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工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 的 发 展 与 实 现 高 素 萍 ( 深 圳 职 业 技 术 学 院 自 动 化 技 术 研 究 所 深 圳 市 518055) 摘 要 : 从 工 业 控 制 网 络 体 系 的 基 本 结 构 要 求, 论 述 了 几 种 不 同 的 工 业 控 制 网 络 体 系 的 结 构 特 点 及 其 实 现 要 点, 阐 述 了 嵌 入 式 工 业 以 太 网 是 实 现 工 业 自 动 控 制 系 统 与 管 理 信 息 系 统 无 缝 链 接 的 有 效 手 段, 指 出 开 放 性 扁 平 化 是 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 的 发 展 趋 势 关 键 词 : 控 制 网 络 ;TCP/IP 协 议 ; 以 太 网 ; 开 放 性 中 图 分 类 号 :TP273 文 献 标 识 码 :A The Development and Realization of Architecture for Industrial Control Network Gao Suping (Automation Technology Institute, Shenzhen Polytechnic University, Shen-Zhen 518055) Abstract:It is discussed that all kinds of architecture for industrial control network of constyuction, characterstic and realized main points, from basic constyuction of architecture for industrial control network. It is illuminated that embedded industrial ethernet is a kind of effective method for realize industrial automation control system and information management system.it put forward opening and flat is development trend of architecture for industrial control network. Key Words:Control Network;TCP/IP Agreement;Ethernet;Opening 1 前 言 随 着 计 算 机 控 制 技 术 和 网 络 技 术 的 发 展, 已 成 功 将 计 算 机 网 络 技 术 引 入 到 了 控 制 系 统, 带 来 了 控 制 系 统 的 一 系 列 变 革, 形 成 了 分 布 式 控 制 系 统 (DCS) 现 场 总 线 控 制 系 统 (FCS) 和 工 业 以 太 网 系 统 等 不 同 的 工 业 控 制 网 络 体 系, 体 现 了 工 业 控 制 向 管 控 一 体 化 信 息 化 网 络 化 集 成 化 分 布 化 和 智 能 化 的 发 展 趋 势 因 此, 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展 和 应 用 直 接 决 定 着 控 制 网 络 体 系 的 结 构, 进 而 决 定 了 控 制 系 统 的 功 能 和 特 性 在 实 现 企 业 的 自 动 化 系 统 时, 合 理 的 控 制 网 络 体 系 的 结 构 设 计, 不 仅 可 实 现 控 制 系 统 的 控 制 和 管 理 功 能, 而 且 能 使 系 统 更 快 速 更 高 效 更 可 靠 成 本 更 低 和 实 现 数 据 共 享 2 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 设 计 工 业 自 动 控 制 和 管 理 系 统 的 目 的 是 为 了 及 时 掌 握 和 了 解 生 产 工 艺 各 流 程 的 运 行 工 况 工 艺 参 数 的 大 小 及 变 化 电 气 设 备 的 运 行 状 况, 优 化 各 工 艺 流 程 的 运 行, 保 证 生 产 质 量, 