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现场总线及其网络集成

2018/12/4        作者:林强  阳宪惠  徐用懋      
关键字:现场总线  控制网络  网络集成  
介绍了控制系统向着分散化、网络化、智能化方向发展的趋势,探讨了现场总线技术发挥的重要作用,以及控制网络和数据网络的结合为自动化技术所产生的影响。

    随着网络技术的不断发展,Internet正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来,形成信息高速公路,形成公用数据网络。而现场总线技术的兴起,改变了控制系统的结构,使其向着网络化的方向发展,形成了对人类生产、生活有重要影响的另一类网络——控制网络。由于现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化的发展趋势,显示出强大生命力,得到了迅速发展,成为控制领域的热点技术。随着现场总线控制网络的进一步发展,控制网络与数据网络的结合提上了日程,为开放型、全分布式控制系统与网络系统的进一步开拓提供了新的领域。

  现场总线作为控制设备之间实现数字通信的联系纽带,把具有通信能力的测控仪表作为网络节点,连接成开放式、数字化、多点通信的底层控制网络,并通过网络将节点连接为控制系统。由于它位于网络结构的底层,因而被称之为底层网Infranet。在某些场合,Infranet已成为现场总线控制网络的代名词。具有开放的通信协议,担负着测量控制任务,是它作为网络系统最显著的特征。

  控制网络Infranet与互连网Internet、企业内部网Intranet的连接,使控制网络与数据网络融为一体,让控制信息汇入到数据网络,从而进一步拓宽了控制系统的范围与视野,丰富了网络系统的信息内容与应用领域。

1 数据网络

  数据网络是指已在办公和通信等领域广为采用的计算机网络,通过数据网络人们可以直接获取信息。这类网络的特点是:数据通信量较大,需要经常传送文档、报表、图形,以及信息量更大的音频、视频等多媒体数据。数据网络从最初的局域网(LAN),局域网与局域网互连而逐步发展,导致Internet的出现。而当企业看到Internet的巨大商业价值之后,将局域网与Internet成功结合为Intranet,使数据网络的发展和应用进入到一个崭新的阶段。

  Intranet又称为企业内部网或企业网,它成功地结合了局域网和Internet的优点,也
可以看成是将Internet技术应用于局域网的产物。即Intranet是基于Internet和Web技术的
信息服务系统。可以认为:

  Intranet=Internet+Web+Information Technology

  Intranet采用Internet的通信技术,具有开放性的互联标准,能够提供强大的通信能力。Intranet采用B/S(浏览器/服务器)模式的Web技术,使用户可以动态地访问分布式网络数据库,信息共享的能力更加强大。Intranet采用了身份认证技术、网络数据加密技术和防火墙技术,在企业内部网和公共网之间添加了保护屏障,因此Intranet既保留了互联网的开放性,又具有企业网抵抗外部信息侵袭的安全性和可靠性。

  数据网络的通信技术已经相当成熟。它采用TCP/IP协议进行通信,其远程访问服务有Telnet,FTP,World Wide Web(W W W)。其中W W W服务可以提供大量的文字、图片乃至音频、视频等媒体数据的传送,还支持多种嵌入式的应用程序的开发。

  Internet和Intranet的结合可以为企业提供一个完善的数据信息资源共享的环境,可以在完成企业内部管理的基础上进一步加强企业同外部的信息交流,给企业创造更多的经济效益。

2 控制网络

  控制网络是指用于完成自动化任务的网络系统,它的网络节点除普通计算机、工作站外,更大量的是具有计算与通信能力的测控仪表。这些自控设备分布在工厂、建筑和家庭中,用于生产和生活的各个方面。

  现场总线系统采用可进行简单连接的双绞线等作为传输介质,把具有数字计算和数字通信能力的多个测量控制仪表连接成网络系统,按公开、规范的通信协议,在位于现场多个微机化测量控制设备间、现场仪表与远程监控计算机实现数据传输与信息交换,形成自动控制系统,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化、及控管一体化的综合自动化功能。简而言之,它以单个分散的测量控制设备作为网络节点,以现场总线为纽带,把它们连接成可以相互沟通信息,共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

  控制网络与数据网络相比,主要有以下特点:

  ①控制网络主要用于生产、生活设备的控制,对生产过程的状态检测、监视与控制,或实现“家庭自动化”等。数据网络则主要用于通信、办公,提供如文字、声音和图象等数据信息。

  ②控制网络和数据网络具有各自的技术特点:控制网络要求具备高度的实时性、安全性和可靠性。但它的数据传输量一般较小,而数据网络则需要适应大批量数据的传输与处理。

3 现场总线系统是控制网络发展的必然趋势

  集散控制系统DCS和现场总线系统都属于控制网络。DCS大多为模拟数字混合系统,并未形成从测控设备到操作控制计算机的完整网络。其主机部分的计算机网络由于采用独家、封闭的通信协议,给用户的系统集成与应用带来诸多不便,其技术发展受到较大束缚。

    现场总线成为发展趋势的原因之一,是它改变了传统控制系统的结构,形成了新型的网络集成式全分布控制系统。这是继基地式仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。现场总线采用全数字式通信、具有开放式、全分布、可互操作性(interoperability)等特点,形成了从测控设备到操作控制计算机的全数字通信网络,具备了与数字网络连接沟通的条件,顺应了控制网络的要求。因而成为控制网络的发展趋势。

  图1为DCS与现场总线系统的网络结构的比较。现场总线系统除了采用开放的通信协议之外,从图中还可以看到,它简化了DCS所采用的多级分层网络结构,且便于跟Internet、Intranet的连接与融合。

