1、工业控制网络技术的发展综述结课作业工业控制网络的发展综述工业测控网络技术结课作业 学年第二学期学号： 姓名： 任课教师： 时间： 2012-5-28 工业控制网络的发展综述姓名： 学号： 摘 要： 工业控制网络在工业通信及先进制造领域起到关健性作用。回顾了工业拉制网络的发展历程，简要介绍了目前国际上已经应用的几种主要的控制网络：现场总线、工业以太网以及无线网络。最后对控制网络的发展趋势进行了展望。关键词：工业控制网络；现场总线；工业以太网；无线网络；现状；发展趋势Development Review on Industrial Control Network Abstract：Industri
2、al control network is needed for industrial communication and advanced manufacture. An overview on the evolution process was given, and several main industrial control network used internationally at present (such as Field-bus，Industrial Ethernet and wireless industrial network) are also summarized.
3、 Finally, development trend of the industrial control network is discussed.Keywords: Industrial control network; Field-bus; Industrial Ethernet; wireless industrial network; Status; Development trend1 引言工业控制网络在提高生产速度、管理生产过程、合理高效加工以及保证安全生产等工业控制及先进制造领域起到越来越关键的作用。工业控制网络从最初的计算机集成控制系统CCS到集散控制系统DCS，发展到现场总
4、线控制系统。近年来，以太网进入工业控制领域，出现了大量基于以太网的工业控制网络。同时，随着无线技术的发展，基于无线的工业控制网络的研究也已开展。图1总结了工业控制网络的4大主要类型：传统控制网络、现场总线、工业以太网以及无线网络。传统控制网络现在已经很少使用，目前广泛应用的是现场总线与工业以太网，而工业以太网关键技术的研究是目前工业控制网络研究的热点1。图1 工业控制网络的主要分类2 现场总线2现场总线控制系统FCS（Filedbus Control System）是在基地式气动控制信号控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、直接数字控制系统DDC（Direct Digital Contro
5、l）、集散控制系统DCS（Distribute Control System）之后发展起来的新一代控制系统，它将DCS 中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理信息层交换信息，代表了工业控制网络技术的发展方向。现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物，它在现场控制设备和测量仪表中嵌入微控制器，使它们具有数字计算和数字通信的能力，构成能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。按照国际电工委员会IEC61158 标准的定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一
6、种串行、数字式、多点通信的数据总线”。2.1 现场总线发展现状由于各个国家各公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就开始着手制定现场总线的标准，但至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场的特点：各种现场总线都有其应用的领域；每种现场总线都有国际组织支持的背景；多种总线成为国家和地区标准；设备制造商参与多个现场总线组织；各个现场总线彼此协调共存。而国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。已开发出的现场总线有40多种，较著名的有基金会现场总线（FF）、Prof
7、ibus、HART、CAN、Lonworks、Modbus、Interbus 等。近年来，现场总线技术一直是国内工业自动化领域的热点，一些业内的企业和科研单位已经由最初对现场总线技术研究、公关、示范，转变为具体应用和产品开发。2.2 现场总线主要技术特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式， 图2为现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比。在传统模拟控制系统中采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接；而在FCS中，所有的设备作为网络节点连接到总线上，不仅节省了电缆，而且还方便了布线。
8、除此之外，现场总线的结构还有以下特点：具有较高的性价比；系统性能大幅度提高；采用数字信号通信；双向传输；互操作与互用性；系统的开放性；系统结构的高度分散；现场设备具有智能和自治的特点；提高了系统的精度和自诊断功能；降低了设计、安装的软硬件费用和系统的维护费用；组态和修改容易。2.3 主流现场总线的比较目前现场应用比较广泛的现场总线主要有FF、Profibus-DP、CAN 总线等， 这些现场总线在技术上各有特色，目前它们还不能相互代替而应用到所有的领域，几种总线的特性和应用对比见表1。图2 现场总线控制系统与传统控制系统的结构对比表1 几种现场总线的比较2.4 现场总线发展趋势近年来，工业以太
