編者語：隨著計算機技術
、通信技術和控製技術的發展，傳統的控製領域正經曆著一場前所未有的變革，開始向網絡化方向發展。控製係統的結構從最初的CCS（計算機集中控製係統），到第二代的DCS（分散控製係統）
，發展到現在流行的FCS（現場總線控製係統）。對諸如圖像
、語音信號等大數據量、高速率傳輸的要求
，又催生了當前在商業領域風靡的以太網與控製網絡的結合。這股工業控製係統網絡化浪潮又將諸如嵌入式技術
、多標準工業控製網絡互聯、無線技術等多種當今流行技術融合進來，從而拓展了工業控製領域的發展空間
，帶來新的發展機遇。

　　計算機控製係統的發展

　　計算機及網絡技術與控製係統的發展有著緊密的聯係。最早在50年代中後期

，計算機就已經被應用到控製係統中。60年代初
，出現了由計算機完全替代模擬控製的控製係統，被稱為直接數字控製（Direct Digital Control, DDC ）。70年代中期，隨著微處理器的出現，計算機控製係統進入一個新的快速發展的時期
，1975年nian世shi界jie上shang第di一yi套tao以yi微wei處chu理li為wei基ji礎chu的de分fen散san式shi計ji算suan機ji控kong製zhi係xi統tong問wen世shi
，它ta以yi多duo台tai微wei處chu理li器qi共gong同tong分fen散san控kong製zhi
，並bing通tong過guo數shu據ju通tong信xin網wang絡luo實shi現xian集ji中zhong管guan理li，被bei稱cheng為wei集ji散san控kong製zhi係xi統tong（Distributed Control System, DCS）。

　　進入80年代以後
，人們利用微處理器和一些外圍電路構成了數字式儀表以取代模擬儀表，這種DDC的控製方式提高了係統的控製精度和控製的靈活性

，而且在多回路的巡回采樣及控製中具有傳統模擬儀表無法比擬的性能價格比。

　　80年代中後期，隨著工業係統的日益複雜
，控製回路的進一步增多，單一的DDC控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)已(yi)經(jing)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)現(xian)場(chang)的(de)生(sheng)產(chan)控(kong)製(zhi)要(yao)求(qiu)和(he)生(sheng)產(chan)工(gong)作(zuo)的(de)管(guan)理(li)要(yao)求(qiu)
，同(tong)時(shi)中(zhong)小(xiao)型(xing)計(ji)算(suan)機(ji)和(he)微(wei)機(ji)的(de)性(xing)能(neng)價(jia)格(ge)比(bi)有(you)了(le)很(hen)大(da)提(ti)高(gao)。於(yu)是(shi)，由(you)中(zhong)小(xiao)型(xing)計(ji)算(suan)機(ji)和(he)微(wei)機(ji)共(gong)同(tong)作(zuo)用(yong)的(de)分(fen)層(ceng)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)得(de)到(dao)大(da)量(liang)應(ying)用(yong)。

　　進入90年代以後
，由於計算機網絡技術的迅猛發展，使得DCS係統得到進一步發展
，提高了係統的可靠性和可維護性
，在今天的工業控製領域DCS仍然占據著主導地位，但是DCS不具備開放性，布線複雜，費用較高，不同廠家產品的集成存在很大困難。

　　從八十年代後期開始
，由於大規模集成電路的發展
，許多傳感器、執行機構
、驅(qu)動(dong)裝(zhuang)置(zhi)等(deng)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)智(zhi)能(neng)化(hua)，人(ren)們(men)便(bian)開(kai)始(shi)尋(xun)求(qiu)用(yong)一(yi)根(gen)通(tong)信(xin)電(dian)纜(lan)將(jiang)具(ju)有(you)統(tong)一(yi)的(de)通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)的(de)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)
，在(zai)設(she)備(bei)層(ceng)傳(chuan)遞(di)的(de)不(bu)再(zai)是(shi)I/ O（4～2 0 m A/ 2 4VDC）信(xin)號(hao)
，而(er)是(shi)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)，這(zhe)就(jiu)是(shi)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)。由(you)於(yu)它(ta)解(jie)決(jue)了(le)網(wang)絡(luo)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)自(zi)身(shen)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)開(kai)放(fang)性(xing)問(wen)題(ti)，現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)逐(zhu)漸(jian)成(cheng)為(wei)了(le)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。從(cong)那(na)時(shi)起(qi)，一(yi)些(xie)發(fa)達(da)的(de)工(gong)業(ye)國(guo)家(jia)和(he)跨(kua)國(guo)工(gong)業(ye)公(gong)司(si)都(dou)紛(fen)紛(fen)推(tui)出(chu)自(zi)己(ji)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)標(biao)準(zhun)和(he)相(xiang)關(guan)產(chan)品(pin)，形(xing)成(cheng)了(le)群(qun)雄(xiong)逐(zhu)鹿(lu)之(zhi)勢(shi)。

