摘要：從曆史和現狀中總結出自動化測控係統的網絡技術應沿著COTS（商業現貨技術）的設計原則前進。
關鍵詞：分布式控製係統；現場總線；ISO/OSI參考模型；網絡產品；交換機

；係統集成
Reviewing the Development of Networks Technology From
Automatic Measurement & Control System
BIAN Zheng-gang
(China Instrument Manufacturer’s Association,Beijing 100011,China)
Abstract：Reviewing the history and present state. The networks technology of automatic measurement & control system will advance along COTS design principle.
Key words：DCS; fieldbus; ISO/OSI reference model; networks product; switches; system integration
　　進入新世紀，信息化速度在加快，自動化測控係統中
，不僅在辦公自動化係統，智能大廈自動化係統
，市政

、交通、物流
、商業、銀行等公用工程自動化係統方麵的網絡化有很大變化，就連機械製造為生的離散工業自動化
，特別是流程工業自動化方麵也向數字化、網絡化、智(zhi)能(neng)化(hua)方(fang)麵(mian)前(qian)進(jin)了(le)可(ke)喜(xi)的(de)一(yi)步(bu)。特(te)別(bie)是(shi)最(zui)近(jin)陸(lu)續(xu)開(kai)工(gong)建(jian)設(she)或(huo)已(yi)試(shi)車(che)成(cheng)功(gong)的(de)特(te)大(da)型(xing)煉(lian)化(hua)項(xiang)目(mu)，已(yi)經(jing)在(zai)其(qi)自(zi)動(dong)化(hua)測(ce)控(kong)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)現(xian)場(chang)層(ceng)采(cai)用(yong)了(le)約(yue)1/4的FF（基金會現場總線）等現場總線產品
，監控層基本采用了高速以太網主流網絡產品，逐步做到控製徹底分散、操作顯示及管理高度集中（全廠15個裝置集中在一個總控製室操作），係統數字化程度有了質的飛躍
，為管理一體化打下了堅實的基礎。這是對傳統的DCS（分布式控製係統）的重大突破。在此“十一五”規劃開始之年
，有必要從自動化測控係統的角度，看一看網絡技術的發展曆史，溫故而知新。
1 曆史回顧
電報
、dianhuadengchuxianhou
，jiuyouleyongyuxinxichuandidetongxinwangluo

，tebieshiweixingjisuanjichuxianhou
，gongnengbutonghuodiyubutongdejisuanjizhijianlianchengwangluo
，shuzitongxinjishujiuyouyibandanji（主機對終端）
、多機通信擴展成計算機網絡係統。自動化測控係統是一種完成測量和控製功能的分布式計算機局域網，其發展過程如下：
　　（1）上世紀70年代中期開始出現DCS，這是在並無統一網絡標準的情況下，以大型企業為主各自完成的。網絡規模大約節點有32～64個
，通信距離約在1km以內，主要節點為控製站和操作站，拓撲結構以環形和總線型為主
，通信介質多為同軸電纜
，也有采用雙絞線的
，通信速率為1Mb/s以內。在控製站
、操作站內均有“通信卡”等專用網絡部件。這時期代表性的產品有TDC2000的DHW（數據高速公路）總線和CENTUM的F總線等，均采用“令牌總線”通信協議。數據共享方麵已做到按工位號操作。這時期代表性均為模擬儀表，少數專用設備有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可與之相連接。這期間通信規程中有IBM等提出的同步數據鏈路規程（SDLC）、高級數據鏈路規程（HDLC）和國際電報電話資訊委員會的CCITTX.25等。
　　（2）在這個期間
，在辦公自動化設備發展中，1975年美國施樂（Xerox）公司推出了以太網（Ethernet），以後3COMdengduojiagongyingshangcanyu
，zaicijichushangxingchengdeyitaiwangjuyuwang


，zaitufaxingshiwuchulidegezhongtongyongxitongzhongdedaolejiaodafazhan，yitaiwangyizaibozhentingduolufangwen/衝突檢測方式即CSMA/CD方式進行數據通信。
（3）在上述兩方麵技術的基礎上，1980年2月，IEEE電子電氣工程師協會建立了一個委員會（簡稱IEEE802委員會），負責製定局域網標準。又1983年ISO國際標準化組織通過了開放係統互連（OSI
，open system interconnection）參考模型，即ISO/OSI參考模型，在此基礎上，1985年IEEE802委員會成立9個分委員會（後來又增加到13個分委員會）

