。2）全数字化通讯。控制网络几乎完全
12、摒除了模拟通讯方式，采用了全数字通讯技术。由于模拟量到数字量的转换在各个网络节点内部完成，信息传递过程中均采用数字化形式,因而系统整体精度得到提高。3）模块化的功能设计。控制网络系统采用了分布式技术，相比以往控制系统更加强调系统的功能模块化划分。通过将整体控制功能细化、分解，使不同控制节点完成不同控制功能。这样简化了系统的设计和实现，提高了系统可靠性。一些已定义的常用功能模块如:DI/DO模块、AD/DA模块、系统时钟模块、控制算法模块、通讯接口模块、系统监控和网络维护模块等。4）节点间较强的耦合性。控制网络是面向控制对象的整体。各个不同功能的网络节点必须通过信息交换，按照某些特定算法，协调完
13、成对象的控制任务。控制网络节点间的耦合性比计算机信息网络更强，节点只有通过互相依赖、相互协作，才可能实现满意的控制效果。5）网络通讯的强实时性。控制网络系统一般均通过网络连接构成闭环控制模式，周期性控制任务对于网络通讯具有较高的实时性要求。同时，由于涉及到人身和设备平安等因素，控制网络通讯实时性与可靠性的要求总体上比计算机信息网络更高。快速、可靠的数据投递是对控制网络的根本要求。6）低本钱和恶劣环境的适应性。控制网络应用于生产和管理过程的底层，现场检控设备繁多、复杂；而且不同于计算机信息网络主要用于企业办公和家庭信息处理，它的应用环境更加恶劣。这些因素导致对整个系统的低廉本钱、不良环境的适应性
14、提出了更高要求。7）网络的局域性。尽管控制网络能够通过网桥或网关扩展、互连，但是控制系统和应用对象的实时性决定了它不会等同于IntCrnet这种大规模广域互连计算机网络。控制网络具有一定的局域特性，这也使得它同计算机局域网络在结构和技术上有相似性。控制网络也被称为控制领域的局域网。8）系统的开放性和兼容性。控制网络系统通讯协议应是开放的协议，这也是它优于传统集散控制系统的特点之一。传统集散控制系统的通讯协议由各生产厂家规定；它们属于专用协议，各种协议不能互相兼容。当前控制网络协议几乎全都是公开协议，有统一的组织进行管理和标准，因而具有开放性。遵循同一协议的不同系统可以方便她互连，具有良好兼容性
15、和互操作性。由于历史和现实利益等原因，在协议开放性和系统兼容性方面仍有很多工作需要去做。9）系统的可扩展性和易重构性。任何网络系统都具有较好的可扩展性和易重构性，这也是控制网络系统的一个优点。当控制对象发生变化时，可以通过改变网络结构或扩展网段来满足控制应用要求。对以往的控制系统而言，适应这些形式上的改变是比拟困难的。1.3控制网络系统的优点控制网络系统由于采用了网络技术和分布式结构，其特点决定了它相对于传统集中式或集散式控制系统具有更多优点。D提高了控制系统的精度和可靠性模块化功能设计、全数字通讯和分布式多节点参与控制提高了系统控制精度；通过改变紧耦合结构的集中控制形式为松耦合结构的分布式控
16、制网络，增强了系统整体的可靠性。2）增强了系统信息集成能力，有利于不同网络的互连集成控制网络不仅传递控制参数和状态信号，还可以包括设备诊断和电子归档信息，其信息含量十分丰富；其开放性和互操作性使得系统信息集成、共享的要求能够得到最大满足。由于各种网络技术向控制领域的渗透以及控制技术开展的延续性，当前控制网络出现了多种网络技术和协议共存的局面。多种控制网络互连是目前控制系统网络化的主要特点之一，它实现了控制信息的共享与融合。控制网络与计算机网络技术上逐步趋同，也使得它更容易同管理信息网络集成。由于控制网络和计算机网络技术上有相通之处，因而它们可以比拟容易通过软、硬件设备进行网络集成。控制网络与计
17、算机信息网络的集成能够实现局部现场控制和企业宏观决策的一体化，为工业控制和企业管理决策带来一种新模式。3）便于安装和维护控制网络系统的模块化设计思想与分布式网络结构，也使得系统的安装和维护得到了简化。安装和维护都可以按照不同的功能模块来进行。各种丰富的现场信息增加了系统的可维护性。当系统发生故障时，调试不同功能模块，可以迅速查找出故障点；还可以通过暂时屏蔽故障节点，进行现场维修。系统的算法和组态可以通过网络实时下载到现场各节点，便于系统的升级。4）可以降低系统本钱在传统集中或集散控制系统中，一个回路或一个控制点就需要一根馈线，系统本钱很高。控制网络系统大多是总线拓扑网络结构，通过一条通讯线连接
18、所有节点，极大地节省了系统本钱；通过将相应的控制功能分别交给不同的网络节点，使得系统体积也大为减少。5）可以作为实现各种复杂分布式或优化控制算法的应用平台当前控制理论尤其是分布式控制理论正处于快速开展阶段，计算机科学领域分布式计算和分布式人工智能方面的研究成果也不断应用到控制领域中。控制网络系统以其内在的分布式体系结构，成为各种复杂分布式或优化控制算法的理想实验平台。它不仅可以在理论上检验这些算法的正确性，还可以在实际环境中测试其实用性。6）对于系统开发者和用户而言，它都打破了技术垄断控制网络协议的开放性决定了它必将打破现阶段各大控制设备生产商对技术的垄断。用户可以具有更大自由度，能够选择不同