9、网技术发展迅速，这个原来用于IT 领域的标准，在信息网扩展中得到迅速的发展，不断提高的性能和迅速降低的成本是现有任何工业自动化网络无法比拟的，使工业自动化领域的一些公司不约而同地将注意力集中在利用以太网的资源上，所以新一代的工业自动化网络几乎都是建立在以太网基础之上，使工业以太网成为当前的技术热点。从总线技术的发展方向上来看，所有的现场总线最终都将向Ethernet 过渡， 许多基于现场总线的控制系统最终都将连接到Ethernet，直至与Internet 相连接。工业以太网是工业控制系统的一个发展方向。目前工业以太网还主要应用在过程监控层， 而在现场层则是采用现场总线技术。3 工业以太网以太网
10、最早出现在上世纪70年代，是一种总线式局域网，采用CSMA / CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect，载波监听多路访问/冲突检测） 协议，1985年，IEEE802委员会吸收以太网标准为IEEE 802.3标准，以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，包括在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以1001000 Mbps 甚至更高的速率传输信息包。以太网组成的网络节点分为两大类：（1）数据终端设备，如工作站、服务器、智能设备等；（2）数据通信设备，接收和转发网络中数据包，如中继器、交换机和路由器等。早期
11、以太网一般采用总线型拓扑结构，现在多为星型拓扑结构。总线型结构采用分布式媒体访问控制方法，主干故障会造成全网瘫痪，站点较多时，数据冲突增多造成低效率。星型拓扑结构采用集中式媒体访问控制方法，结构简单，实现容易，信息延迟确定。工业以太网在技术上和商业以太网（即IEEE 802.3 标准）兼容，传输对象主要为工厂控制信息，要求有很强的实时性与可靠性；在使用上，要满足工业现场的环境要求，如：耐高温、耐腐蚀、防尘、防水、电磁兼容性EMC 应符合EN 50081- 2、EN50082- 2 标准、安装方便等3。3.1 工业以太网的主要技术特性4l) 系统响应的实时性。工业以太网是与工业现场测量控制设备相
12、连接的一类特殊通信网络，控制网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。在工业自动化控制中需要及时地传输现场过程信息和操作指令， 要能够支持和完成实时信息的通信。这不仅要求工业以太网传输速度要快，而且响应也要快，即响应实时性要好。2 ) 网络传输的确定性。即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。以前，以太网被认为不能用于工业控制领域，这主要是因为以太网的CDMA/CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)的确定性，而现在随着以太网速率不断提高，加上确定性调度算法的研究突破，使网络负荷进一步减轻、碰撞减少，系统的确定性已得到了很
13、大的提高。3) 总线供电技术。电气电子工程师协会于2003年6月批准了以太网供电PoE 标准-IEEE 802.3af。PoE 技术是指对现有的以太网CAT-5布线基础架构不用作任何改动的情况下，借助于一根常规以太网线缆在传输数据的同时供应电力，从而保证该线缆在为以太网终端设备传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电。4) 要求极高的可靠性。工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性，具体表现在以下三个方面：可使用性要好，网络自身不发生故障。容错能力强， 网络系统局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作。可维护性高，故障
14、发生后能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复。3.2 工业以太网的优点 51）具有相当高的数据传输速率( 目前已达到100Mb/s)，能提供足够的带宽；2）由于具有相同的通信协议，Ethernet 和TCP/IP 很容易集成到IT( 信息技术) 世界；3）能在同一总线上运行不同的传输协议， 从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；4）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；5）沿用多年，已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；6）允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已由于智能集线
15、器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等工业以太网以其低成本、易于组网、数据传输速率相当高、易与Internet 连接和几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发的优点而被广大工程人员忽略。3.3 通信确定性与实时性问题5工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞检测方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，因此传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求。然而，快速以太网与交
16、换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。1）Ethernet 的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞机率大大下降。2）采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。Ethernet 交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网
