新化西河镇人口:自动控制系统网络的研究与开发

近几年来，随着计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革，以太网（Ethernet）逐渐进入工业领域。据统计，目前在工业领域有超过100种通信协议被应用于各种各样的工业计算机平台之间的数据交换，从智能传感器到参域的监控系统都在应用以太网。以太网是目前可用的最常见的网络协议，因而控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流，以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域将会得到了越来越多的应用。

工业以太网发展趋势
目前，以太网已经应用到了各个领域，尤其在自动化系统中已渗透到了管理层、系统层、控制层和设备层，很多的DCS和远程I/O供应商都能提供支持以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：低成本的刺激和速度的提高；现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；以太网的开放性和兼容性。
工业以太网技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从管理层向下延伸到系统层、控制层和设备层，当控制系统采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向定单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求。

控制系统网络的典型结构
一般来讲，现代的控制系统网络可分为4层：管理网、系统网、控制网、设备层网，如图1所示。
管理网
管理网MNet是控制系统的最高一级网络，采用以太网，实现工厂级的信息传递和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。其功能如下：
* 可从运行有数据服务软件的操作站（或专用服务器）上获取系统过程参数和系统运行信息，同时向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导信息；
* 企业内多组装置或生产过程的管理数据通信；
* 大型工业过程各子系统间的协调控制与调度管理；
* 工厂级的综合管理、调度、统计和决策等。
管理网MNet主要性能指标表1所示：
系统网
系统网是自动化控制系统的核心网络，一般系统网络都是双冗余的实时高速工业以太网，它直接连接了集散控制系统的现场控制站、操作员站、工程师站和数据通信组件等，它是传送过程控制实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性。通过挂接在其上的数据通信组件可以与其它厂商的控制系统或智能仪表相连，也可通过运行有数据服务软件的操作站或专用服务器把过程控制信息向上层的信息管理网传送。系统网络主要完成下面的基本功能：
* 现场控制站传递现场I/O采集数据至操作站；
* 各现场控制站间的数据传递，以满足大范围协调控制的需要；
* 操作站和工程师站向现场控制站传递控制指令或组态数据；
* 保持各操作站之间数据的一致性。
系统网络的过程实时信息的传递完全基于UDP/IP协议，从而极大地提高了传输速率。此外系统网络在UDP协议的基础上，大量使用了组播和广播技术，从而进一步大大减轻了网络通信负担。对于数据传输的系统网络驱动程序还提供流量控制、差错控制、自动重发、报文传输时间顺序检查、报文质量标记检查等确保数据可靠的功能。因此系统网络充分保证了过程信息能够高效、实时、可靠的传递，并且能够保证基于工业以太网的系统网络不会因通信负担过重而瘫痪。系统网络SNet基本性能指标见表2。
控制网
控制网络是现场控制站内部使用的网络，实现现场控制站内部的各个智能I/O模板和控制模板之间的互联和信息传递。现场控制站的控制网络上共可以接有4个机笼，每个机笼内都有10块I/O插槽，最左边两块插槽插入控制模板，右边插槽插入I/O模板。
控制网络采用CAN（Control Area Network）现场总线网，符合ISO11898 CAN Specification 2.0B标准，是一种按优先级抢占式的总线网络，它具有以下特点：
* 多主工作方式，网络上任意一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需地址等节点信息，可方便地构成多机备份系统；
* 网络节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输；
* 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况；
* 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”；
* 节点数主要取决于总线驱动电路，报文标识符可达2032种（CANBUS2.0A），而扩展标准（CANBUS2.0B）的报文标识符几乎不受限制；
* 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果；
* 每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率极低；
* 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响；
* 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
控制网络CNet的基本性能指标如表3所示。
灵巧总线
灵巧总线SmartBus是调理模板内部连接I/O模块与模板控制器的实时控制网络，实现调理模板控制器和所有智能I/O模块之间的互连和信息传送，具有以下特点：
* 支持点对点发送和广播发送功能；
* 节点错误严重时不会影响其它节点正常工作；
* 传输时间短，不易干扰，具有极好的检错效果；
* 容易实现信号和信号之间，信号和主机之间的隔离；
* 容易实现模块级功能扩展。

结论
从上述案例论述中，可以得出以下简单的结论：工业自动化网络的发展趋势应该是分布式、开放化、立体化和信息化。分布式的结构是一种能确保网络中每个智能的模块能够独立工作的网络，达到系统危险分散的概念；开放化则是系统结构具有与外界的接口，实现系统与外界网络的连接；立体化则使系统网络传输分工更加细化；信息化则是使系统信息能够进行综合处理，与网络技术结合实现网络自动化和管控一体化。基于以太网技术的自动化具有低成本和开放性，可以实现远程控制，易于与管理结合，实现管控一体化。 
（本文作者单位：浙江正泰中自控制工程有限公司、桂林工学院电子与计算机系）