19、厂家的控制产品，各系统之间互连和互操作不再是限制因素。对于控制系统中小开发商而言，控制网络系统也提供了打破各大控制设备生产商对市场垄断的技术条件；只要产品具有特点和创新性，大家可以在同一根底上竞争。这对于国内各控制系统开发厂家而言，无疑是一次提升技术含量和竞争力的良好机遇。2控制网络系统的开展及各阶段开展特点20世纪60年代计算机开始运用于工业控制，产生了直接数字控制系统(DDC)。由于当时计算机技术不兴旺且价格昂贵，用一台计算机取代几乎所有控制室仪表，实现过程控制的全部功能，但同时也带来了危险集中的脆弱性问题，即一旦计算机出现故障，就会造成整个控制系统的瘫痪。20世纪70年代中期，集散控制系
20、统(DCS)运用于工业控制系统，这标志着控制网络系统的产生。控制网络系统的开展经历了三个阶段。2.1集散控制系统(DCS)随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速开展，工业控制系统不断发生变革。与此同时，作为控制系统的重要组成局部一一工业通信网络，也不断地向前开展。自20世纪60年代开始，控制室和现场仪表之间采用电气信号传输.电动组合仪表如控制器、显示仪表、记录仪也开始大量使用，工厂自动化控制体系初步形成。20世纪70年代中期出现的集散控制系统(DCS),第一次引入了计算机网络技术的控制系统中，帝来了控制系统的一系列变革。可以说，DCS的出现，开创了“网络控制系统”的先河，推动着自动化控制
21、领域的开展方向。集散控制系统的系统结构特点为“操作站.现场控制站.FO及信号变换器”等三级分级递阶结构，是一种分布式控制系统。系统中不再只是具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表、智能部件组成。这种用于控制系统的网络与普通的局域网不同，普通局域网强调的是提高信道的利用率，而控制网络强调的是可靠性、平安性、实时性和广泛的实用性。DCS存在着自身无法克服的问题。首先是信息传递落后，目前从现场一次仪表到DCS和从DCS到现场的信号大都沿用DDZHl型仪表的信号规格，4-2OmADC或I5VDC,采用点到点的传输方式，信号传输精度低，抗干扰和纠错能力差，难以发挥现场仪表的特长；另外，分散程度不
22、够，每台DCS的现场控制单元一般都要处理几十个控制回路，并由此而带来实时性的问题，很难实现紧急停车时要求的IllS级的反响速度；再者，DCS的本钱较高，其网络通信体系结构大多采用封闭式和本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。DCS被称为自动控制领域的又一次革命，成为当时解决过程控制自动化最成功的系统，直到今天，DCS仍有其一席之地。2.2现场总线计算机与电子技术的开展及当今对自动化控制系统数字化、智能化、网络化(或分散化)的要求，产生了以现场总线技术为核心的现场总线控制系统FCS(FieldbUSControlSystem),
23、FCS是继DCS之后又一种全新的控制体系开展，FCS废除了DCS系统结构中的现场控制站、输入输出单元(I/O)和信号转换器，将现场控制站中的控制功能下移到网络的现场智能设备中，从而构成虚拟控制站，通过现场仪表就可构成控制回路，故实现了彻底的分散控制。它不仅仅是从“分散控制”开展到“现场控制”并实现了智能下移、数据传输从“点到点”开展到采用“总线”方式，而是用大系统的概念来看待整个过程控制系统：即整个控制系统可看作是一台巨大的“计算机”按总线方式运行，故资源共享是FCS的主要开展空间。FCS从以下几个方面开展了DCS：互操作性、网络化、体系结构趋于扁平化，提高了系统的可靠性、自律性和灵活性。现场
24、总线的概念是随着微电子技术的开展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。根据国际电工委员会IEClI58标准定义(后改IEC61158),现场总线是“安装在生产过程区域地现场设备，仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间一种串行、数字式、多点通信的数据总线:或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。其中，“生产过程”应包括断续生产过程和连续生产过程两类。现场设备、仪表指位于现场的传感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化
