工业控制网络发展

工业控制网络的发展初探摘要：工业自动化和信息技术的发展,使整个社会生产已经向自动控制、智能控制上转型。

作为21世纪工业生产的一个重要标志,工业控制网络逐渐应用于工业生产的各个方面。

工业控制网络既包括底部设备层的传感器,检测器等器件,也包括终端管理层的办公自动化操作系统,还包括串联起整个系统的现场总线技术。

工业控制网络在工业通信及先进制造领域起到关键性作用。

关键词：工业控制网络；现场总线；发展趋势0.引言随着计算机技术、网络技术、控制技术以及现场总线技术的迅速发展，嵌入式微处理器的广泛应用，国际工作研究方向逐渐从重工业、单一化转变为微电子、多元化。

自动化技术作为其中的一项重要内容,在工业控制上逐渐显现出了它的优势。

本文主要通过对工业控制网络的结构和现场总线技术的描述,来探究未来工业控制网络结构的发展方向。

1、传统工业控制网络结构从总体结构上来讲，传统企业网络可分为三个层次：管理层、监控层和现场设备层。

其结构示意图如下所示：图一传统工业控制网络●管理层。

主要是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制定综合管理决策。

管理层一般使用通用以太网，方便操作，并可连入外部网络。

●监控层。

从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和安装。

监控层的功能一般由上位计算机完成，一方面，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；另一方面，通过专门的现场总线接口（转换器）实现现场总线网段与以太网段的连接。

其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。

监控层除上述功能外，还为实现先进控制利远程操作优化提供支撑环境。

●设备层。

现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，依照现场总线的协议标准，设备采用功能块的结构，通过组态设汁，完成数据采集、a/d转换、数字滤波、温度压力补偿、pid控制等各种功能；此外，通过智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。

2、现场总线技术现场总线技术的出现，打破了工业控制系统原有的信息孤岛的僵局，真正实现了网络化的控制系统，为自动化系统与其他信息系统的沟通创造了条件。

同时，由于各种现场总线技术的发展和竞争、各种计算机主流技术在工业控制领域的渗透和应用、以及自动化技术发展的延续性和继承性，工业控制系统必将呈现多总线共存、多种系统集成和多种技术集成的局面。

2.1每种现场总线形成了其特定的应用领域。

各种现场总线代表不同公司多年的研发投资和市场利益，不同总线技术的侧重面不同，各有特色，不存在能完全适应所有应用领域的现场总线。

据美国arc公司的市场调查，世界市场对各种fcs需求的实际份额为：过程自动化15％，主要采用ff、profibus-pa和worldfip；医药领域18％，主要采用ff、profibus-pa和worldfip；加工制造18％，主要采用profibus-dp和cc-link；交通运输15％，主要采用profibus-dp、can和devicenet；航空和国防34％，主要采用profibus-fms、lon、devicenet和controlnet；其它，如，农业主要采用p-net、can、profibus-pa/dp、devicene和controlnet, 楼宇主要采用lon、profibus-fms和devicenet。

由此可见，占有市场80％的现场总线将只有六七种，且其应用领域比较明确，某些总线能跨越多种应用领域，如profibus。

在过程控制领域以ff、profibus和worldfip为主，ff的市场占有率以较快的速度增长。

2.2 ethernet在工业应用领域异军突起。

ethernet在没有任何标准化组织支持的情况下，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，成为新的热点。

有关专家预言，ethernet不仅可以成为工业高层网络上的通信系统，也可以上下贯通直插到底，与现场仪表相连。

采用ethernet作为自动化的骨干网，具有技术成熟，与办公自动化的无缝集成和与internet无缝集成等优点，颇具吸引力。

只是，目前技术尚未成熟，如数据冲突、安全性等还没有很好的解决方案。

2.3无线现场总线成为新亮点。

针对许多工业环境及过程控制环境下的对象，如移动对象或旋转设备上的传感器，手持的数据采集设备等，远距离的单设备、传感器、执行器等，临时安装的器件，仅通过有线的物理介质连接是较难或甚至无法实现的，在这种情况下就需要无线技术和现场总线的结合方案。

