综述工业控制网络发展现状

综述工业控制网络发展现状

工业控制网络在工业通信及先进制造领域起到关键性作用。回顾工业控制网络的发展历程，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。

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。工业控制网络可以总结为四大类型：传统控制网络、现场总线、工业以太网及无线网络。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。

现场总线

现场总线控制系统FCS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、集散控制系统之后发展起来的新一代控制系统，他将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技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物，他在现场控制设备和测量仪器中嵌入微处理器，使他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、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。

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）就开始着手定制现场总线的标准，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。

目前现场总线的特点是：①各种现场总线都有其应用的领域；②每种现场总线都有国际组织支持的背景；③多种总线成为国家和地区标准；④设备制造商参与多个现场总线组织；

⑤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。已开发的现场总线有40多种，较著名的有基金会现场总线（FF）、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modus、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。

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，在传统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。

除此之外，现场总线的结构还有以下特点：①具有较高的性价比；②系统性能大幅度提高；③采用数字信号通道；④采用双向传输；⑤互操作与互用性；⑥系统的开放性；⑦系统结构的高度分散；⑧现场设备具有智能和自治的特点；⑨提高了系统的精度和自诊断功能；⑩降低了设计、安装的软硬件费用和系统的维护费用及组态和修改容易。

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。

近年来，工业以太网技术发展迅速，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，是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。

工业以太网

工业以太网一般是指在技术上与商业以太网兼容，但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能够满足工业现场的需要，也就是满足环境性、可靠性、实时性、安全性以及安装方便等要求的以太网。

工业以太网是应用于工业自动化领域的以太网技术，他是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的一种工业控制网络。以太网进入工业自动化领域的直接原因是现场总线多种标准并存，异种网络通信困难。在这样的技术背景下，以太网逐步应用于工业控制领域。

随着应用需求的提高，现场总线的高成本、低速率、难以选择以及难于互连、互通、互

操作等问题逐渐显露。工业控制网络发展的基本趋势是开放性以及透明的通信协议。现场总线出现问题的根本原因在于总线的开放性是有条件且不彻底的。同时，以太网具有传输速率高、易于安装和兼容性好等优势，因此基于以太网的工业控制网络是发展的必然趋势。

工业以太网的特点

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准兼容），但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现为普通商用以太网设计时，材质的选用。产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。故在工业现场控制应用的是与商业以太网不同的工业以太网。工业以太网具有应用广泛、通信速率高、资源共享能力强以及可持续发展潜力大等优势。

1.工业以太网的优势

以上优势使得工业以太网广泛应用于现场控制，主要有以下几个优点。

①基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放，完善不同厂商设备，容易互连，具有互操作性。

②可实现远程访问和远程诊断。

③不同的传输介质可以灵活组合，如同轴电缆、双绞线、光纤等。

④网络速度快，可达千兆甚至更快。

⑤支持冗余连接配置，数据可达性强，数据有多条通路抵达目的地。

⑥系统容量几乎无限制，不会因系统增大而出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系。

⑦可降低投资成本。

虽然优点很多，但不可否认的是，工业以太网再引入工业控制领域时也存在一些不足，这也是它所以没有完全取代其他网络的原因工业以太网的不足主要有以下几个方面：①实时性问题。传统以太网由于采用载波监听多路访问/冲突检测的通信方式，在实时性要求较高的场合下，重要的数据传输会产生传输延滞。②可靠性问题。以太网若采用UDP，他提供不可靠的无连接数据报传输服务，不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。③安全性问题。安全性问题主要是本质安全和网络安全。工业以太网由于工作在工作环境之中，因此必须考虑本质安全问题；另外由于使用了TCP/IP，因此可能会像商业网络一样，被病毒、黑客等非法入侵与非法操作而产生安全威胁。④总线供电问题。网络传输介质在用于传输数字信号的同时，还为网络节点设备提供工作电源，称为总线供电。工业以太网的总线供电问题还没有完美的解决方案。

工业以太网的标准

由于商用计算机普遍采用的应用层协议不能适应工业过程控制领域现场设备之间的实时通信，所以必须在以太网和TCP/IP协议的基础上建立完整有效地通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时与非实时信息的传输，形成广泛接触的应用协议，也就是所谓的工业以太网协议。

2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作组，旨在适应实时以太网市场应用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。IEC/SC65C在IEC61158的基础上制定了实时以太网应用行规国际标准IEC61784-2。2005年3月，IEC实时以太网系列标准作为PAS文件通过了投票，并于2005年5月在加拿大将IEC发布的实时以太网系列PAS文件正式列为实时以太网国际标准IEC61784-2.