25、网络技术。现场总线类型主要有：FieldBusFoundationProfibusControlNetP-NETFFHSESwiftNetWorldFIPInterBusCAN等。这些总线各有各的标准，互不兼容。基于现场总线的自动化系统称为现场总线系统FCS（FieldBuscontrolsystem）,其主要特征为：D数字式通信方式取代设备级的模拟量（如420mA,05V等信号）和开关量信号；2）在车间级与设备级通信的数字化网络；3）现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的次数字化革命；4）现场总线使自控系统与设备参加工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现
26、场；5）在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术根底。现场总线是工业控制系统的新型通信标准，是基于现场总线的低本钱自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术开展趋势。现场总线控制系统有如下优点：D全数字化。将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的，但只有在FCS出现以后才有可能高效、低本钱地出现。在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度
27、、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性；2）全分布。在FCS中，各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，实现真正的分布式控制，而不再需要一个中央控制计算机；3）双向传输。对于传统的420mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备在一条线上那么既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息；4）自诊断。现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的；5）节省布线及控制室空间。传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS
28、系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，只需较少的线进入中央控制室，这样就大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价；6）多功能仪表。数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制于一体的变送控制器；7）开放性。1999年底现场总线协议已被IEC批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为-一种开放技术；8）互操作性。现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，防止了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进有效的竞争，
29、降低控制系统的本钱；9）智能化与自治性。现场总线设备具有很高的智能。能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，甚至能在部件、网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性;10）容错能力。现场总线控制系统通常由以下局部组成：现场总线仪表、控制器；现场总线线路：监控、组态计算机。.这里的仪表、控制器、计算机一般可根据需要通过冗余现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，具有较强的容错能力；现场总线的产生是自动化仪表开展的必然趋势，同时也是企业综合自动化开展的需要。现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不同于日常用于声音、图象、文字传输的网络，它所传输的是开关量信号与数据，
30、直接关系到处于运行操作过程之中的设备、人身的平安，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确、及时到位，同时还具有节点分散、报文简短等特征。它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信号的传输联络，可由单个节点，也可由多个网络节点共同完成所要求的自动化功能，是一种由网络集成的自动化系统。现场总线本质上也是一种控制网络，因此网络技术是现场中显得重要根底。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化的开展方向，它一产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统，但不同的现场总线标准，是这些不同总线标