降 低 生 产 成 本, 提 高 运 行 管 理 水 平, 使 生 产 长 期 正 常 稳 定 地 运 行 取 得 最 佳 效 益 按 功 能 的 不 同, 可 将 工 业 自 动 控 制 和 管 理 系 统 分 成 不 同 的 层 次, 如 表 1 表 1 现 场 设 备 层 : 产 生 或 接 受 系 统 的 输 入 / 输 出 (I/O) 信 号, 如 检 测 仪 表 执 行 装 置 电 气 设 备 及 其 就 地 控 制 装 置 等 第 一 层 : 直 接 控 制 级, 实 现 连 续 控 制 调 节 和 顺 序 控 制 设 备 检 测 和 系 统 测 试 与 自 诊 断, 进 行 过 程 数 据 采 集 转 换 等 第 二 层 : 过 程 管 理 级, 实 现 过 程 操 作 各 种 生 产 报 表 打 印 装 置 协 调 优 化 控 制 数 据 的 收 集 和 处 理 报 警 信 息 的 处 理 等 第 三 层 : 生 产 管 理 级 ( 生 产 调 度 级 ), 规 划 产 品 结 构 和 规 模 产 品 监 视 产 品 报 告 第 四 层 : 经 营 管 理 级, 市 场 和 用 户 分 析 定 货 和 销 售 统 计 与 计 划 产 品 制 造 协 调 合 同 适 宜 和 期 限 检 测 等 第 一 层 第 二 层 与 现 场 设 备 层 的 三 级 体 系 结 构, 构 成 了 DCS 控 制 系 统 当 第 一 层 与 现 场 设 备 层 融 合 为 一 层 时, 即 构 成 FCS 控 制 系 统 第 三 层 和 第 四 层 的 功 能 由 计 算 机 网 络 完 成, 为 生 产 经 营 管 理 级, 即 ERP( 管 理 系 统 );ERP 系 统 与 DCS 或 FCS 系 统 之 间 实 现 无 缝 连 接, 就 实 现 了 工 业 企 业 的 生 产 过 程 控 制 与 信 息 管 理 的 一 体 化 系 统, 即 管 控 一 体 化 系 统 1

3 典 型 工 业 控 制 网 络 体 系 的 实 现 3.1 DCS 系 统 DCS 系 统 的 特 点 是 分 散 控 制 集 中 管 理, 是 一 种 分 布 式 控 制 系 统, 如 图 1 根 据 工 艺 流 程 布 局 生 产 和 管 理 的 需 要, 系 统 设 置 几 台 ( 1 台 ) 中 央 操 作 管 理 站 互 为 冗 余, 数 个 控 制 站 ( 1 个 ), 通 过 控 制 网 络 实 现 系 统 的 通 信 操 作 管 理 站 选 用 工 业 PC 或 商 用 PC 机, 完 成 系 统 的 编 程 操 作 监 视 报 警 记 录 存 储 和 报 表 生 成 等 管 理 功 能 ; 控 制 站 选 用 可 编 程 序 控 制 器 (PLC) 产 品 DCS 系 统 产 品 等, 完 成 系 统 的 数 据 采 集 处 理 和 控 制 的 功 能, 基 本 配 置 有 CPU 模 块 网 络 通 信 模 块 I/O 模 块 电 源 模 块 底 板 等 控 制 网 络 目 前 用 的 较 多 的 是 工 业 以 太 网 DH+ 网 Control Net 网 Device Net 网 MB+ 网 等 图 1 DCS 系 统 网 络 拓 扑 图 图 2 FCS 系 统 网 络 拓 扑 图 DCS 控 制 网 络 体 系 结 构 特 点 及 实 现 要 点 : (1) 控 制 网 是 连 接 分 级 递 阶 结 构 的 纽 带, 是 典 型 的 局 域 网, 传 递 的 信 息 以 引 起 物 质 能 量 的 运 动 为 最 终 目 的, 因 而 强 调 的 是 它 的 可 靠 性 安 全 性 实 时 性 和 广 泛 的 适 用 性 (2) 由 于 控 制 网 络 大 多 采 用 的 是 公 司 专 用 的 标 准 和 协 议, 虽 然 各 公 司 在 产 品 的 开 发 上 注 重 了 开 放 性, 但 网 络 的 开 放 性 仍 受 到 限 制 (3) 由 于 受 到 现 场 仪 表 在 数 字 化 智 能 化 方 面 的 限 制, 系 统 的 分 散 控 制 功 能 实 现 的 是 区 域 性 的 分 散, 未 能 将 控 制 功 能 彻 底 地 分 散 到 现 场 设 备 (4) 已 形 成 多 家 成 熟 的 控 制 网 络 和 系 统 产 品, 现 场 变 送 器 执 行 器 等 设 备 已 形 成 统 一 的 信 号 标 准, 在 今 天 的 自 动 化 领 域 DCS 系 统 仍 有 一 席 之 地 (5) 控 制 