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自动化控制系统网络技术的开展

1、引言新世纪以来,信息化速度在加快。自动化控制系统中,不仅在办公自动化系统、智能大厦自动化系统、市政、交通、物流、商业、银行等公用工程自动化系统方面的网络化有很大变化,就连机械制造为主的离散工…

1、导言

新世纪以来,信息化速度在加速。自动化操控体系中,不只在办公自动化体系、智能大厦自动化体系、市政、交通、物流、商业、银行等共用工程自动化体系方面的网络化有很大改动,就连机械制造为主的离散工业自动化,特别是流程工业自动化方面也向数字化、网络化、智能化方面前进了可喜的一步。特别是最近连续开工建设或已试车成功的特大型炼化项目,现已在其自动化操控体系中的现场层选用了约1/4的FF(基金会现场总线)等现场总线产品,监控层根本选用了高速以太网干流网络产品,逐渐做到操控完全涣散、操作显现及办理高度会集(全厂15个设备会集在一个总操控室操作),体系数字化程度有了质的腾跃,为管控一体化打下了坚实的根底。这是对传统DCS的重大突破。在此十一五规划开端之年,有必要从自动化操控体系的视点,看一看网络技能的开展前史,温故而知新。

2、前史回忆

电报、电话等呈现后,就有了用于信息传递的通讯网络,特别是微型计算机呈现后,功用不同或地域不同的计算机之间连成网络,数字通讯技能就由一般单机(主机对终端)、多机通讯扩展成计算机网络体系。自动化操控体系是一种完结丈量和操控功用的分布式计算机局域网,其开展进程如下:

2.1 70年代DCS初级通讯体系

上世纪70年代中期开端呈现DCS涣散型操控体系,这是在并无一致网络规范的状况下,以大型企业为主各自完结的。网络规划大约节点有32-64个,通讯间隔约在1公里以内,首要节点为操控站和操作站,拓扑结构以环形和总线型为主,通讯介质多为同轴电缆,也有选用双绞线的,通讯速率为1Mbps以内。在操控站、操作站内均有“通讯卡”等专用网络部件。这时期代表性的产品有TDC2000的DHW(数据高速公路)总线和CENTUM的F总线等,均选用“令牌总线”通讯协议。数据同享方面已做到按工位号操作。这时现场外表均为模仿外表,少量专用设备有RS-232/RS-422/RS-485等串口,可与之相链接。这期间通讯规程中有IBM等提出的同步数据链路规程(SDLC)、高档数据链路规程(HDLC)和世界电报电话咨询委员会的CCITTX.25等。

2.2 1975年推出以太网(Ethernet)

1975年美国施乐(Xerox)公司推出了以太网(Ethernet),今后3COM等多家供货商参加,在此根底上构成的以太网局域网,在突发性事务处理的各种通用体系中得到了较大开展,以太网以载波侦听多路拜访/抵触检测方法即CSMA/CD方法进行数据通讯。

2.3 始于1980年的ISO/OSI参阅模型与IEEE802宗族规范

在上述两方面技能的根底上,1980年2月,IEEE电子电气工程师协会建立了一个委员会(简称IEEE802委员会),担任拟定局域网规范。又1983年ISO世界规范化安排经过了开放体系互联参改模型(OSI,Open System Interconnection)即ISO/OSI参阅模型,在此根底上,1985年IEEE802委员会建立9个分委员会,(后来又添加成13个委员会)(为22个分委员会),其间IEEE802.3担任CSMA/CD网,IEEE802.4担任令牌总线网,802.5担任令牌环网(其他分委员会担任高层接口、逻辑电路操控、广域网、宽带、光纤、数据和语音归纳网络、可互操作的局域网的安全、无线局域网、有限高速局域网、有线电视等),这些分委员会的作业,后来构成了ISO的规范,而咱们对这些规范,又统称为IEEE802规范。

2.4 80年代中后期DCS通讯网络开展里程碑——TDC3000网络

80年代中后期,有了上述ISO/OSI参阅模型和IEEE802规范根底,呈现了第二代、第三代DCS体系,其网络特色为在确保第一代DCS网络延续性(即能互连)的前提下,能完结多个设备DCS互联及全厂各车间互联,向全厂操控网络与办理网络互联方向开展,当然这期间更新的网络的体系规划在扩展,选用光纤,通讯间隔为本来数倍,通讯速率进步至10Mbps或更高,包含工位号是本来的数倍,工位字符数由8位字符增至12个字符,而且构成了域的概念,但这期间现场外表仍以模仿外表或HART规范的外表为主,仅仅长途I/O的数据通讯型式的现场外表在添加,与PLC、分析仪等数字通讯的才能增强。又不同厂家的DC的互联问题已说到日程上来了,DCS内异构的网络互联在逐渐完结,其间TDC3000网络结构最为典型。DHW(250Kpbs)经过HG(数据高速通道的)与LCN(部分操控网络)相连;与DHW适当的新开发的总线VCN(全能操控网络)经过NIM(网络接口模件)与LCN相连。LCN网络可接645模件,通讯速率为5Mbps,选用同轴电缆,通讯间隔为300米(光纤通讯时为2000米),用于操控室内操作站、使用模件、前史模件上位机接口(CG)等互连,并经过DHW、VCN与操控站相连,通向现场,LCN选用一种专有的含差错查看的“令牌传递”协议。CG与现套接口软件CM50S、CM50N合作确保与上位机相连,完结工厂办理的和高档操控的功用。VCN可按63个模件(32个冗余设备),通讯速率为5Mbps,选用电轴电缆,通讯间隔300米,其上接操控站PM、APM、LM等,UCN及LCN现已参阅了IEEE802.4通讯模型。