，其中IEEE802.3負責CSMA/CD網，IEEE802.4負責令牌總線網
，802.5負責令牌環網，其他分委員會分工負責各項有關工作。這些分委員會的工作，後來形成了ISO的標準。這些標準，又統稱為IEEE802標準。
（4）上世紀80年代中後期，有了上述ISO/OSI參考模型和IEEE802標準的基礎，出現了第2代、第3代DCS係統，其網絡特點為在保證第1代DCS網絡延續性（即能互連）的前提下，能實現多個裝置DCS互hu連lian及ji全quan廠chang各ge車che間jian互hu連lian，向xiang全quan廠chang控kong製zhi網wang絡luo的de係xi統tong與yu管guan理li網wang絡luo互hu連lian方fang向xiang發fa展zhan，當dang然ran這zhe期qi間jian更geng新xin的de網wang絡luo的de係xi統tong規gui模mo在zai擴kuo大da，采cai用yong光guang纖xian，通tong信xin距ju離li為wei原yuan來lai的de數shu倍bei
，通tong信xin速su率lv提ti高gao至zhi10Mb/s或更高，涵蓋工位號是原來的數倍
，工位字符數由8位字符增至12個字符，而且形成了域的概念，但這期間現場儀表仍以模擬儀表或HART標準的儀表為主
，隻是遠程I/O的數據通信形式的現場儀表在增加
，與PLC、分析儀等數字通信的能力在增強。又不同廠家的DCS的互連已提到日程上來了
，DCS內異構的網絡互連在逐步實現
，其中TDC3000網絡結構最為典型。
（5）PLC可編程控製器在上世紀80年代已由單獨控製器連成中小型規模以上的係統。1990年前後一台或多台PLC通過RS-232/RS-485串口與1台或多台PC機（操作站，內裝HMI人機界麵和組態軟件或稱SCADA軟件）連成係統。它采用了現成的網絡技術，特別是DDE或OPC數據交換軟件技術及IEC61131-3標準的組態軟件，使PLC係統的開放性、可用性大大提高

，成為低成本自動化的典範，現已逐步過渡到21世紀初的工業以太網為主的網絡，而且由羅克韋爾公司牽頭的CIP通用工業協議（common industrial protocol）已經形成
，DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP 3層結構的通信網絡已為人們接受，PLC由原來通信功能較差變成走在網絡化的前列。
（6）現場總線技術在上世紀90年代已經形成了開發的熱潮。它適應了各行業現場測控方麵的需求

，形成了多標準並存的局麵。FF H1/FF HSE等對過程控製更適合些，Profibus、DeviceNet等對離散控製更適合。基金會現場總線FF H1采用ISO/OSI通信模型的1、2、7層及用戶層
，它在現場兩線製供電
、防爆、防電磁幹擾、防雷擊及冗餘、現場控製、互操作性、互換性方麵均經受了實際工程的較長期的考驗。
FF HSE在與FF H1無縫連接的基礎上，用高速以太網（HSE，high speed Ethernet）完成中央控製室一級或監控層的網絡COTS（商業現貨技術）化的任務
，采用了交換機等網絡產品及傳輸層、網絡層的TCP/UDP/IP協議，保證了係統的開放性和可操作性。
現場總線技術發展與現場儀表實現數字化、網絡化
、智能化是分不開的。目前流程工業用的變送器等現場儀表生產情況是FF占10％
，HART占40％、模擬儀表占50％
，所以還要重視現場檢測儀表與執行器的更新換代，才能使現場總線技術普及。
（7）在上世紀90年代之前興起的互聯網（全球性的廣域網）及移動通信、多媒體技術
、個人計算機及操作係統網絡支持功能的發展等，對自動化測控係統的數字通信技術的影響是非常深刻的。由於互聯網的普及，“網絡接入業”的興起，交換機、集成器、5類雙絞銅纜等網絡產品價格下降，以太網及互聯網協議簇（包括TCP/IP等）的應用技術深入到各種連網設備中，傳輸方式由基帶向載波、寬帶等方式發展，網絡速率由10Mb/s提升至100Mb/s、1000Mb/s等，所以在自動化測控係統中興起了“工業以太網”re。youyouyuyibufenrenqiangtiaozidonghuacekongxitongdequedingxingheshishixingdetedian，erzaishangyongyitaiwangjichushangjinxinggaizao
，xingchengleduozhongshishiyitaiwang
，danzhezhishiyigeguocheng，guanjianshixingjiabinengfouweiyonghurenke。zongzhi，xiangzhezidonghuacekongxitongwangluobianpinghua、直至“e網到底”的方向發展
，這個趨勢是明顯的
，隻是有待時日而已。
（8）第4代DCS的出現，適應了21世紀初現場總線技術
、管控一體化技術的發展。目前，通過現場總線基金會的HIST互操作性測試認證的11個主控係統，均是第4代DCS係統
，而且在“基金會現場總線係統工程指南”中指出：“所有主FF功能，包括工程