网 通 过 以 太 网 可 与 上 级 管 理 网 络 实 现 通 信 3.2 FCS 系 统 现 场 总 线 是 一 种 用 于 智 能 化 现 场 设 备 和 自 动 化 系 统 之 间 的 全 数 字 串 行 双 向 多 站 通 讯 网 络 通 过 一 根 通 信 电 缆 将 所 有 现 场 设 备 由 具 有 某 种 通 信 协 议 的 通 信 接 口 连 接 起 来, 使 在 设 备 层 传 递 的 不 再 是 I/O 信 号, 而 是 基 于 现 场 总 线 的 数 字 化 通 信 把 I/O 通 道 分 散 到 实 际 需 要 的 现 场 设 备 附 近, 使 安 装 和 布 线 的 费 用 减 少 到 最 小, 实 现 了 彻 底 的 分 散 控 制, 如 图 2 从 系 统 的 网 络 拓 扑 结 构 上 看, 只 分 为 操 作 管 理 层 和 现 场 设 备 两 个 层 面 FCS 系 统 废 除 了 DCS 系 统 的 控 制 站 I/O 元 件 和 信 号 转 换 器, 将 控 制 站 的 功 能 转 移 到 网 络 的 智 能 化 设 备 中, 从 而 构 成 虚 拟 控 制 站, 通 过 现 场 总 线 仪 表 就 可 构 成 控 制 回 路 IEC 于 2000 年 公 布 通 过 的 IEC61158 现 场 总 线 标 准 容 纳 了 8 种 互 不 兼 容 的 协 议 目 前 应 用 较 广 泛 的 现 场 总 线 有 FF, LONWORKS,FIP,PROFIBUS,CAN 等, 以 及 用 于 模 拟 仪 表 向 数 字 化 仪 表 过 渡 的 HART 协 议 FCS 控 制 网 络 体 系 结 构 特 点 及 实 现 要 点 : (1) 现 场 总 线 是 工 业 自 动 化 领 域 的 开 放 互 联 系 统, 控 制 网 使 数 据 传 输 以 总 线 方 式 进 行, 即 整 个 FCS 系 统 是 一 台 按 总 线 方 式 运 行 的 计 算 机, 资 源 共 享 是 其 发 展 空 间 (2) 控 制 网 络 结 构 体 系 趋 于 扁 平 化, 提 高 了 系 统 的 可 靠 性 自 律 性 和 灵 活 性 (3) 系 统 从 分 散 控 制, 发 展 到 现 场 控 制, 将 控 制 功 能 分 散 到 现 场 设 备 2

(4) 由 于 多 种 互 不 相 容 的 现 场 总 线 标 准 并 存, 已 形 成 多 家 系 统 产 品, 使 现 场 总 线 没 有 真 正 实 现 工 业 自 动 化 领 域 的 开 放 互 联 (5) 由 于 现 场 设 备 和 信 号 的 种 类 繁 多, 现 场 总 线 式 的 仪 表 及 现 场 总 线 式 的 设 备 目 前 发 展 还 不 是 十 分 广 泛, 使 现 场 总 线 系 统 的 广 泛 应 用 受 到 限 制 (6) 控 制 网 通 过 以 太 网 可 与 上 级 管 理 网 络 实 现 通 信 3.3 管 控 一 体 化 系 统 传 统 的 工 厂 生 产 和 管 理 的 系 统 结 构 体 系 是 分 开 的, 前 者 由 DCS 或 FCS 系 统 体 系 完 成, 后 者 由 一 般 的 办 公 自 动 化 系 统 体 系 来 完 成, 两 部 分 各 自 独 立 现 代 企 业 的 生 产 和 管 理 要 求 将 企 业 的 经 营 决 策 管 理 计 划 调 度 过 程 优 化 故 障 诊 断 生 产 过 程 的 自 动 控 制 紧 密 地 结 合 起 来, 要 求 将 生 产 过 程 自 动 控 制 办 公 自 动 化 经 营 管 理 市 场 营 销 等 多 层 次 的 系 统 互 联 成 网 络, 构 成 复 合 型 网 络, 实 现 信 息 的 沟 通 汇 集 与 数 据 共 享, 即 构 成 管 控 一 体 化 系 统, 如 图 3 图 3 管 控 一 体 化 系 统 网 络 拓 扑 图 当 今 是 网 络 技 术 日 益 发 展 的 时 代, 网 络 技 术 已 成 功 使 局 域 网 与 Internet 合 为 Intranet, 并 成 为 企 业 内 部 信 息 网 的 主 流 对 各 种 智 能 嵌 入 式 设 备, 由 于 其 特 性 与 计 算 机 不 同, 不 具 有 Internet 网 络 技 术, 须 建 立 一 种 新 型 的 网 络 系 统 结 构 体 系 来 连 接 它 们, 即 Infranet 控 制 网 络 网 络 技 术 的 发 展 使 