31、准设备之间的互连遭遇障碍。现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准。而IEC（国际电工委员会）历时十二年于2000年1月4目公布通过的IEC61158现场总线标准容纳了8种互不兼容的协议!多种互不相容的现场总线并存己成定局。因此现场总线没有真正实现工厂自动化领域的开放互连。2. 3工业以太网低速现场总线开展较快，高速现场总线目前进展也卓有成效。高速现场总线主要应用于控制网内的互联，以及连接控制计算机、PLC等智能化程度高，处理速度快的设备。以及实现低速现场总线网桥间的连接。由于以太网是计算机应用最广泛的网络技术，假设以以太网作为高
32、速现场总线框架的主体，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和计算机网络技术相互促进的局面。工业以太网技术上与商用以太网兼容，但在实时性、可靠性、环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种工业通信网络。以太网技术和应用的开展，使其从办公自动化走向工业自动化。首先是通信速率的提高，以太网从IOMbPs、100MbPS到现在的IGbps、IOGbps,速率提高意味着网络负荷减轻和传输延时减少，网络碰撞概率下降：其次采用双工星形网络拓扑结构和以太网交换技术，使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/CD机制的制约，防止了冲突；再加上全双工通
33、信方式使端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接受和发送数据，而不会发生冲突。这样，全双工交换式以太网能防止因碰撞而引起的通信响应不确定性，保障通信的实时性。同时，由于工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方面开展，使通信成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求目益迫切。这样，技术和应用的开展。使以太网进入工业自动化领域成为必然。近年来工业以太网的兴起，引起了自动控制领域的重视，同时许多人担忧，工业以太网标准的不统一会影响其渗透到自动控制网络的应用。现场总线标准争了十多年，工业以太网标准或许也会存在同样的问题。目前世界著名的几大现场总线无一例外地选择了以太网作为高速现场总线框架的主体：F
34、F向FiCIdBUSFoundationHSE开展；COn901Net和DCViCCNet向EthClnet/IP开展；InterBUS和MOdBUS向IDA开展；ProfiBUS向PmfiNet开展;这些工业以太网标准，都有其支持的厂商并且且前已有相应产品。一些国际组织也在积极推进以太网进入控制领域，正在进行工业以太网关键技术的研究。2002年在北京TC65年会期间，SC65C曾作了一项决定，即在2007年开始对现场总线国际标准IEC61158进行修订之前，不再增加新的类型（在IEC61158标准中，目前在市场上比拟有生命力的有FF（包括HSE）、ProfibUS（包括PrOfiNet）、C
35、ontrolNetInterBUS等）。为此，经过SC65C主席、秘书长、协调人及有关工作小组召集人协商，建议对2004法国会议之前收到的6个新的实时以太网协议提案将以PAS(PubliclyAvailableSPCCifiCatiOn)标准的形式发布，这些提案包括中国1个、德国1个、日本2个、通过IAONA提出的1个提案、法国1个，如下所示：中国的EPA(EtheinetforPlantAutomation)；德国BeCldaoff公司的EthCrCAT(EthemetforControlandAutomationTechnology)；日本横河的v.Net；日本东芝的TCNet：欧洲开放网
36、络联合会(IAONA)的EPL(EtheinetPowerLink)；法国施奈德电气公司的ModBUSTCP(18S)等。同时，这些提案被实时以太网应用行规国际标准IEC617842正式引用，中国的EPA作为其中的第14类型(ComlnOnProfileFamily14,CPF14)由中国专家编写相应的应用行规。从目前的趋势看，以太网进入工业控制领域是必然的，伴随着多种现场总线的工业以太网标准在近期内也难以完全统一，必然同时存在多个协议和标准。3控制网络系统开展现状和趋势提到系统集成，就不可防止要提到信息孤岛(自动化孤岛)，提到信息孤岛，首先要介绍一下局部自动化。局部自动化一般是指针对企业的某