、組態
、維護和操作性能應能夠與傳統模擬或離散I/O、智能HART和專用I/O、基於總線的I/O和FF係統實現兼容和無縫集成。建議不要采用隻針對FF並且與傳統不兼容的獨立軟件工具、顯示或程序。”從而為“FCS取代DCS”等觀點，找到了解決的出路

，即共同融合、相輔相成
、DCS和FCS雙shuang贏ying的de道dao路lu。這zhe是shi網wang絡luo技ji術shu的de功gong勞lao，因yin為wei它ta能neng夠gou使shi如ru此ci複fu雜za的de通tong信xin要yao求qiu，在zai經jing濟ji適shi用yong的de條tiao件jian下xia完wan滿man地di實shi現xian這zhe個ge融rong合he的de過guo程cheng。當dang然ran上shang麵mian所suo說shuo的de主zhu控kong係xi統tong，均jun達da到daoFF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技術向以太網及TCP/UDP/IP協議靠攏，與工廠管理網絡兼容
、數據共享，逐步形成企業互聯網Intranet。
2 開放係統互連參考模型
ISO/OSI參(can)考(kao)模(mo)型(xing)反(fan)映(ying)了(le)計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)絡(luo)通(tong)信(xin)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)
，把(ba)通(tong)信(xin)過(guo)程(cheng)分(fen)段(duan)，相(xiang)應(ying)地(di)把(ba)網(wang)絡(luo)功(gong)能(neng)分(fen)為(wei)不(bu)同(tong)的(de)邏(luo)輯(ji)和(he)物(wu)理(li)層(ceng)次(ci)，即(ji)不(bu)同(tong)功(gong)能(neng)層(ceng)次(ci)完(wan)成(cheng)不(bu)同(tong)通(tong)信(xin)階(jie)段(duan)的(de)工(gong)作(zuo)。OSI模型分為7層，即應用層、表示層、會話層
、傳輸層、網絡層、數據鏈路層
、物理層。它與FF H1
、FF HSE通信模型之間的比較如圖1所示。


實現網絡節點各層功能的基本方法是利用硬件實現較低層協議，利用軟件實現較高層協議。目前已有用“專用芯片”等集成電路實現OSI的功能，其中以太網是一個很好的例子，另外就是LonWorks技術
，它的Neuron神經元芯片中，集成了3個CPU
，將相關的OSI模型的7層通信協議
，包括兼容多種通信介質

、NeuronC控製語言

、網絡變量等，均固化在其中，使通信達到能互操作水平，從而在智能大廈等局域網中得到廣泛應用
，這也是一個成功的範例。
3 網絡產品分類
如果把各終端節點如何與線纜等通信介質相連的接口卡、連接器及通信介質和一些專門為通信而設置的節點均稱為網絡產品，加之對辦公用或商業用網絡產品與工業上管理用和控製用（包括現場總線）的網絡產品總和考慮
，還要對通信軟件等進行分類，將是一個複雜的工作。現在從網絡互聯的低層設備功能來分，主要有中繼器（或稱重複器repeater）
、網橋（bridge）、路由器（router）、網關（gateway）幾種
，以上幾種均為有源產品。無源產品有T型分支（Tee）
、無源多端口集線器（passive hub）、終端器
、電纜
、光纜等。
在實際網絡中
，原來就有的物理層通用標準連接器如RS-232、RS-485等，應用很廣
，這也解決了很多簡單的通信需求，而它們的商品形式又是多種多樣的。
在實際網絡中，產品中還有接口卡

