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、zhinenghuafangmianqianjinlekexideyibu。tebieshizuijinluxukaigongjianshehuoyishichechenggongdetedaxinglianhuaxiangmu，yijingzaiqizidonghuacekongxitongzhongdexianchangcengcaiyongleyue1/4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、電(dian)話(hua)等(deng)出(chu)現(xian)後(hou)
，就(jiu)有(you)了(le)用(yong)於(yu)信(xin)息(xi)傳(chuan)遞(di)的(de)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)，特(te)別(bie)是(shi)微(wei)型(xing)計(ji)算(suan)機(ji)出(chu)現(xian)後(hou)，功(gong)能(neng)不(bu)同(tong)或(huo)地(di)域(yu)不(bu)同(tong)的(de)計(ji)算(suan)機(ji)之(zhi)間(jian)連(lian)成(cheng)網(wang)絡(luo)，數(shu)字(zi)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)就(jiu)由(you)一(yi)般(ban)單(dan)機(ji)（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3COM等deng多duo家jia供gong應ying商shang參can與yu，在zai此ci基ji礎chu上shang形xing成cheng的de以yi太tai網wang局ju域yu網wang
，在zai突tu發fa性xing事shi務wu處chu理li的de各ge種zhong通tong用yong係xi統tong中zhong得de到dao了le較jiao大da發fa展zhan
，以yi太tai網wang以yi載zai波bo偵zhen聽ting多duo路lu訪fang問wen/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(zhi)10Mb/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”熱(re)。又(you)由(you)於(yu)一(yi)部(bu)分(fen)人(ren)強(qiang)調(tiao)自(zi)動(dong)化(hua)測(ce)控(kong)係(xi)統(tong)的(de)確(que)定(ding)性(xing)和(he)實(shi)時(shi)性(xing)的(de)特(te)點(dian)，而(er)在(zai)商(shang)用(yong)以(yi)太(tai)網(wang)基(ji)礎(chu)上(shang)進(jin)行(xing)改(gai)造(zao)，形(xing)成(cheng)了(le)多(duo)種(zhong)實(shi)時(shi)以(yi)太(tai)網(wang)，但(dan)這(zhe)隻(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)過(guo)程(cheng)
，關(guan)鍵(jian)是(shi)性(xing)價(jia)比(bi)能(neng)否(fou)為(wei)用(yong)戶(hu)認(ren)可(ke)。總(zong)之(zhi)，向(xiang)著(zhe)自(zi)動(dong)化(hua)測(ce)控(kong)係(xi)統(tong)網(wang)絡(luo)扁(bian)平(ping)化(hua)
、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FCSshuangyingdedaolu。zheshiwangluojishudegonglao，yinweitanenggoushirucifuzadetongxinyaoqiu，zaijingjishiyongdetiaojianxiawanmandishixianzhegeronghedeguocheng。dangranshangmiansuoshuodezhukongxitong
，jundadaoFF 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.