关于工业控制网络研究的综述【文献综述】

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毕业论文文献综述通信工程关于工业控制网络研究的综述摘要：工业分布式控制网络是工业自动化的发展趋势。本文简要介绍了基于工业以太网的控制网络和基于现场总线的控制网络以及基于软总线的控制网络，然后对融合了上述技术的工业控制网络作了分析，并列举出其优点，可以实现分布式多点控制，具有高度自动化。最后总结了这种工业控制网络在各工业自动化领域的应用前景。关键词：控制网络；现场总线；分布式1.引言工业自动化水平是一个国家现代化水平的重要标志，随着计算机技术、通信技术和控制技术的迅猛发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，正面向开放性、标准化的体系结构，开始朝着智能化、网络化、信息化和集成化方向发展。特别是进入90年代以后,计算机技术、网络通信技术和控制技术不断的发展和交叉渗透，社会生产力不断提高以及科技的不断创新，整个工业生产系统变得越来越庞大，在空间上分布越来越分散，越来越广阔，其组成也越来越复杂多样化。这导致了工业控制网络也越来越复杂，要求越来越高，传统的点对点式的控制网络无疑已经无法满足其网络化、智能化、分散化的需求。同时全球市场竞争日益激烈，各大企业面临着巨大的挑战，于是集成了计算机、网络、控制和通信等技术的工业分布式多点控制网络应运而生。它采用信息集成和系统集成的概念，将整个企业的决策和计划、工厂的生产与监控、市场销售与售后服务通过网络连通为一体，实现了企业的信息集成和综合自动化。同时又将工业现场环境的管理设备，监控设备以及现场生产设备连成通信控制网络实现生产的远程管理与监控。目前，基于工业以太网的控制网络、基于现场总线的控制网络以及基于软总线的控制网络发展迅速，广泛地应用于冶金、电力、化工、石油、造纸、大型机器设备的制造和电气化运输等工业领域，对我国社会主义现代化工业建设起着至关重要的作用，对国家经济发展有着深远的影响。2.基于工业以太网的控制网络从过去的计算机集中监督控制系统（CCS）网络，集散控制系统（DCS）网络到如今的现场总线控制系统（FCS）网络，工业控制网络经历了多个发展阶段，工业以太网也在蓬勃发展。随着工业控制网络的越加复杂化，分散化，其内部的连接越来越多了，各个独立控制部分对驱动和设备接口的要求愈来愈高，以太网网络接口逐步普及。以太网控制系统采用分布式体系结构，实质上是一种开放的，具有互操作性的，分散的分布式控制系统[1]-7- 。集成以太网接口的嵌入式控制模块和控制设备可以很方便地将传统的控制设备集成到基于工业以太网的控制网络中。这使得整个工业控制网络增加了弹性，不论是原有的现场设备或是以后引进的新的现场控制基础设施都能够方便的接入整个控制网络。3.基于现场总线的控制网络现场总线技术是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多节点的数字通信技术。现场总线控制网络已经存在了将近20年,并被广泛地应用于许多工业自动化领域中。工厂的不同设备终端以及现场测量控制设备与现场总线直接连接形成一个通信网络，远离现场的控制室可以通过现场总线连接的通信网络接收现场设备运行的各种信号以及运行参数、状态和故障信息等，同时又能把各种控制、维护命令发送到现场设备上去，更甚至能够将一个现场设备上的信息送到与其相关联的现场设备上去，从而实现了对生产过程现场控制设备之间和它们的更高一级控制管理层之间的沟通互联，也实现了对多个不同地点位置的现场设备的控制。现场总线控制网络不同于传统的点对点，一对一设备连线模式的模拟控制网络，而是将通信网络与控制系统相结合，集管理和网络通信为一体，采用总线来进行通信[2]。以下是在市场中占据重要地位的几种现场总线控制网络：（1）FF（基金会现场总线）控制网络基金会现场总线FF（FoudationFieldbus）控制网络是目前最具良好发展前景的控制网络之一，广泛应用于石油化工和过程控制领域。它以ISO/OSI为参考模型，拥有物理层、数据链路层、应用层，同时在应用层上增加了用户层。它分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的波特率为31.25Kbps,有200m、400m、1200m、1900m四种传输距离。