17、的网络负荷。3）全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使Ethernet 通信确定性和实时性大大提高。3.4 通信的稳定性与可靠性5Ethernet 进入工业控制领域的另一个主要不足是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的，而未针对较恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了
18、解决在不间断的工业应用领域，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic 微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG 等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN 导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构。IEEE802.3af标准中，对Ethernet的总线供电规范也进行了定义。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。3.5 以太网的不足之处5以太网稳定度和实时性等方面都存在问题，但是工业以太网技术已经在系统级的通信总线上得
19、到大量的应用，现场级的应用则较少。整个制造业企业的网络是分层结构的，在最底层有用于传感器执行器的总线标准，如：ASi；设备级有设备级的总线标准，PROFIBUS、INTERBUS 等；这些都是以太网不能代替的。3.6 工业以太网技术的发展趋势与前景 6-9未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：（1）工业以太网与现场总线相结合的形式工业以太网技术就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近一段时间内
20、，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合， 具体表现在：1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；2）使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；3）采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议栈；4）应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议；5）兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等；（2）工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信趋势针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术：1）实时通信技术其中采用
21、以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。2）总线供电技术采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。3）远距离传输技术采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。4）网络安全技术采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。5）可靠性技术采用分散结构化设计、
22、EMC 设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。所以，Ethernet 不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，Ethernet+TCP/IP 将成为器件总线和现场总线的基础协议。Ethernet 在工业控制领域中的应用将越来越广泛， 市场占有率的增长也越来越快， 已有的现场总线有它自己的市场定位， 将来仍将保持这种状况， 或与工业以太网相结合。现场总线不可能为工业以太网所替代，但后者发展的巨大潜力决不容忽视，其应用领域定将不断地得到扩展。4 无线网络10
23、 4.1 工业无线网络概述随着计算机、通信和网络技术的飞速发展,无线传感器网络应运而生。传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的,具有低成本、低能耗、高度灵活性、扩展性强等特点,已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点。由于工业现场环境复杂以及工业应用的特殊要求,工业无线网络面临着通信实时性、可靠性、安全性以及抗干扰能力等问题。4.2 工业无线网络发展现状11,13目前, 工业无线网络的研究热点主要集中于网络技术和通信协议方面。在数据管理、软件开发环境和工具等方面的研究工作还不多, 研究成果很少。工业无线网络技术尚缺乏
24、统一的国际标准, 这严重阻碍了无线网络技术的应用和普及。目前，无线通信在工业自动化领域的研究主要有以下几类：无线总线RFieldbus、无线传感器与执行器网络wSAN、基于IEEE 80211的无线局域网WLAN以及基于IEEE 80215的无线个域网WPAN等。以下对种工业无线通讯标准的特点及应用进行简单介绍。4.2.1 ZigBee标准ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定。ZigBee协议主要由物理层、数据链路层、网络/安全层、应用框架及高层应用规范构成。其中物理层与数据链路层由IEEE定义