DCS与现场总线系统的网络结构

图1 DCS与现场总线系统的网络结构

 现场总线技术使自控设备具有数字计算和数字通信能力,这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度,同时为丰富控制信息的内容,实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下,借助设备的计算、通信能力,在现场就可进行许多复杂计算,形成真正分散在现场的完整的控制系统,提高了控制系统运行的可靠性。并可借助现场总线网段及与之有通信连接的其他网段实现远程自动控制,如操作远在数百公里之外的电气开关等。还可提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息,便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。

  同时,现场总线控制系统FCS改变了分布式控制系统DCS的控制结构,它把控制算法集成在智能仪表中。在FCS中,无论是计算机工作站还是现场智能仪表,都被看成是系统中的节点,由不同的节点执行不同的功能。FCS的控制功能完全分散到现场的智能仪表中,智能仪表可以在生产现场执行对生产过程的控制。因此,即使计算机发生故障,控制系统也不会“瘫痪”;另一方面,工作站和智能仪表之间通过控制网络进行数字化通信,除了能够完成组态与管理功能外,还可以在必要的时候对生产过程按复杂的高等控制计算结果进行控制。控制系统过去那种封闭式的、集中式的、不灵活的体系正在被未来开放式的、网络式的、灵活的体系所取代。网络化的控制体系远比PLC和集散控制系统DCS更为优越。

4 现场总线促进了控制网络与数据网络的结合

  现场总线技术使控制系统向着分散化、网络化、智能化的方向发展,使控制技术与计算机及网络技术更为紧密地结合,为自动化领域的技术发展注入了新的活力。

  在基于现场总线的控制系统FCS中,控制设备具备了网络通信能力,通过现场总线网络连接成控制系统。把DCS系统中基于封闭、专用的通信解决方案变成了基于公开化标准化的解决方案。也正因为现场总线基于开放统一的通信协议标准,为控制网络与数据网络的连接提供了方便,因而对控制网络与数据网络的融合起到了积极的促进作用。当传统的控制系统逐步走向现场总线控制网络Infranet时候,便为构建Internet-Intranet-Infranet的网络结构、组成一个协调的整体铺平了道路。

  图2显示了Internet-Intranet-Infranet的体系结构。

Internet-Intranet-Infranet体系结构

图2 Internet-Intranet-Infranet体系结构

    Infranet实现与Internet和Intranet互连,丰富了网络的信息内容,便于发挥出数据信息和控制信息的综合优势。

5 控制网络与数据网络的接合将对自动化领域的发展产生深远影响

  实现Internet-Intranet-Infranet体系结构对于人们的生产和生活有着重要的作用,如远
程监控系统就是该体系在生产控制领域内的应用之一。

  远程监控是指本地计算机通过网络系统(主要是广域网Internet),而实现的对远端生产过程的监视和控制。能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。

    现场总线系统接入Internet,在一定条件下,便可通过Internet监视并控制这些生产系统和现场设备的运行状况及各种参数,即不必亲临现场,通过网络实现对远程被控对象的监视控制,以节省大量的交通、人力。还可以根据需要建立起地区级的、国家级的乃至世界级的监控中心,便于大型生产企业集团对于所属工厂的整体管理,从而提高经济效益。对于控制系统和现场设备的制造商来说,可以对自己产品进行及时维护,对产品性能进行及时的跟踪调查以便进一步改进设计。

  要实现远程监控系统,第一要有一个能够稳定运行现场总线的控制系统;第二要有一个能够通过Internet进行远程访问的数据通信系统;第三要有远程监控系统在控制系统的各个组成部分间建立的虚拟通信关系,通过Internet接通远程异地的控制网络,并利用公用数据网络丰富的软硬件资源,以便通过Internet来监视和控制生产现场。

  出于对现场总线系统安全性的考虑,远程监控软件可设置在服务器或另外的计算机上运行,而与图3所示的“现场总线工作站”分开。

远程监控系统示意图

图3 远程监控系统示意图

  当然,远程监控系统是相对而言的。可以从本地监控远端,也可以由远端监控本地,还可以实现本地和远端的双向监控。

  国外许多公司在积极地研究和开发远程监控系统,建立现场总线网络与Internet连接的一套标准,并尽可能地采用现有的W W W技术。将采集到的生产数据直接放到HTML文档中,本地用户可以通过控制网络、局域网LAN,远程用户可以通过Internet对生产过程进行访问。如国外某大型石化企业已基本实现在公司总部对分散在各地的下属单位,进行经营、生产概况的数据、曲线总览,监视工厂生产装置的运行状态。又如在家庭自动化领域,Echelon公司开发了一个小型的实验系统,可以让全球的Internet用户在网上访问并控制实验室内的智能设备。这些设备包括可设置0~100%开度的窗帘,可设置0~100%亮度的台灯,开关式的壁灯等。当然,这些设备无论处于什么状态都对周围没有太大的影响,因此网络安全性问题尚未完全解决之前,该远程监控系统不至于有大的麻烦。

  随着控制网络操作系统的发展,控制网络和数据网络正在结合而逐步走向一体化。当控制网络中的操作信息和数据网络中的管理决策信息能更好地结合之时,网络系统的功能会得到更大发挥。Internet的出现和迅速发展,已经为我们带来了极大的方便,它推动而且改变着人们的生产生活方式。在未来的发展道路上,数据网络与控制网络的接合,必将给人们带来更加美好的生活,使人类走向更为发达的社会。

责任编辑:邓忠帅
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