H2的波特率为1.0Mbps和2.5Mbps两种，通信距离分别为750m和500m。（2）LonWorks（局部操作）控制网络局部操作LonWorks控制网络是一个非常强大的现场总线控制网络，采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议和面向对象的设计方法[3]。通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线)。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的芯片中实现。在楼宇、家居、交通工业等自动化领域中有广泛的应用。如图1为LonWorks总线示意图：-7- 图1基本LonWorks现场总线控制网络（3）Porfibus（过程现场总线）控制网络过程现场总线Porfibus控制网络符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170，广泛应用于工业自动化。参照ISO/OSI模型，拥有Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA三种标准。Porfibus支持主—从系统和多主站系统，主站之间采用令牌方式传递信息，只有得到令牌的主站才能发起一次通信。如图2所示为Profibus现场总线控制网络：图2Profibus现场总线控制网络4.基于软总线的控制网络-7- 随着现场总线技术的发展,分布式控制系统正在逐步替代传统的控制系统结构,为了解决异构系统交互的问题出现了软总线技术［4］。软总线技术融合了计算机硬件总线技术和软件模块化技术,采用硬件即插即用的理念,使软件可以像硬件设备一样使用,是基于工业自动化控制而开发出的一种软件中间件技术[5]。基于软总线的控制网络将单独的总线单元（智能传感器，过程控制单元，人机界面等）以变量的形式展现在总线上，把应用层与硬件层分离开来看，实现多对一的C/S(客户机/服务器)模式、多对多的S/S(服务器/服务器)模式等多种分布式网络远程控制模式。它通过应用软件系统将分散的系统和技术集成在一起，实现分布式数据访问和计算，解决操作系统和网络协议的差异问题，使得整个控制网络非常灵活化和自动化，不论在家里，或者工作时的办公室，更甚至是出差外出都能对工厂里的所有现场设备和系统进行远程遥控。5.工业控制网络分布式工业控制网路是一个集通行网络、计算机、自动化控制、智能传感器等多种技术为一体的多学科交叉的新兴技术。它是由多个分散在生产现场、具有数字通信功能的测量控制仪表作为网络节点而构成的，是一个将现场工作设备、管理设备、人机交互设备以及远程监控、控制、管理设备连接起来，从而实现工业生产现场设备以及与远程监控设备之间相互联系的通信控制网络[6][7]。分布式工业控制网络把自控系统和设备连接成网络，使它们之间能够通信，从而让一个企业工厂的信息交互能力增强，覆盖范围一直延伸到了生产现场。分布式工业网络控制系统是一种大型的复杂控制系统，它具有现场执行级、监控级和管理级这三级结构[8]。每级结构功能如下：（1）管理级。与以太网相连通，通过监控层收集到的关于工厂生产的信息数据来加以分析，从而制定出相关的管理决策。（2）监控级。它通过扩展槽中的网络接口连接到现场总线上，监测各个网络节点之间的互连，保证正常的数据通信。同时，它又通过现场总线与以太网相连，转换以太网协议和现场总线协议来实现以太网接口与现场设备网络之间的接口能够相互支持。（3)现场执行级。现场设备作为网络节点的智能设备连接在现场总线网络上，按照现场总线的协议标准，设备采用功能模块的结构，通过组态设计，完成PID控制、数据采集、温度压力补偿、数字滤波、A／D转换等不同功能。-7- 图3工业控制网络基本结构分布式工业控制网络将通信网络引入了控制系统，将现场设备和控制系统结合在一起，使现场控制和上层管理的联系更紧密了，实现了控制的分布化和网络化。不同于传统的点对点连接，解决了控制系统空间位置上的局限性问题，将控制功能延伸到现场的节点，扩展了整个控制活动的场所[9]。简化了整个控制系统的连接，除去了不必要的连线设备。具有灵活性好、可靠性高、接线少、信息互通共享、方便系统的维护和拓展等许多优点。分布式工业控制网络给实际工业控制带来的益处[10][11]：（1）系统开放性。