、接口模塊、鏈接設備等，特別是商用以太網的接插器（connector）、集線器（hub）、交換機（switches）等。
　　作為網絡產品，對於無線數字通信
，諸如調製解調器

、數傳電台等在國內應用已相當廣泛
，希望它將隨著商用移動通信技術有關數字通信的業務的發展而改變。
嵌入式係統技術的普及

，特別是32位的ARM9等處理器嵌入式產品在網絡產品中的使用，將使得網絡產品智能化程度、價格、體積等方麵都有改善，這也促進了網絡技術的發展。
4 關於交換機
　　近(jin)年(nian)來(lai)流(liu)程(cheng)工(gong)業(ye)企(qi)業(ye)新(xin)建(jian)的(de)中(zhong)央(yang)控(kong)製(zhi)室(shi)的(de)網(wang)絡(luo)中(zhong)，交(jiao)換(huan)機(ji)已(yi)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)，特(te)別(bie)是(shi)網(wang)絡(luo)圖(tu)中(zhong)堆(dui)疊(die)式(shi)交(jiao)換(huan)機(ji)的(de)圖(tu)樣(yang)很(hen)顯(xian)眼(yan)，證(zheng)明(ming)自(zi)動(dong)化(hua)測(ce)控(kong)係(xi)統(tong)網(wang)絡(luo)的(de)監(jian)控(kong)層(ceng)已(yi)在(zai)很(hen)多(duo)行(xing)業(ye)中(zhong)采(cai)用(yong)了(le)交(jiao)換(huan)機(ji)。交(jiao)換(huan)機(ji)是(shi)多(duo)條(tiao)總(zong)線(xian)的(de)交(jiao)換(huan)矩(ju)陣(zhen)互(hu)連(lian)，即(ji)把(ba)每(mei)個(ge)端(duan)口(kou)都(dou)掛(gua)在(zai)一(yi)條(tiao)帶(dai)寬(kuan)很(hen)高(gao)的(de)背(bei)板(ban)總(zong)線(xian)上(shang)。
交換機除去封裝數據包進行轉發、減少衝突域之外
，還有隔離廣播風暴
、wangluoguanlidenggongneng，tebieshigongyeyitaiwangyongjiaohuanji
，haiyingshiyinggongyehuanjingjizuodaoshuangdianyuangongdian，bimiandanyidianyuansuozaochengdeshujuliushi，zhichihuanxingwang，tigongwangluorongyu，tongguoanquanguifanrenzheng，zuodaoduanxiankuaisuhuifudeng
，zhengshiyouyuzengjialezhexiegongneng，suoyiqijiagelvegaoyushangyeyitaiwangchanpin。muqianhesiman、卓zhuo越yue等deng工gong業ye以yi太tai網wang用yong交jiao換huan機ji已yi得de到dao廣guang泛fan應ying用yong。至zhi於yu商shang業ye用yong交jiao換huan機ji是shi否fou可ke用yong在zai工gong業ye上shang的de問wen題ti，應ying該gai因yin地di製zhi宜yi，具ju體ti情qing況kuang具ju體ti分fen析xi
，正zheng如ru不bu少shao工gong業ye企qi業ye在zai係xi統tong集ji成cheng中zhong，操cao作zuo站zhan使shi用yong名ming牌pai戴dai爾er計ji算suan機ji而er不bu使shi用yong一yi般ban工gong控kong機ji的de現xian象xiang
，屢lv見jian不bu鮮xian。
5 係統集成技術與網絡技術
自動化測控係統的基礎是3C（computer，control，communication）和1I（integration）
