基本介紹
發展趨勢,與信息網的關係,研究現狀,乙太網絡,存在問題,總結,
發展趨勢
計算機及網路技術與控制系統的發展有著緊密的聯繫。最早在50年代中後期，計算機就已經被套用到控制系統中。60年代初，出現了由計算機完全替代模擬控制的控制系統，被稱為直接數字控制（DirectDigitalControl,DDC）。70年代中期，隨著微處理器的出現，計算機控制系統進入一個新的快速發展的時期，1975年世界上第一套以微處理為基礎的分散式計算機控制系統問世，它以多台微處理器共同分散控制，並通過數據通信網路實現集中管理，被稱為集散控制系統（DistributedControlSystem,DCS）。
進入80年代以後，人們利用微處理器和一些外圍電路構成了數字式儀表以取代模擬儀表，這種DDC的控制方式提高了系統的控制精度和控制的靈活性，而且在多迴路的巡迴採樣及控制中具有傳統模擬儀表無法比擬的性能價格比。
控制系統
控制系統80年代中後期，隨著工業系統的日益複雜，控制迴路的進一步增多，單一的DDC控制系統已經不能滿足現場的生產控制要求和生產工作的管理要求，同時中小型計算機和微機的性能價格比有了很大提高。於是，由中小型計算機和微機共同作用的分層控制系統得到大量套用。
進入90年代以後，由於計算機網路技術的迅猛發展，使得DCS系統得到進一步發展，提高了系統的可靠性和可維護性，在今天的工業控制領域DCS仍然占據著主導地位，但是DCS不具備開放性，布線複雜，費用較高，不同廠家產品的集成存在很大困難。
從八十年代後期開始，由於大規模積體電路的發展，許多感測器、執行機構、驅動裝置等現場設備智慧型化，人們便開始尋求用一根通信電纜將具有統一的通信協定通信接口的現場設備連線起來，在設備層傳遞的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信號，而是數位訊號，這就是現場匯流排。由於它解決了網路控制系統的自身可靠性和開放性問題，現場匯流排技術逐漸成為了計算機控制系統的發展趨勢。從那時起，一些發達的工業國家和跨國工業公司都紛紛推出自己的現場匯流排標準和相關產品，形成了群雄逐鹿之勢。
與信息網的關係
從發展歷程看，信息網路體系結構的發展與控制系統結構的發展有相似之處。企業信息網路的發展大體經歷了如下幾個發展階段：
①基於主機的集中模式
由功能強大的主機完成幾乎所有的計算和處理任務，用戶和主機的互動很少。
②基於工作組的分層結構
微機和區域網路技術的發展使工作性質相近的人員組成群體，共享某些公共資源，用戶之間的交流和協作得到了加強。
隨著企業信息網路的深入套用與日臻完善，現場控制信息進入信息網路實現實時監控是必然的趨勢。為提高企業的社會效益和經濟效益，許多企業都在盡力建立全方位的管理信息系統，它必須包括生產現場的實時數據信息，以確保實時掌握生產過程的運行狀態，使企業管理決策科學化，達到生產、經營、管理的最最佳化狀態。信息一控制一體化將為實現企業綜合自動化CIPA（computerintegratedplantautomation）和企業信息化創造有利條件。
企業信息網路與控制系統在體系結構發展過程上的相似性不是偶然的。在計算機控制系統的發展過程中，每一種結構的控制系統的出現總是滯後於相應計算機技術的發展。實際上，大多數情況下，正是在計算機領域一種新技術出現以後，人們才開始研究如何將這種新技術套用於控制領域。鑒於兩種套用環境的差異，其中的技術細節作了適當修改和補充，但關鍵技術的原理及實現上，它們有許多共同的地方。正是由於二者在發展過程中的這種關係，使得實現信息一控制一體化成為可能。
研究現狀