相关的标准统一并对外公开，企业工厂可以将标准相同的设备和系统接入使用而不存在地域不同的问题。这使得企业工厂可以按照自身的实际情况来选择所需的设备或者系统进行搭配组合，无需考虑空间及兼容问题，从而达到自己企业生产的最优化。（2）设备互联性。将传感器、控制器和执行器等现场设备连入整个控制通信网络，采用1对N的多点结构，实现分布式多点控制。可以实现现场设备之间点对点、点对多点及广播式信息传递。（3）互可操作性与互用性。实现了相互连接的设备之间的信息传递和沟通，不同厂家的性能类似的现场设备通过“即插即用”的方式互相替换，互相使用。（4）环境的适应性。具有较强的抗干扰能力，能够适应不同的现场环境，支持多种通信介质，采用两线制实现供电与通信[12]。下面是传统工业控制网络与融合了工业以太网和现场总线技术的分布式工业控制网络之间的比较：如图4是最基本的工业集散控制网络，采用的是传统的集散控制系统（DCS）。整个控制系统对现场设备的控制管理以及传输信息都是采用点对点的物理连接，一个控制器对应的是一个现场设备，各个控制器之间的交互能力非常差，如果需要更换现场设备或者引入新的现场设备就必须重新铺设整个控制线路，不仅灵活性低接线复杂而且耗费的成本也增加。同时他们采用的是易受干扰的模拟信号，信号大小一般在4ma～20ma之间。-7- 图4基本dcs工业集散控制网络图5工业现场总线控制网络图5是工业现场总线控制网络,相对于图4的集散控制网络而言引入了工业以太网技术，控制系统连入了以太网获得了更好的访问控制性能。其控制器与现场设备之间是通过现场总线来连接起来的，信号通过总线可以实现一对多的传输。因此，一个控制器不在局限于控制一个现场设备，而是能够控制所有接入总线的现场设备，使整个系统的效率大大提高。而省去了一对一连接的布线，成本自然大大降低，同时灵活性也有很大提高，对同一个现场设备，可以通过不同的控制器来控制，按照企业工厂的实际情况来合理分配使用。现场设备的替换以及新的现场设备的接入采用“即插即用”的网络接口方式，可以方便的接入使用，具备很强的扩展性。6.总结-7- 工业控制网络在计算机、通信、控制技术的推动下不断变革，结构日益复杂，基于工业以太网的控制网络、基于现场总线的控制网路以及基于软总线的控制网络蓬勃发展，突破了传统点对点控制网络的局限，实现分布式控制，使控制智能简单化。而工业以太网技术、现场总线技术以及软总线技术等多种技术相融合的工业控制网络有着极大的发展潜力，将各个技术的优点相结合能够实现控制的最优化。在冶金、机械、汽车制造、石油化工、电力能源等各个行业领域中有着广泛的应用前景，极大地推动了自动化工业的发展，是21世纪工业自动化的新星。参考文献:[1]康葆荣.共享式工业以太网的实时性研究[D]太原科技大学,2007.[2]梁昌鑫,贾廷纲,陈孝祺.工业自动化现状与发展趋势[J].上海电机学院学报,2008(9):235-238.[3]汪成义.家庭控制网络联网技术及标准浅析[J].光通信研究,2009(4):37-40.[4]邵鹏飞,C.Bruce-Boye,梁丰.基于软总线LabMap的松耦合分布式控制系统研究.计算机测量与控制,2007,(11).[5]索乐,高晓光等.软总线技术在航空武器视景仿真系统中的应用研究[J].光电与控制，2007.14(1):133-135.[6]张湘.分布式网络控制系统若干控制问题研究[D].中国博士学位论文全文数据库,2008,(06).[7]王利亚,邓璐娟.分布式网络控制系统的研究[J]控制工程,2006,(S2).[8]刘连卫.分布式网络控制系统研究与设计[D]湖南大学,2005.[9]魏利胜,费敏锐.分布式网络控制系统研究进展[J]工业仪表与自动化装置,2009,(02).[10]赵新秋.工业控制网络的发展[J]自动化与仪器仪表,2008,(04).[11]王锐,李勇.现场总线在工业控制系统中的应用[J].中国水运(学术版),2006,(04).[12]Yu-PingTsou,Jun-WeiHsieh,Cheng-TingLin,Chun-YuChen,"BuildingaRemoteSupervisoryControlNetworkSystemforSmartHomeApplications".IEEEInternationalConferenceonSystems,ManandCybernetics,Volume3,Oct.2006,pp.1826-1830.-7-