自动化控制系统网络技术的发展

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。特别是最近陆续开工建设或已试车成功的特大型炼化项目，已经在其自动化控制系统中的现场层采用了约1/4的FF(基金会现场总线)等现场总线产品，监控层基本采用了高速以太网主流网络产品，逐步做到控制彻底分散、操作显示及管理高度集中(全厂15个装置集中在一个总控制室操作)，系统数字化程度有了质的飞跃，为管控一体化打下了坚实的基础。这是对传统DCS的重大突破。在此十一五规划开始之年，有必要从自动化控制系统的角度，看一看网络技术的发展历史，温故而知新。

2、历史回顾

电报、电话等出现后，就有了用于信息传递的通信网络，特别是微型计算机出现后，功能不同或地域不同的计算机之间连成网络，数字通信技术就由一般单机(主机对终端)、多机通信扩展成计算机网络系统。自动化控制系统是一种完成测量和控制功能的分布式计算机局域网，其发展过程如下：

2.1 70年代DCS初级通讯系统

上世纪70年代中期开始出现DCS分散型控制系统，这是在并无统一网络标准的情况下，以大型企业为主各自完成的。网络规模大约节点有32-64个，通信距离约在1公里以内，主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环形和总线型为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通信速率为1Mbps以内。在控制站、操作站内均有“通信卡”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，均采用“令牌总线”通信协议。数据共享方面已做到按工位号操作。这时现场仪表均为模拟仪表，少数专用设备有RS-232/RS-422/RS-485等串口，可与之相链接。这期间通信规程中有IBM等提出的同步数据链路规程(SDLC)、高级数据链路规程(HDLC)和国际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)，以后3COM等多家供应商参与，在此基础上形成的以太网局域网，在突发性事务处理的各种通用系统中得到了较大发展，以太网以载波侦听多路访问/冲突检测方式即CSMA/CD方式进行数据通信。

2.3 始于1980年的ISO/OSI参考模型与IEEE802家族标准

在上述两方面技术的基础上，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)，负责制定局域网标准。又1983年ISO国际标准化组织通过了开放系统互联参改模型(OSI，Open System Interconnection)即ISO/OSI参考模型，在此基础上，1985年IEEE802委员会成立9个分委员会，(后来又增加成13个委员会)(为22个分委员会)，其中IEEE802.3负责CSMA/CD网，IEEE802.4负责令牌总线网，802.5负责令牌环网(其他分委员会负责高层接口、逻辑电路控制、广域网、宽带、光纤、数据和语音综合网络、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)，这些分委员会的工作，后来形成了ISO的标准，而我们对这些标准，又统称为IEEE802标准。

2.4 80年代中后期DCS通讯网络发展里程碑——TDC3000网络

80年代中后期，有了上述ISO/OSI参考模型和IEEE802标准基础，出现了第二代、第三代DCS系统，其网络特点为在保证第一代DCS网络延续性(即能互连)的前提下，能实现多个装置DCS互联及全厂各车间互联，向全厂控制网络与管理网络互联方向发展，当然这期间更新的网络的系统规模在扩大，采用光纤，通信距离为原来数倍，通信速率提高至10Mbps或更高，涵盖工位号是原来的数倍，工位字符数由8位字符增至12个字符，而且形成了域的概念，但这期间现场仪表仍以模拟仪表或HART标准的仪表为主，只是远程I/O的数据通信型式的现场仪表在增加，与PLC、分析仪等数字通信的能力增强。又不同厂家的DC的互联问题已提到日程上来了，DCS内异构的网络互联在逐步实现，其中TDC3000网络结构最为典型。DHW(250Kpbs)通过HG(数据高速通道的)与LCN(局部控制网络)相连；与DHW相当的新开发的总线VCN(万能控制网络)通过NIM(网络接口模件)与LCN相连。LCN网络可接645模件，通信速率为5Mbps，采用同轴电缆，通信距离为300米(光纤通信时为2000米)，用于控制室内操作站、应用模件、历史模件上位机接口(CG)等互连，并通过DHW、VCN与控制站相连，通向现场，LCN采用一种专有的含误差检查的“令牌传递”协议。C