在40年代，過程控制是基於3～15PSI的氣動標準信號。其後，由於4～20mA模擬信號的使用，使得模擬控制器得到了廣泛套用，但是並不是所有的感測儀表和驅動裝置都使用統一的4～20mA信號。70年代，由於在檢測、模擬控制和邏輯控制領域率先使用了計算機，從而產生了集中控制。進入80年代，由於微處理器的出現，促使工業儀表進入了數位化和智慧型化的時代，4～20mA模擬信號傳輸逐步被數位化通信代替，加之分散式控制以及網路技術的迅速發展，促進了控制、調度、最佳化、決策等功能一體化的發展。然而由於檢測、變送、執行等機構大都採用模擬信號連線，其傳送方式是一對一結構，這使得接線複雜，工程費用高，維護困難，而信號傳輸精度底，易受干擾，儀表互換性差，這都阻礙了上層系統的功能發揮。另一方面，由於智慧型儀表的功能遠遠超過了現場模擬儀表，如對量程和零點進行遠方設定，儀表工作狀態實現自診斷，能進行多參數測量和對環境影響的補償等。由此可見，智慧型儀表和控制系統的發展，都要求上層系統和現場儀表實現數字通信。
為了克服DCS系統的技術瓶頸,進一步滿足現場的需要,現場匯流排技術應運而生,它實際上是連線現場智慧型設備和自動化控制設備的雙向串列、數字式、多節點通信網路,也被稱為現場底層設備控制網路（INFRANET）。和Internet、Intranet等類型的信息網路不同,控制網路直接面向生產過程,因此要求很高的實時性、可靠性、資料完整性和可用性。為滿足這些特性,現場匯流排對標準的網路協定作了簡化,省略了一些中間層,只包括ISO/OSI7層模型中的3層：物理層、數據鏈路層和套用層。
現場匯流排在發展的最初,各個公司都提出自己的現場匯流排協定。IEC組織於1999年12月31日投票,確定了8大匯流排作為國際現場匯流排標準,其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDA-TIONFieldbus等等。而在此基礎上形成了新的現場匯流排控制系統（FieldbusControlSystemFCS）。它綜合了數字通信技術、計算機技術、自動控制技術、網路技術和智慧型儀表等多種技術手段,從根本上突破了傳統的“點對點”式的模擬信號或數字———模擬信號控制的局限性,構成一種全分散、全數位化、智慧型、雙向、互連、多變數、多接點的通信與控制系統。相應的控制網路結構也發生了較大的變化。FCS的典型結構分為3層：設備層、控制層和信息層。
雖然現場匯流排技術發展非常迅速,但也存在許多問題,制約其套用範圍的進一步擴大。
（1）首先是現場匯流排的選擇。雖然IEC組織已達成了國際匯流排標準,但匯流排種類仍然過多,而每種現場匯流排都有自己最合適的套用領域,如何在實際中根據套用對象,將不同層次的現場匯流排組合使用,使系統的各部分都選擇最合適的現場匯流排,對用戶來說,仍然是比較棘手的問題。
（2）系統的集成問題。由於實際套用中一個系統很可能採用多種形式的現場匯流排,因此如何把工業控制網路與數據網路進行無縫的集成,從而使整個系統實現管控一體化,是關鍵環節。現場匯流排系統在設計網路布局時,不僅要考慮各現場節點的距離,還要考慮現場節點之間的功能關係、信息在網路上的流動情況等。由於智慧型化現場儀表的功能很強,因此許多儀表會有同樣的功能塊,組態時選哪個功能塊是要仔細考慮的;要使網路上的信息流動最小化。同時通信參數的組態也很重要,要在系統的實時性與網路效率之間做好平衡。
（3）存在技術瓶頸問題[2]。主要表現在：
a.當匯流排電纜截斷時,整個系統有可能癱瘓。
用戶希望這時系統的效能可以降低,但不能崩潰,這一點許多現場匯流排不能保證。
C.系統組態參數過分複雜。現場匯流排的組態
參數很多,不容易掌握,但組態參數設定得好壞,對系統性能影響很大。
乙太網絡
控制網路的發展,其基本趨勢是逐漸趨向於開放性、透明的通訊協定。上述出現的問題,根本原因在於現場匯流排的開放性是有條件的、不徹底的。乙太網具有傳輸速度高、低耗、易於安裝和兼容性好等方面的優勢,由於它支持幾乎所有流行的網路協定,所以在商業系統中被廣泛採用。近些年來,隨著網路技術的發展,乙太網進入了控制領域,形成了新型的乙太網控制網路技術。這主要是由於工業自動化系統向分布化、智慧型化控制方面發展,開放的、透明的通訊協定是必然的要求。現場匯流排由於種類繁多，互不兼容，尚不能滿足這一要求。而乙太網的TCP/IP協定的開放性使得在工控領域通訊這一關鍵環節具有無可比擬的優勢。