37、一局部，如一台机器、一个部门、一个车间所实现的自动化，如果搞得好，它也能使该局部实现优化。通过数控机床、加工中心、机器人等计算机系统和自动化设备，可以实现企业的局部自动化，会对企业技术进步发挥积极的作用。但这些系统是针对企业的内部，即解决了局部问题，它们对企业的整体目标的作用却不一定很大。从系统的整体考虑，我们把那些靠人工与外界(即企业的其他局部)进行联系的局部自动化系统，称为自动化孤岛，在信息科学中称为信息孤岛。信息孤岛使信息资源大量流失、沉淀，不能充分发挥信息在低层控制和高层管理决策中的主导作用。“自动化孤岛”，“信息孤岛”是伴随工控组态软件的开展和应用而逐渐形成的。国际上众多著名公司（如
38、IntelIUtion,USDATA,Siemens,Rockwell,WOndCrWarC等）开发了一系列的组态软件产品仕匕方：Foxboro,InToueh,Trancemode,Fix,Honeywell,SielnenS,Yokogawa等），20世纪90年代国内软件厂商在对国外产品消化吸收根底上也自主开发了工控组态软件（如：北京亚控公司的组态王，北京金佳诺公司的世纪星，北京昆仑公司的MCSG等）。众多的组态软件在工业自动化系统中的使用，某种程度上解决了系统组态问题，但在企业内部的各个系统自成体系，一个公司、一个分厂、甚至一个车间往往存在多个不同通讯协议、不同格式和不同版本等的软件系统
39、。单个系统的运行效果无可挑剔，但各个系统难以作更大规模的集成，形成大量有用信息流失、沉淀，信息资源白白浪费掉，因此如何将异构工控系统群集成受到人们的普遍关注。2.1 系统集成的层次模型在对企业的异构工控系统群的集成上，要针对不同的层次采用不同的集成方法，该集成是在同一层次上的集成，只有在同一层次上进行无缝集成才能发挥该层统一向上提供信息和向下传递信息的作用，实现各个层次的功能封装。针对目前已实现根底自动化的企业而言，大致可以分成现场设备层、过程监控层、生产管理层以及企业经营管理层。现场设备层：设备层中的设各种类繁多，有传感器，启动器，驱动器，I/O部件变送器，阁门等。设备的多样性要求设备层满足
40、开放性要求，各厂商遵循工厂的标准，保证产品满足标准化：来自不同厂家的设备在功能上可以采用相同功能的同类设备互换，实现可互换性：来自不同厂家的设备可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中实现可互操作性。过程监控层：过程监控层将来自现场设备层的信息送往控制室，置入实时数据库，进行高层控制与监视，它是网络中自动化系统的过程监控层，通常可由以太网等传送速度较快的网段组成。各种现场总线网段均可通过通信控制器或PC接口卡与过程监控层交换数据。生产管理层：工厂的生产调度、方案、销售、库存、财务、人事等构成了企业信息管理层，它是局域网的上层，一般由关系数据痒收集、整理这些来自各个部门的各类信息并进行综合处理。通
41、常可由以太网、ToP等局域网段组成。管理层和监控层共同构成了制造执行层MES(ManUfaCtUringEXCeUZiOnSySten1)。企业经营管理层：该层将跨越工厂或企业的局部地域，融合外界商业经营网点、原材料供给和部件生产基地的信息，也被称为企业资源规划层ERP(EnterPriSeRCSOUrCePlanning)。企业局域网可通过多种途径，与来自外界互联网络的实时信息等实现数据共享。2.2 控制网络和信息网络的集成控制网络的通信技术不同于以传输信息和资源共享为目的的信息网络，其最终目标是实现对被控对象中能量和物质转移的有效控制，使系统平安稳定地运行。因此要求具有协议简单、平安可靠、
42、纠错性好、本钱低等特点。其网络负教稳定，多为短帧传输，信息交换频繁。控制网与信息网集成的含义是实现网际间信息与资源的共享。实现控制网络与信息网络的紧密集成为企业的优化控制、调度决策提供依据，是建立企业综合实时信息库的根底；通过控制网络与信息网络的结合，可以建立统一的分布式数据库，保证所有数据的完整性和互操作性；现场设备与信息网络实时通信，使用户通过信息网络中标准的图形界面随时随地了解生产情况：控制网络和信息网络的紧密集成也便于实现远程监控、诊断和维护功能。控制网络与信息网络的集成可以通过以下几种方式：1)在控制网络和信息网络之间参加转换接口：这种方式通过硬件来实现，即在底层网段与中间监控层之间
43、参加中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换；对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到网桥的作用。此外，硬件设备还可以是一块智能接口网板，完成现场总线智能设备与监控计算机之间的数据通信。转换接口的集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用TCP/IP的以太网，而TCP/IP没有考虑数据传输的实时往，当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。2）在控制网络和信息网络之间采用开放技术实现互联：当控制网络和信息网络之间具