　　信息網絡與控製係統的關係

　　從發展曆程看，信息網絡體係結構的發展與控製係統結構的發展有相似之處。企業信息網絡的發展大體經曆了如下幾個發展階段：

　　①基於主機的集中模式

　　由功能強大的主機完成幾乎所有的計算和處理任務，用戶和主機的交互很少。

　　②基於工作組的分層結構

　　微機和局域網技術的發展使工作性質相近的人員組成群體，共享某些公共資源，用戶之間的交流和協作得到了加強。

　　③基於Internet/Intranet/Extranet的網絡化企業組織

　　計算機網絡技術的發展使它成為現代信息技術的主流，特別是Internet的發展和普及應用使它成為公認的未來全球信息基礎設施的雛形。采用 Internet成熟的技術和標準，人們提出了Intranet和Extranet的概念，分別用於企業內部網和企業外聯網的實現
，於是便形成了以 Intranet為中心
，以Extranet為補充，依托於Internet的新一代企業信息基礎設施（企業網）。

　　計算機控製係統也是經曆了集中控製、分層控製、基於現場總線的網絡控製等幾個發展階段，它們的發展過程是非常相似的。

　　隨(sui)著(zhe)企(qi)業(ye)信(xin)息(xi)網(wang)絡(luo)的(de)深(shen)入(ru)應(ying)用(yong)與(yu)日(ri)臻(zhen)完(wan)善(shan)，現(xian)場(chang)控(kong)製(zhi)信(xin)息(xi)進(jin)入(ru)信(xin)息(xi)網(wang)絡(luo)實(shi)現(xian)實(shi)時(shi)監(jian)控(kong)是(shi)必(bi)然(ran)的(de)趨(qu)勢(shi)。為(wei)提(ti)高(gao)企(qi)業(ye)的(de)社(she)會(hui)效(xiao)益(yi)和(he)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)

，許(xu)多(duo)企(qi)業(ye)都(dou)在(zai)盡(jin)力(li)建(jian)立(li)全(quan)方(fang)位(wei)的(de)管(guan)理(li)信(xin)息(xi)係(xi)統(tong)，它(ta)必(bi)須(xu)包(bao)括(kuo)生(sheng)產(chan)現(xian)場(chang)的(de)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)信(xin)息(xi)，以(yi)確(que)保(bao)實(shi)時(shi)掌(zhang)握(wo)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)
，使(shi)企(qi)業(ye)管(guan)理(li)決(jue)策(ce)科(ke)學(xue)化(hua)，達(da)到(dao)生(sheng)產(chan)、經營、管理的最優化狀態。信息一控製一體化將為實現企業綜合自動化CIPA （ computer integrated plant automation）和企業信息化創造有利條件。

　　企qi業ye信xin息xi網wang絡luo與yu控kong製zhi係xi統tong在zai體ti係xi結jie構gou發fa展zhan過guo程cheng上shang的de相xiang似si性xing不bu是shi偶ou然ran的de。在zai計ji算suan機ji控kong製zhi係xi統tong的de發fa展zhan過guo程cheng中zhong
，每mei一yi種zhong結jie構gou的de控kong製zhi係xi統tong的de出chu現xian總zong是shi滯zhi後hou於yu相xiang應ying計ji算suan機ji技ji術shu的de發fa展zhan。實shi際ji上shang
，大da多duo數shu情qing況kuang下xia，正zheng是shi在zai計ji算suan機ji領ling域yu一yi種zhong新xin技ji術shu出chu現xian以yi後hou，人ren們men才cai開kai始shi研yan究jiu如ru何he將jiang這zhe種zhong新xin技ji術shu應ying用yong於yu控kong製zhi領ling域yu。鑒jian於yu兩liang種zhong應ying用yong環huan境jing的de差cha異yi，其qi中zhong的de技ji術shu細xi節jie作zuo了le適shi當dang修xiu改gai和he補bu充chong
，但dan關guan鍵jian技ji術shu的de原yuan理li及ji實shi現xian上shang
，它ta們men有you許xu多duo共gong同tong的de地di方fang。正zheng是shi由you於yu二er者zhe在zai發fa展zhan過guo程cheng中zhong的de這zhe種zhong關guan係xi，使shi得de實shi現xian信xin息xi一yi控kong製zhi一yi體ti化hua成cheng為wei可ke能neng。