另外，随着工业控制对象类型的增加，传输的数据不仅是用于控制的数字量，还有包括音频、视频的多媒体数据。

同时，第三代无线通信技术的发展，如wap、wml、bluetooth等，为工业自动化网络与无线局域网联接提供了技术支持。

目前，已经有许多无线现场总线的实现方案被提出和研制，如r-fieldbus（high performance wireless fieldbus in industrial related multimedia environment）,olchfa(open low-cost time-critical wireless fieldbus architecture)等。

2.4 fcs与dcs集成是现阶段的需要。

尽管现场总线技术具有很多优点而倍受欢迎，但是用户并不希望对他们现有的控制系统做大的改动。

目前，在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对现有控制系统进行逐步的增添和替换；而且dcs系统及其仪表的消失或完全被取代，就费用或人力而言也都是不合理的。

另外，现场总线并不是在所有的控制场合下都能够发挥其优点，如简单的小规模数字模拟混合系统，特别是在现场和控制室距离近的情况下，混和控制在同一集中的cpu中进行将比较方便，所冒控制集中的风险也不大。

现阶段和今后的一段时间内，工业控制系统将面临fcs和dcs 共存的局面。

因此，在工业控制系统结构设计时，考虑如何使fcs 与dcs系统尽可能协同工作是很现实的方案，更具有推广和实用价值。

2.5多总线集成的fcs成为抢夺市场的重要策略。

各公司相继推出能够使多总线协同工作的控制系统，以适应目前现场测控设备多态性和用户需求多样性的需求。

如1999年interkama展览会上，一些典型系统包含多种总线标准：如，ff中坚力量之一的smar公司的系统包括profibus、ff、hart、4～20ma和foxboro公司的系统包括ff、profibus、modbus、devicenet等。

目前，siemens公司的pcs7系统和fisher-rosemount公司的delta v系统是两个典型的fcs系统。

pcs7是由ethernet、profibus-dp、profibus-pa、device-net和as-interface等组成，而delta v是由ethernet、ff h1以及hart组成，且也可与profibus兼容。

2.6 fcs与信息网络集成是建立企业综合实时数据库的基础。

企业综合实时数据库为企业优化控制、生产调度和计划决策提供依据。

实现现场总线与信息网络的紧密集成，可以建立统一的分布式数据库，保证所有数据的一致性、完整性和互操作性。

现场设备与信息网络实时通信，使用户能够通过信息网络中标准的图形界面随时、方便地了解生产情况。

同时，便于实现远程监控、优化调度、远程诊断和维护功能，以及实现远程的软件维护与更新。

3、结语随着计算机技术、通信技术、芯片技术、网络技术的飞速发展，人们在考虑如何直接利用其他领域的技术来带动本领域的发展，跟上时代的步伐。

最为典型的是ff在制定其高速现场总线标准时，直接采用100m的ethernet作为其高速现场总线标准。

功能块和设备描述是实现设备互操作的两大关键技术，在现场总线中的应用也分别借鉴程序设计中的模块组件技术和windows程序设计中的设备无关技术。

还有，标准化监控或者管理软件与现场设备之间的接口，建立统一数据存取规范的opc技术，其基础是微软的ole、com及dcom技术。

总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。

既然是总线，就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。

大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。

几大技术均具有自己的特点，已在不同应用领域形成了自己的优势。

加上商业利益的驱使，它们都各自正在十分激烈的市场竞争中求得发展。

有理由认为:在从现在起的未来10年内，可能出现几大总线标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享的局面。

现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。

它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。

参考文献：[1]胡毅于东刘明烈. 工业控制网络的研究现状及发展趋势。

计算机科学，2010.1：23-27[2]赵新秋.工业控制网络的发展。

自动化与仪器仪表，2008，4：3-4[3]李正军.现场总线及其应用技术。

北京：机械工业出版社，2005.1作者简介：刘清华（1983.10-），男，辽宁沈阳人，沈阳建筑大学外国语学院，实习研究员。