44、有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用开放数据接口标准（如OPC、DDE等）实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信息网络中的工作站。其运行两个程序，一个接收、校验实时信息的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据信息；另一个是数据访问应用程序接口，它接收数据效劳器实时数据并写入数据效劳器中，供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。3）控制网络和信息网络采用统一的协议标准：这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的最终解决方案。由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准。因此二者集成时总需要某种数量格式的转换机制，这
45、将使系统复杂化，也不能确保数据的完整性。如果信息网络的协议标准是提高其实时性，而控制网络的协议标准是提高其传输速度,二者的兼容性就会提高，二者合而为一，这样从底层设备到远程监控系统，都可以使用统一的协议标准，不仅确保了信息准确、快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。工业以太网协议就可以兼容TCP/IP,因此可以方便地实现以太网和IntranCt/Intcmct的集成，使控制网络和信息网络紧密地结合在一起，最终实现统一的网络结构。当前多种总线标准并存，信息网络协议也不尽相同，所以要实现控制网络与信息网络采用统一的协议标准，还有很多问题要解决。3. 3软件功能的无缝集成针对异构工控系统群软件
46、功能集成，首先需要解决的是接口标准化问题。由OPC基金组提出的OPC标准正是为了解决此问题的。OPC全称OLEforProcessControl,它是专为过程控制而设计的基于OLE技术的标准。它将访问现场设备的开发任务以标准接口的形式放到设备生产厂家或第三方，并将该接口以效劳器形式透明地提供给用户（工控软件开发人员），使用户得以从底层的通信模块开发中解放出来，而专注于工控软件的功能。OPC标准采用了客户/效劳器体系结构。在支持OPC的系统中，数据的提供者作为效劳器（SerVer）,数据请求者作为客户（CIient）,效劳器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部的实现细节。由于C
47、OM技术是在二进制代码级实现的，所以效劳器和客户可以由不同的厂商提供。在实际应用中，作为效劳器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，这样可以从根本上解决以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。在OPe技术中，OPC效劳器的设计难度大，工作量繁重，是该技术的核心。5总结由于不同国家地区、不同生产厂家、用户经济实力与技术开展水平的不平衡，控制网络系统目前的开展现状表现为：（I）尽管总体不断向高层次开展：在现实应用中，控制领域仍然同时并存着上述三种形式控制网络系统。（2）三者在结构和技术上出现了一
48、定的融合与渗透趋势。（3）不同控制网络系统集成、互连以及相关技术的研究是现阶段一个热点。综前所述，控制网络系统及其开发、应用中某些关键问题的研究具有相当重要的理论和现实意义。它具体表现在：通过分析目前各种控制网络技术的特点，针对不同控制应用比照它们的优劣，便于我们进行控制网络系统的选型和设计。研究在网络化环境下，控制网络对整个控制系统的影响，定性和定量分析网络参数和控制性能指标之间关系；进而能够寻找到控制网络系统中优化参数选取、控制器设计和控制算法改良的方法。控制网络技术是信息技术、网络技术开展在控制领域的表达。它将对控制领域产生深远影响。研究控制网络与计算机网络集成的方法，尤其是进一步与IntCrnet技术的结合,将会大大促进控制技术开展和加快信息时代步伐，促成全球一体化信息与控制网络的形成。该集成技术在实践上将能解抉远程实时控制中己遇到的诸多技术难题；理论上还可极大地促进控制、计算机和通信技术等多学科的交叉和融合开展，使控制技术进入一个全新的开展阶段。按照科学的方法论，归纳总结一套符合实际工程应用的控制网络系统设计方法，可以用于指导工程实践，为控制网络系统的产业化打下坚实根底。针对当前我国工业自动化、信息化程度不高的现况，研究控制网络系统具有更为重要的理论和现实意义。它能够促进国民经济开展，对提高生产力水平起到极大推动作用。参考文献1阳宪惠