　　現場總線技術的研究現狀

　　在40年代，過程控製是基於3～15PSI的氣動標準信號。其後，由於4～20mA模擬信號的使用，使得模擬控製器得到了廣泛應用
，但是並不是所有的傳感儀表和驅動裝置都使用統一的4～20mA信號。70年代，由於在檢測、模擬控製和邏輯控製領域率先使用了計算機
，從而產生了集中控製。進入80年代，由於微處理器的出現，促使工業儀表進入了數字化和智能化的時代，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數字化通信代替，加之分布式控製以及網絡技術的迅速發展


，促進了控製、調度、優化
、決策等功能一體化的發展。然而由於檢測、變送
、執zhi行xing等deng機ji構gou大da都dou采cai用yong模mo擬ni信xin號hao連lian接jie，其qi傳chuan送song方fang式shi是shi一yi對dui一yi結jie構gou，這zhe使shi得de接jie線xian複fu雜za，工gong程cheng費fei用yong高gao
，維wei護hu困kun難nan，而er信xin號hao傳chuan輸shu精jing度du底di，易yi受shou幹gan擾rao，儀yi表biao互hu換huan性xing差cha，這zhe都dou阻zu礙ai了le上shang層ceng係xi統tong的de功gong能neng發fa揮hui。另ling一yi方fang麵mian，由you於yu智zhi能neng儀yi表biao的de功gong能neng遠yuan遠yuan超chao過guo了le現xian場chang模mo擬ni儀yi表biao，如ru對dui量liang程cheng和he零ling點dian進jin行xing遠yuan方fang設she定ding，儀yi表biao工gong作zuo狀zhuang態tai實shi現xian自zi診zhen斷duan
，能neng進jin行xing多duo參can數shu測ce量liang和he對dui環huan境jing影ying響xiang的de補bu償chang等deng。由you此ci可ke見jian，智zhi能neng儀yi表biao和he控kong製zhi係xi統tong的de發fa展zhan，都dou要yao求qiu上shang層ceng係xi統tong和he現xian場chang儀yi表biao實shi現xian數shu字zi通tong信xin。

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　　為了克服DCS係統的技術瓶頸,進一步滿足現場的需要,現場總線技術應運而生,它實際上是連接現場智能設備和自動化控製設備的雙向串行、數字式
、多節點通信網絡,也被稱為現場底層設備控製網絡（INFRANET）。和Internet
、Intranet等類型的信息網絡不同,控製網絡直接麵向生產過程,因此要求很高的實時性、可靠性、資料完整性和可用性。為滿足這些特性,現場總線對標準的網絡協議作了簡化,省略了一些中間層,隻包括ISO/OSI7 層模型中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。

　　現場總線在發展的最初,各個公司都提出自己的現場總線協議。IEC組織於1999年12月31日投票,確定了8大總線作為國際現場總線標準,其中包括 CAN Bus、Profit Bus、InterBus-S、Mod Bus、FOUNDA-TION Fieldbus等等。而在此基礎上形成了新的現場總線控製係統（Fieldbus Control System FCS）。它綜合了數字通信技術、計算機技術
、自動控製技術
、網絡技術和智能儀表等多種技術手段,從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字———模擬信號控製的局限性,構成一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控製係統。相應的控製網絡結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為3層：設備層
、控製層和信息層。

　　雖然現場總線技術發展非常迅速,但也存在許多問題,製約其應用範圍的進一步擴大。

　　（1）首先是現場總線的選擇。雖然目前IEC組織已達成了國際總線標準,但總線種類仍然過多,而每種現場總線都有自己最合適的應用領域,如何在實際中根據應用對象,將不同層次的現場總線組合使用,使係統的各部分都選擇最合適的現場總線,對用戶來說,仍然是比較棘手的問題。