2.5 80年代后起之秀的PLC多层通讯

PLC可编程操控器在80年代已由独自操控器连成中小型规划以上的体系,1990年前后一台或多台PLC经过RS232/RS485串口与1台或多台PC机(操作站内装HMI人机界面和组态软件或称SCADA软件)连成体系,它选用了现成的网络技能,特别是DDE或OPC数据交换软件技能及IEC61131-3规范的组态软件,使PLC体系的开放性、可用性大大进步,成为低成本自动化的模范,现已逐渐过渡到21世纪初的工业以太网为主的网络,而且由罗克韦尔公司牵头的CIP通用工业协议(Common Industrial Protocol)现已构成,DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP三层结构的通讯网络,已为人们承受,PLC由本来通讯功用较差变成走在网络化的前列。

2.5 90年代现场总线热潮方兴未已

现场总线技能在90年代现已构成了开发的热潮,它习惯了各行业现场测控方面的需求,构成了多规范并存的局势,细分传送数据宽度的位级的传感器总线,传送数据宽度为字节级的设备总线、传送数据宽度为数据流或功用块级的现场总线,FF HI/FF HSE等对进程操控更适合些,Profibus、Device Net等对离散操控更适合。基金会现场总线FF HI选用了ISO/OSI通讯模型的1、2、7层及用户层,它在现场两线制供电、防爆、防电磁搅扰、防雷击及冗余、现场操控(PID单回路调理、串级调理、选择性调理、比值调理等惯例操控均在现场完结)、互操作性、互换性方面均经受了实践工程的较长时间的检测。FFHI在通讯上考虑了网段上各种设备的特色及现场传输信号的特色,为多年相关经历的总结。把现场总线设备的通讯衔接(一种软衔接)这种虚拟通讯体系VCR(Virtual Communication Relationship)分红三种类型,即设置参数或改动操作方法的客户/服务器型(C/S)、改写功用块的输入输出的发行者/预订者型(P/S)、事情陈述、趋势陈述的陈述分发型(S/S 源点/受点),而且使用目标字典(OD)、设备描述言语(DDL)及用户层的功用块使用进程等,完结自动化体系丈量数据收集、操控回路使命,及确保可互操作性。FF HSE在与FF HI无缝衔接的根底上,用高速以太网(HSE:High Speed Ethernet)完结中央操控室一级或监控层的网络COTS化的使命,选用了交换机等网络产品及传输层、网络层的TCP/VDP/IP协议,确保了体系的开放性和可互操作性。

现场总线技能开展与现场外表完结数字化、网络化、智能化是分不开的,现在流程工业用的变送器等现场外表出产状况是FF占10%、HART占40%、模仿外表占50%,所以还要注重现场检测外表与执行器的更新换代,才能使现场总线技能遍及。

2.6 “e网究竟”前程似锦

在90年代之前鼓起的互联网(全球性的广域网),及移动通讯、多媒体技能、个人计算机及操作体系网络支撑功用的开展等,对自动化测控体系的数字通讯技能的影响是十分深化的。由于互联网的遍及,“网络接入业”的鼓起,交换机、集线器、5类双绞铜缆等网络产品价格下降,以太网及互联网协议簇(包含TCP/IP等)的使用技能深化到各种连网设备中,传输方法由基带向载波、宽带等方法开展,网络速率由10M提升至100M、1000Mbps等,所以在自动化测控体系中鼓起了“工业以太网”热,又由于一部分人着重自动化测控体系确实定性和实时性的特色,而在商用以太网根底上进行改造,构成了多种实时以太网,但这仅仅一个进程,关键是性价比能否为用户认可。总归,向着自动化测控体系网络扁平化、直至“e网究竟”的方向开展,这个趋势是显着的,仅仅有待时日罢了!

2.7 新世纪FCS与DCS孰是孰非

第4代DCS的呈现,习惯了21世纪初现场总线技能,管控一体化技能的开展。现在,经过现场总线基金会的HIST互操作性测验认证的11个主控体系,均是第4代DCS体系,而且在“基金会现场总线体系工程攻略”中指出:“一切FF功用,包含工程、组态、保护和操作显现功用,应集成在单个无缝主体系中。工程、组态、保护和操作功能应可以与传统模仿或离散I/O、智能HART和专用I/O、根据总线的I/O和FF体系完结兼容和无缝集成。主张不要选用只针对FF而且与传统体系不兼容的独立软件东西、显现或程序。”从而为“FCS替代DCS”等等观念,找到了处理的出路,即一起交融、相得益彰、DCS和FCS双赢的路途。这是网络技能的劳绩,由于它可以使如此杂乱的通讯要求,在经济适用的条件下完美的完结这个交融的进程。当然上面所说的主控体系,均到达FF HSE更高的水平。第4代DCS的通讯技能向以太网及TCP/VDP/IP协议挨近,与工厂办理网络兼容,数据同享,逐渐构成企业互联网Intranet。

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