Internet/Intranet/Infranet 实 现 互 联, 是 必 然 趋 势 管 控 一 体 化 系 统 网 络 体 系 结 构 特 点 及 实 现 要 点 : (1) 网 络 体 系 为 复 合 型 网 络 结 构, 是 一 种 多 层 次 的 离 散 的 网 络 结 构, 庞 大 而 复 杂 (2) 是 实 现 Internet/Intranet/Infranet 互 联 的 网 络 (3) 系 统 实 现 了 分 散 控 制 和 信 息 化 管 理, 将 控 制 功 能 分 散 到 现 场 设 备 将 信 息 化 管 理 体 现 到 控 制 中 (4) 由 于 目 前 市 场 上 多 种 现 场 总 线 标 准 并 存 DCS 系 统 又 占 有 一 席 之 地, 管 控 一 体 化 系 统 的 实 现 形 式 是 多 样 化 的, 应 根 据 各 企 业 具 体 的 生 产 和 管 理 情 况 而 设 计 (5) 在 管 控 一 体 化 系 统 中, 现 场 设 备 与 应 用 软 件 之 间 实 现 开 放 的 无 缝 联 接 (6) 支 持 OPC 标 准 (OLE for Process Control), 即 用 于 过 程 控 制 的 对 象 链 接 嵌 入 技 术, 使 现 场 设 备 自 动 控 制 应 用 软 件 企 业 管 理 应 用 软 件 等 所 有 驱 动 软 件 的 接 口 得 到 统 一 OPC 服 务 器 功 能 类 似 于 I/O 驱 动 器, 负 责 与 作 为 数 据 供 应 方 的 现 场 设 备 通 信, 将 来 自 数 据 供 应 方 的 数 据 通 过 标 准 的 OPC 接 口, 供 应 给 数 据 使 用 方 OPC 技 术 为 企 业 管 控 一 体 化 提 供 了 技 术 上 的 可 操 作 性 和 实 施 上 的 现 实 性, 是 现 场 过 程 控 制 与 企 业 高 层 次 管 理 连 接 的 桥 梁 4 工 业 控 制 网 络 体 系 的 发 展 趋 势 由 于 以 太 网 的 迅 速 扩 大,TCP/IP 协 议 已 成 为 事 实 上 的 工 业 标 准, 又 由 于 PC 机 工 业 PC 机 已 成 为 企 业 的 主 流 机, 企 业 的 网 络 体 系 结 构 也 已 完 全 被 以 太 网 的 结 构 所 影 响 多 层 分 布 式 子 网 的 结 构 已 逐 渐 被 以 太 网 所 替 代, 将 现 场 总 线 通 过 通 信 控 制 器 直 接 挂 接 到 Ethernet 上, 是 目 前 企 业 普 遍 采 用 的 方 法, 如 图 4 3

图 4 Ethernet/Fieldbus 的 网 络 结 构 图 5 基 于 Ethernet 的 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 虽 然 较 之 过 去 的 多 层 次 的 网 络 结 构 简 洁 得 多, 但 从 本 质 上 讲 这 种 网 络 仍 是 离 散 的 网 络 结 构, 无 法 实 现 办 公 自 动 化 与 工 业 自 动 化 的 真 正 无 缝 结 合 另 外, 网 络 的 速 度 也 难 以 提 高 二 十 一 世 纪 是 信 息 产 业 飞 速 发 展 的 时 代, 在 未 来 几 年 里 信 息 量 估 计 要 增 加 10~30 倍, 所 以 网 络 传 输 的 高 速 性 在 工 业 控 制 中 越 来 越 重 要 FF 用 100Mbit/s 的 Ethernet 来 增 加 其 高 速 总 线 HSE,Profibus 用 100Mbit/s 的 Ethernet 来 进 行 其 现 场 总 线 的 设 计 随 着 嵌 入 技 术 的 发 展 和 以 太 网 的 广 泛 应 用, 基 于 Ethernet 的 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 便 应 运 而 生, 如 图 5 基 于 Ethernet 的 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 使 网 络 成 为 透 明 的 覆 盖 整 个 企 业 范 围 的 应 用 实 体, 代 表 了 新 一 代 控 制 网 络 的 必 然 趋 势 基 于 Ethernet 的 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 特 点 及 实 现 要 点 : (1)Ethernet 贯 穿 整 个 网 络 的 各 个 层 次, 使 现 场 层 控 制 层 管 理 层 在 垂 直 层 面 得 以 方 便 集 成, 网 络 结 构 得 到 实 质 性 的 简 化, 实 现 了 真 正 意 义 上 的 办 公 自 动 化 与 工 业 自 动 化 的 无 缝 结 合, 是 扁 平 化 的 工 业 控 制 网 络, 其 良 好 的 互 联 性 和 可 扩 展 性 使 之 成 为 一 种 真 正 意 义 上 的 全 开 放 的 网 络 体 系 结 构 (2) 采 用 Ethernet 作 为 工 厂 底 层 控 制 网 络 的 信 息 传 输 主 干, 可 解 决 一 直 困 扰 工 业 界 的 多 种 现 场 总 线 的 兼 容 问 题 (3) 通 过 授 权 IP 地 址, 用 户 可 在 任 意 Internet 终 端 上 实 现 对 被 控 设 备 的 访 问 和 控 制 (4) 利 用 嵌 入 技 术 使 Ethernet 到 达 传 感 器 和 执 行 器, 实 现 现 场 设 备 与 网 络 的 连 接 IP 传 感 器 既 是 这 一 技 术 的 典 型 应 用, 实 现 了 现 场 设 备 与 Ethernet 通 信 (5) 嵌 入 式 Ethernet 技 术 在 工 业 过 程 控 制 中 的 一 个 重 要 应 用 是 实 现 对 远 程 现 场 设 备 的 状 态 监 控, 将 设 备 诊 断 技 术 与 信 息 技 术 相 结 合, 用 网 络 化 远 程 监 控 设 备 在 现 场 设 备 上 建 立 状 态 检 测 点, 使 设 备 数 据 上 网 在 设 备 出 现 异 常 时, 网 络 化 监 测 点 会 通 过 网 络 传 呼 机 电 子 邮 件 等 方 式 及 时 向 工 程 师 发 出 报 警 信 息, 对 异 常 现 象 作 出 响 应 (6) 远 程 浏 览 功 能 是 系 统 的 主 要 特 性, 采 用 B/S(Browser/Server) 方 式, 基 于 远 程 浏 览 器 的 客 户 端 / 服 务 器 方 式 用 户 只 要 在 客 户 端 装 有 浏 览 器, 就 可 向 网 络 上 的 某 一 Web 服 务 器 提 出 请 求,Web 服 务 器 对 用 户 进 行 身 份 验 证 后 接 受 用 户 的 请 求, 执 行 相 应 的 应 用 5 结 束 语 工 业 控 制 网 络 的 发 展 趋 势 是 开 放 性 和 集 成 性, 工 业 控 制 网 络 的 体 系 结 构 正 向 着 高 性 能 的 扁 平 化 全 开 放 的 网 络 体 系 发 展 DCS 系 统 FCS 系 统 复 合 网 络 式 的 管 控 一 体 化 系 统 和 工 业 以 太 网 系 统 是 不 同 发 展 阶 段 的 工 业 控 制 网 络 体 系 结 构 根 据 各 企 业 的 具 体 情 况, 合 理 应 用 网 络 技 术, 跟 踪 技 术 发 展 趋 势, 是 现 代 化 企 业 实 现 信 息 化 数 字 化 的 必 由 之 路 参 考 文 献 1.[ 美 ]M.Tim Jones. 嵌 入 式 系 统 TCP/IP 应 用 层 协 议 [M]. 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社,2003. 2.Todd D.Morton. 嵌 入 式 微 控 制 器 [M]. 北 京 : 科 学 出 版 社,2002. 3. 袁 鹏 飞.Intranet 网 络 建 设 与 应 用 开 发 [M]. 北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社,1999. 4. 王 达. 计 算 机 网 络 远 程 访 问 与 启 动 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,2003 年. 4

作 者 简 介 : 高 素 萍 (1963~), 内 蒙 古 人, 教 授 级 高 工, 主 要 从 事 自 动 化 技 术 工 业 DCS 自 动 控 制 计 算 机 应 用 方 面 的 设 计 研 究 开 发 工 作 电 话 / 传 真 :0755-26731646 13600155865 e-mail:gaosup@oa.szpt.net 通 信 地 址 : 深 圳 市 南 山 区 深 圳 职 业 技 术 学 院 自 动 化 技 术 研 究 所 (518055) 5