　　（2）係統的集成問題。由於實際應用中一個係統很可能采用多種形式的現場總線,因此如何把工業控製網絡與數據網絡進行無縫的集成,從而使整個係統實現管控一體化,是關鍵環節。現場總線係統在設計網絡布局時,不僅要考慮各現場節點的距離,還要考慮現場節點之間的功能關係、信息在網絡上的流動情況等。由於智能化現場儀表的功能很

　　強,因此許多儀表會有同樣的功能塊,組態時選哪個功能塊是要仔細考慮的;要使網絡上的信息流動最小化。同時通信參數的組態也很重要,要在係統的實時性與網絡效率之間做好平衡。

　　（3）存在技術瓶頸問題。主要表現在：

　　a.當總線電纜截斷時,整個係統有可能癱瘓。

　　用戶希望這時係統的效能可以降低,但不能崩潰,這一點目前許多現場總線不能保證。

　　b.本(ben)安(an)防(fang)爆(bao)理(li)論(lun)的(de)製(zhi)約(yue)。現(xian)有(you)的(de)防(fang)爆(bao)規(gui)定(ding)限(xian)製(zhi)總(zong)線(xian)的(de)長(chang)度(du)和(he)總(zong)線(xian)上(shang)負(fu)載(zai)的(de)數(shu)量(liang)。這(zhe)就(jiu)是(shi)限(xian)製(zhi)了(le)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)節(jie)省(sheng)線(xian)纜(lan)優(you)點(dian)的(de)發(fa)揮(hui)。目(mu)前(qian)各(ge)國(guo)都(dou)在(zai)對(dui)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)本(ben)質(zhi)安(an)全(quan)概(gai)念(nian)（FISCO）理論加強研究,爭取有所突破。

　　C.係統組態參數過分複雜。現場總線的組態

　　參數很多,不容易掌握,但組態參數設定得好壞,對係統性能影響很大。

　　以太控製網絡

　　控製網絡的發展,其基本趨勢是逐漸趨向於開放性
、透明的通訊協議。上述出現的問題,根本原因在於現場總線的開放性是有條件的、不徹底的。以太網具有傳輸速度高、低耗、易於安裝和兼容性好等方麵的優勢,由於它支持幾乎所有流行的網絡協議,所以在商業係統中被廣泛采用。近些年來,隨著網絡技術的發展,以太網進入了控製領域,形成了新型的以太網控製網絡技術。這主要是由於工業自動化係統向分布化
、智能化控製方麵發展,開放的、透明的通訊協議是必然的要求。目前的現場總線由於種類繁多,互不兼容,尚不能滿足這一要求。而以太網的TCP/IP協議的開放性使得在工控領域通訊這一關鍵環節具有無可比擬的優勢。

　　目前存在的問題

　　通常我們考慮將控製係統網絡化，主要將網絡化與現場總線聯係在一起。目前在控製領域較有影響的現場總線係統有：FF
、 LonWorks、 Profibus、 CAN 、 HART，以及RS485的總線網絡等。現場總線基金會己經製定的統一標準（（FF），其慢速總線標準Hl已得到通過成為國際標準，其高速總線標準H2還在製訂中。但是由於商業利潤、技術壟斷等原因

，目前現場總線產品仍然是百花齊放的局麵，這對降低係統成本，擴大應用範圍產生不利影響。

　　以太網已經得到廣泛應用，目前主流產品的速度己經達到100Mbps
，千兆以太網也己經投入使用，其網絡產品和軟件發展速度很快。以太網以成本低、組網方便
、軟硬件豐富、可靠性高等特點得到了廣泛的認可。

　　Internet飛速發展的主要原因在於以太網和TCP/IP協議的廣泛應用，TCP/IP協議是極其靈活的
，幾乎所有的網絡底層技術都可用於傳輸TCP/IP的通信。應用TCP/IP的以太網已經成為最流行的分組交換局域網技術，同時也是最具開放性的網絡技術。

　　由此，我們考慮將Internet及其相關技術集成到現有控製係統中
，利用Internet上開放的、並且己經成熟的技術對現有的控製係統進行升級改造，加快工業企業的信息一控製一體化進程
，不失為一種較為可行的問題解決方案。

　　然而，從目前趨勢來看,工業以太網進入現場控製級毋庸置疑。但至少現在看來,它還難以完全取代現場總線,作為實時控製通信的單一標準。已有的現場總線仍將繼續存在,最有可能的是發展一種混合式控製係統。