随着以太网技术的成熟、交换技术的应用。高速以太网的发展等在工业自动化领域正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终都可以连接到以太网。随着集成电路的发展，高档的微处理器作为I/O处理器和控制处理器核心的条件逐步成熟，而在控制器上运行的实时嵌入器操作系统使控制器易于实现TCP/IP，以太网更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。过程控制工业和自动化工业从嵌入式系统到现场总线控制系统都认识到TCP/IP和以太网的重要性，以太网和TCP/IP作为世界上最为广泛应用的网络协议，他将成为过程级和控制级的主要传输技术。带TCP/IP的标准的以太网接口现已经在智能设备和I/O模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接、无缝的连接，而无需任何专用设备。因此可以说，工业以太网在工业通信网络中的使用将构建从底层的现场设备到先进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛。以太网作为21世纪以及未来工业网络的首选，它将在控制和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景，工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋。

工业控制网络发展趋势

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。纵观当今工业控制网络的发展趋势和市场需求，未来工业控制网络将有以下几种发展方向。

1.提高通信实时性

工业控制网络提高通信的实时性主要是使操作系统和交换技术支持实时通信。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。交换方式支持高优先级的数据包

接入高优先级的端口，以便高优先级的数据包能够快速进入到传输队列。其他研究方向还包括怎样提高在MAC层上的数据传输的调度方法等。

2.提高通信可靠性

工业控制网络基于不同的网络交换技术，需进行不同类型网络站点之间的通信，因此通信的可靠性显得尤为重要。提高通信的可靠性的研究方向之一在于设计虚拟自动化网络，以构筑深层防御系统。虚拟自动化网络中包含不同的抽象层和可靠区域，可靠区域包括远程接入区域、局部生产操作区域以及自动设备区域等，重点在于可靠区域的设计。

3.提高通信安全性

安全性意味着能预防危险，如系统故障、电磁干扰、高温辐射以及恶意攻击等因素所带来的威胁。自从工业以太网能够实现从管理级到现场级一致的数据传输，用户只需要掌握一种网络技术即可，同时也提高了工作效率。可是，统一的网络结构也因为整体的网络透明度承担了一定的风险。因此就必须有一套明确的规则来定义通信的时间和对象。

4.多现场总线集成

多现场总线并存在且互相竞争的局面由来已久，在未来相当长的时间内这种局面还将继续。

目前市场中主要用到的是OPC技术，它是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互，实现系统开放性的关键技术，同时也为不同现场总线系统的集成提供了有效地软件实现手段。多现场总线集成协同完成工业控制任务，是未来发展的趋势，研究方向之一是通过使用代理机制将单一总线系统中的设备映射到基于工业以太网的工业控制网络中。

5.无线网络提供新的应用可能

如今无线网络技术被广泛应用于办公环境中。移动性、灵活性、非常易于安装、低成本等优点，使得这项技术逐渐被应用于工业环境中。现在，WLAN越来越多的成为传统有线网络的补充。现在已有不少工业级的WLAN设备面市，他们都基于IEEE802.11b/g/a/h协议，可以提供约100Mbit/s的数据传输速率。传输距离方面，如果在5GHz频率下使用合适的天线，可以达到20km。将来扩展的协议IEEE802.11n将进一步规范WLAN在工业环境中的标准。新的标准实行后，数据通信将更可靠，速率也将更高，可达640Mbit/s，即使在无线电通信条件很差的环境。

总结

工业控制网络的发展经历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。以太网的广泛应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。

工业控制网络既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它作为智能设备的连接纽带，挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。工业控制网络是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉的新技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景。

典型应用——CAN总线的智能照明系统

基于CAN的智能照明系统是针对照明需要设计的一个可以独立运行的智能化系统。它采用分布式控制系统，上位机通过CAN-Ethernet网关与CAN总线系统相连，实现对灯光的智能控制。该系统采用双层结构设计，上层为计算机通过Ethernet进行系统扩展，CAN-Ethernet 网关即作为计算机Ethernet与CAN总线的转换设备，又可以作为各CAN总线分支的综合控制系统。下层使用CAN总线进行通信，各智能节点分散的安装在合适的区域并通过CAN总线进行连接。CAN-Ethernet智能网关作为上下层连接的桥梁，既可以实现以太网与CAN的转换，也可以对下层的CAN总线分支进行控制管理。智能照明系统采用了Cotex-M0系列单片机LPC11C14作为主控器，设计了输入/输出、A/D转换、调光这些主要的CAN智能节点。通过设计各底层软件、CAN通讯程序，为上层组态软件的设计提供了方便。