，目前又提出1S（solution）目標，它的推動力是電控、yikongyitihuaheguankongyitihua。xitongjichengjishuyuwangluojishuxiangfuxiangcheng，gongtongdadaozaiwangluoshanggongxiangshujuhexinxidemude。xitongjichengyicideliuxingshiyushangshiji80年代末、90年代初，現在Integrated System和System Integration的(de)界(jie)限(xian)在(zai)逐(zhu)漸(jian)模(mo)糊(hu)，這(zhe)證(zheng)明(ming)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)商(shang)和(he)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)掌(zhang)握(wo)網(wang)絡(luo)技(ji)術(shu)的(de)水(shui)平(ping)在(zai)提(ti)高(gao)，對(dui)各(ge)種(zhong)網(wang)絡(luo)或(huo)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)互(hu)聯(lian)的(de)接(jie)口(kou)卡(ka)的(de)需(xu)求(qiu)在(zai)擴(kuo)大(da)。美(mei)國(guo)Woodhead公司、Prosoft公司等的幾十種接口卡產品和多協議網關（Modbus Ethernet TCP IP Profibus）可以滿足係統集成的需求。係統集成技術的發展，在OPC（過程控製的對象鏈接嵌入）、EDDL和FDT（關於互操作性）、IEC61131－3（關於組態）等3個標準推動下，目前又向前發展，2003年發布了ISO15745標準，它解決了係統集成的應用需求和接口兩個基本問題。該標準全稱為：工業自動化係統和係統集成――開放係統應用集成框架。它分為4部分，第1部分提出了開放係統的應用集成框架（AIF，application integration framework）。自動化測控係統的網絡往往牽涉到它的第2、3、4部分，如基金會現場總線FF H1/FF HSE就與第3、4部分相關，所以它是異構係統的組合
，而多種異構係統中，監控層都采用了第4部分的以太網標準，交換機為中心的星型結構比較普遍地被采用
，而且冗餘技術、安全技術
、質量服務等都有較大提高。工業以太網實時響應時間已打倒5～10ms。這對於流程工業的控製係統（包括安全係統）、離散工業控製係統（除去少數同步要求高的運動控製係統），均可以滿足要求。所以有把握地說：實踐已經證明，現場層采用FF H1等現場總線、監控層采用一般工業以太網是成熟的網絡技術，將會在今後普遍被采用。
6 結束語
（1）在參考文獻〔2〕中提到COTS，在軍用信息係統中能把它作為設計原則，所以一般自動化測控係統更應重視應用COTS，把網絡產品的價格降下來，使現場總線的“輔助設備”通用化。
（2）把自動化測控係統對網絡的需求進行分類
，首先在數據采集係統中推廣COTS；針對不同行業的需求推廣不同的現場總線技術；工業以太網推廣過程中，應對工程應用和開發並重。
（3）檢測儀表
，執行器的數字化、智能化、網絡化是基礎，應該在國內大力開發這方麵的新產品，同時要在國內建立測試中心、認證中心，開展標準化的工作
，確保開放性、可操作性、可互換性
，爭取成為國際上認可的產品。
（4）在(zai)自(zi)動(dong)化(hua)行(xing)業(ye)中(zhong)應(ying)進(jin)一(yi)步(bu)普(pu)及(ji)網(wang)絡(luo)技(ji)術(shu)

，雖(sui)然(ran)已(yi)有(you)十(shi)幾(ji)種(zhong)相(xiang)關(guan)書(shu)籍(ji)，但(dan)為(wei)用(yong)戶(hu)辦(ban)學(xue)習(xi)班(ban)等(deng)方(fang)式(shi)仍(reng)很(hen)重(zhong)要(yao)。中(zhong)國(guo)儀(yi)器(qi)儀(yi)表(biao)學(xue)會(hui)和(he)北(bei)京(jing)合(he)成(cheng)網(wang)絡(luo)公(gong)司(si)合(he)作(zuo)，在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)為(wei)廣(guang)大(da)用(yong)戶(hu)服(fu)務(wu)做(zuo)出(chu)榜(bang)樣(yang)，值(zhi)得(de)推(tui)廣(guang)。

參考文獻：
〔1〕 卞正崗.世紀之交論自動化係統工程產業〔J〕.測控技術，2000
，19（1）.
〔2〕 於功敬
，孟漢城.軍用ATE/ATS技術的發展〔J〕.測控技術，2000，19〔1〕.
〔3〕 夏德海.現場總線技術〔M〕.北京：中國電力出版社，2003-09.