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从自动化测控系统看网络技术的发展(二)

lj7071  发表于 2007/3/31 16:41:27      703 查看 1 回复  [上一主题]  [下一主题]

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(8)第4代DCS的出现,适应了21世纪初现场总线技术、管控一体化技术的发展。目前,通过现场总线基金会的HIST互操作性测试认证的11个主控系统,均是第4代DCS系统,而且在“基金会现场总线系统工程指南”中指出:“所有主FF功能,包括工程、组态、维护和操作性能应能够与传统模拟或离散I/O、智能HART和专用I/O、基于总线的I/O和FF系统实现兼容和无缝集成。建议不要采用只针对FF并且与传统不兼容的独立软件工具、显示或程序。”从而为“FCS取代DCS”等观点,找到了解决的出路,即共同融合、相辅相成、DCS和FCS双赢的道路。这是网络技术的功劳,因为它能够使如此复杂的通信要求,在经济适用的条件下完满地实现这个融合的过程。当然上面所说的主控系统,均达到FF HSE更高的水平。第4代DCS的通信技术向以太网及TCP/UDP/IP协议靠拢,与工厂管理网络兼容、数据共享,逐步形成企业互联网Intranet。 

  2 开放系统互连参考模型

  ISO/OSI参考模型反映了计算机网络通信的工作原理,把通信过程分段,相应地把网络功能分为不同的逻辑和物理层次,即不同功能层次完成不同通信阶段的工作。OSI模型分为7层,即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。它与FF H1、FF HSE通信模型之间的比较如图1所示。

  

    实现网络节点各层功能的基本方法是利用硬件实现较低层协议,利用软件实现较高层协议。目前已有用“专用芯片”等集成电路实现OSI的功能,其中以太网是一个很好的例子,另外就是LonWorks技术,它的Neuron神经元芯片中,集成了3个CPU,将相关的OSI模型的7层通信协议,包括兼容多种通信介质、NeuronC控制语言、网络变量等,均固化在其中,使通信达到能互操作水平,从而在智能大厦等局域网中得到广泛应用,这也是一个成功的范例。

  3 网络产品分类

  如果把各终端节点如何与线缆等通信介质相连的接口卡、连接器及通信介质和一些专门为通信而设置的节点均称为网络产品,加之对办公用或商业用网络产品与工业上管理用和控制用(包括现场总线)的网络产品总和考虑,还要对通信软件等进行分类,将是一个复杂的工作。现在从网络互联的低层设备功能来分,主要有中继器(或称重复器repeater)、网桥(bridge)、路由器(router)、网关(gateway)几种,以上几种均为有源产品。无源产品有T型分支(Tee)、无源多端口集线器(passive hub)、终端器、电缆、光缆等。

  在实际网络中,原来就有的物理层通用标准连接器如RS-232、RS-485等,应用很广,这也解决了很多简单的通信需求,而它们的商品形式又是多种多样的。

  在实际网络中,产品中还有接口卡、接口模块、链接设备等,特别是商用以太网的接插器(connector)、集线器(hub)、交换机(switches)等。

  作为网络产品,对于无线数字通信,诸如调制解调器、数传电台等在国内应用已相当广泛,希望它将随着商用移动通信技术有关数字通信的业务的发展而改变。

  嵌入式系统技术的普及,特别是32位的ARM9等处理器嵌入式产品在网络产品中的使用,将使得网络产品智能化程度、价格、体积等方面都有改善,这也促进了网络技术的发展。

   4 关于交换机

  近年来流程工业企业新建的中央控制室的网络中,交换机已广泛使用,特别是网络图中堆叠式交换机的图样很显眼,证明自动化测控系统网络的监控层已在很多行业中采用了交换机。交换机是多条总线的交换矩阵互连,即把每个端口都挂在一条带宽很高的背板总线上。

  交换机除去封装数据包进行转发、减少冲突域之外,还有隔离广播风暴、网络管理等功能,特别是工业以太网用交换机,还应适应工业环境及做到双电源供电,避免单一电源所造成的数据流失,支持环形网,提供网络冗余,通过安全规范认证,做到断线快速恢复等,正是由于增加了这些功能,所以其价格略高于商业以太网产品。目前赫斯曼、卓越等工业以太网用交换机已得到广泛应用。至于商业用交换机是否可用在工业上的问题,应该因地制宜,具体情况具体分析,正如不少工业企业在系统集成中,操作站使用名牌戴尔计算机而不使用一般工控机的现象,屡见不鲜。

  5 系统集成技术与网络技术

  自动化测控系统的基础是3C(computer,control,communication)和1I(integration),目前又提出1S(solution)目标,它的推动力是电控、仪控一体化和管控一体化。系统集成技术与网络技术相辅相成,共同达到在网络上共享数据和信息的目的。系统集成一词的流行始于上世纪80年代末、90年代初,现在Integrated System和System Integration的界限在逐渐模糊,这证明系统集成商和最终用户掌握网络技术的水平在提高,对各种网络或现场总线互联的接口卡的需求在扩大。美国Woodhead公司、Prosoft公司等的几十种接口卡产品和多协议网关(Modbus Ethernet TCP IP Profibus)可以满足系统集成的需求。系统集成技术的发展,在OPC(过程控制的对象链接嵌入)、EDDL和FDT(关于互操作性)、IEC61131-3(关于组态)等3个标准推动下,目前又向前发展,2003年发布了ISO15745标准,它解决了系统集成的应用需求和接口两个基本问题。该标准全称为:工业自动化系统和系统集成——开放系统应用集成框架。它分为4部分,第1部分提出了开放系统的应用集成框架(AIF,application integration framework)。自动化测控系统的网络往往牵涉到它的第2、3、4部分,如基金会现场总线FF H1/FF HSE就与第3、4部分相关,所以它是异构系统的组合,而多种异构系统中,监控层都采用了第4部分的以太网标准,交换机为中心的星型结构比较普遍地被采用,而且冗余技术、安全技术、质量服务等都有较大提高。工业以太网实时响应时间已打倒5~10ms。这对于流程工业的控制系统(包括安全系统)、离散工业控制系统(除去少数同步要求高的运动控制系统),均可以满足要求。所以有把握地说:实践已经证明,现场层采用FF H1等现场总线、监控层采用一般工业以太网是成熟的网络技术,将会在今后普遍被采用。

   6 结束语

  (1)在参考文献〔2〕中提到COTS,在军用信息系统中能把它作为设计原则,所以一般自动化测控系统更应重视应用COTS,把网络产品的价格降下来,使现场总线的“辅助设备”通用化。

  (2)把自动化测控系统对网络的需求进行分类,首先在数据采集系统中推广COTS;针对不同行业的需求推广不同的现场总线技术;工业以太网推广过程中,应对工程应用和开发并重。

  (3)检测仪表,执行器的数字化、智能化、网络化是基础,应该在国内大力开发这方面的新产品,同时要在国内建立测试中心、认证中心,开展标准化的工作,确保开放性、可操作性、可互换性,争取成为国际上认可的产品。

  (4)在自动化行业中应进一步普及网络技术,虽然已有十几种相关书籍,但为用户办学习班等方式仍很重要。中国仪器仪表学会和北京合成网络公司合作,在这方面为广大用户服务做出榜样,值得推广。

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