25、，网络层与应用层由ZigBee联盟定义。ZigBee技术的主要特点如下：(1)低功耗：采用ZigBee技术的设备功耗非常低，仅几个MW，普通五号电池可使用6个月以上；(2)短距离：节点设备间的距离一般在1075m,用于短距离通信；(3)低数据传输率：数据传输率只有10250kb/s，用于低速率通信； (4)低成本：ZigBee数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本，采用ZigBee技术的设备节点成本一般只有几美元； (5)低延时：设备节点的时延很短，信道接入时延为15ms，休眠激活的时延为30ms； (6)网络容量大：ZigBee网络可以容纳65536个节点； (7)高可靠性和安全性：可根据
26、不同的应用场合实施不同的安全加密算法。 ZigBee技术广泛应用于各种短距低速的场合，如医疗护理、汽车自动化、农业自动化和遥测遥控等。4.2.2 无线HART标准 HART通信基金会HCF从2004年起，宣布开发无线HART协议，要求HART无线通信技术保证支持产品的互操作性，与有线HART仪表的无缝连接，提升HART智能仪表的智能和可连接性。历经近3年的努力，经HCR成员投票，无线HART的规范和通信协议已在2007年6月正式通过。 WirelessHART是基于IEEE 802.15.4，可在全球应用的2.4GHz频带，具有信道跳频、Mesh网络拓扑鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。它
27、旨在为过程测量和控制提供有足够确定性、并具有可互操作性的无线通信标准。将无线通信纳入HART规范，将在HART原有一切功能的基础上进一步提升具有HART功能的现场仪表和主系统的技术能力。这就是说，有线HART和无线HART除了通信介质不同而产生的必要规范以外，它们运用同样的HART命令结构、同样的软件工具。现有的HART应用(包括控制系统、PLC工具、资产设备管理应用等)，无需进行任何软件升级，都可以利用无线HART协议。 1个无线HART传感器网络由无线 HART网络设备、至少1个无线HART网关和1个无线HART网络管理器组成。其组成结构如图3所示。图3 无线HART网络的组成结构 无线H
28、ART标准为过程测量与控制、设备资产管理提供了一个健全的无线协议。无线HART是基于已经被人们熟悉并证实了的有线HART协议，通过与现有设备、工具和系统的兼容，使人们快速简便地感受无线技术的特点。无线HART的特点如下：(1)可靠性：通过网状网络、跳频技术和时钟同步通信等技术，在干扰的情况下也能保证可靠性。保证了无线HART与其他无线网络的共存；(2)安全性：无线HART通过加密、校验、密码管理、认证等各种安全措施保证网络和数据时刻处于保护状态；(3)供电特性：无线HART允许用户和设备设计者很据自己的需要选择供电模式。比如电池、太阳能和回路洪电。4.2.3 SP100标准2004年12月，美
29、国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准SP100委员会，启动了工业无线技术的标准化进程。2006年，SP100委员会成立了新的SP100.11a工作组，力争推出一个面向过程控制应用的工业无线技术子标准，并于2007年12月推出了该标准的草案。ISAl00.11a是由ISA100无线工作组定义的标准，用于向非关键性的监测、警报、预测控制、开环控制、闭环控制提供安全可靠的操作。ISA100a为低数据传输率的无线连通设备定义了OSI堆栈、系统管理、网关和安全规范，这些设备支持有限能源消费要求。SP100的特点如下：(1)各层次之间的相互独立性：ISA100.11a允许不同的层次进行独立修改，比如，
30、定义了一个新的物理层，可以将其加人到协议中，标准的其他部分受到最小的影响(如果有的话)；(2)设备的可交换性：来自于不同厂商的具有相同结构、功能并符合ISA100.11a标准的设备之间是可交换的。ISA100.11a规定了一组所有设备都支持的必需功能和一组少数设备支持的可选功能。设备执行的任何一个可选功能都应该能够被操作使其无效。这样就使所有的设备具有相容性和互通性；(3)世界范围的适应性：ISA100.11a标准旨在支持所有世界主要领域的已建立标准。ISA100.11a设备必须能够支持具体领域的规定，不能执行那些会阻止它在该领域操作的特性。ISA100.11a标准提供了一些可选项使设备用于未
31、指定领域。ISA100.11a的设备类型包括：现场设备和基础设施设备，每一个设备具有特定的逻辑角色，包括系统管理器、网关、主干路由、系统时间源、非路由设备、现场路由等。ISA100.11a设备的架构要求用OSI基本接口模型描述。ISA100.11a的所有节点类型都源自于这个模型，都是在此模型基础上进行扩展或限制而来的。4.3 工业无线网络的发展趋势无线通信网络技术在工业现场中的应用并不是简单的化有线为无线，它延伸了原有的工业网络的控制范围，并提供了极高的灵活性，成为有线网络、现场总线的一个有效补充。在未来的若干年内，工业无线网络将会得到快速的发展。但是无线通讯并不会代替有线通讯，无线只会在有线
32、不能实现或成本比较高的地方代替有线。两种通讯技术结合起来，有线的稳定性、可靠性和无线的灵活性、经济性互相补充，将会有效地促进我国工业技术的发展10。5 工业控制网络技术未来发展方向1工业控制网络的发展历经了从传统控制网络到现场总线，再到目前广泛研究的工业以太网以及无线网络的过程。以太网的广泛使用为工业控制的发展提供了良好的基础结构，但如何保证工业通信的实时性是研究的关键。本文综述了目前广泛研究的工业控制网络技术的几项关键技术。最后就工业控制网络未来发展的一些技术难题及相关解决方法进行总结，主要包括： (1)提高通信的实时性提高操作系统和交换技术以支持实时通信。操作系统基于优先级策略对非实时和实时传输提供多队列排队方式。交换技术支持高优先级的数据包接人到高优先级的端口，以便高优先级的数据包能够快速进人到传输队列。此外，可改善拓扑结构以
