1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上綜述工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)控制網(wǎng)絡在工業(yè)通信及先進制造領域起到關鍵性作用?；仡櫣I(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展歷程，簡要介紹了目前國際上已經(jīng)應用的幾種主要的控制網(wǎng)絡：現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡。最后對控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢進行了展望。工業(yè)控制網(wǎng)絡在提高生產速度、管理生產過程、合理高效加工以及保證安全生產等工業(yè)控制及先進制造領域起到越來越關鍵的作用。工業(yè)控制網(wǎng)絡從最初的計算機集成控制系統(tǒng)CCS到集散控制系統(tǒng)DCS，發(fā)展到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。近年來，以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域，出現(xiàn)了大量基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡。同時，隨著無線技術的發(fā)展，基于無線的工業(yè)控制網(wǎng)絡的研究也已開展。工業(yè)控制網(wǎng)絡

2、可以總結為四大類型：傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)及無線網(wǎng)絡。傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，目前廣泛應用的是現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)，而工業(yè)以太網(wǎng)關鍵技術的研究是目前工業(yè)控制網(wǎng)絡研究的熱點?，F(xiàn)場總線現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是在基地式氣動控制信號控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的新一代控制系統(tǒng)，他將DCS中集中與分散相結合的模式變成了新型的全分布式控制模式，控制功能徹底下放到現(xiàn)場，現(xiàn)場控制設備通過總線與管理信息層交換信息，代表了工業(yè)控制網(wǎng)絡技術的發(fā)展方向?，F(xiàn)場總線是綜合運用微處理技術、網(wǎng)絡技術、通信技術和自動控制技術的產物，他在現(xiàn)場控制設備和測量

3、儀器中嵌入微處理器，使他們具有數(shù)字計算和數(shù)字通信的能力，構成能獨立承擔某些控制、通信任務的網(wǎng)絡節(jié)點。按照國際電工委員會IEC61158標準的定義，現(xiàn)場總線是“安裝在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備、儀表與控制室內的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線”?，F(xiàn)場總線發(fā)展現(xiàn)狀由于各個國家各公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協(xié)會（IEC/ISA）就開始著手定制現(xiàn)場總線的標準，但至今統(tǒng)一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場總線的特點是：各種現(xiàn)場總線都有其應用的領域；每種現(xiàn)場總線都有國際組織支持的背景；多

4、種總線成為國家和地區(qū)標準；設備制造商參與多個現(xiàn)場總線組織；各個現(xiàn)場總線彼此協(xié)調共存。而國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標準尚未建立。已開發(fā)的現(xiàn)場總線有40多種，較著名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modus、Interbus等。近年來，現(xiàn)場總線技術一直是國內工業(yè)自動化領域的熱點，一些業(yè)內的企業(yè)和科研單位已經(jīng)由最初對現(xiàn)場總線技術研究、公關、示范，轉變?yōu)榫唧w應用和產品開發(fā)?，F(xiàn)場總線主要技術特點現(xiàn)場總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構形式，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接，位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器

5、之間，控制器與位于現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關、馬達之間均為一對一的物理連接；而在FCS中，所有的設備作為網(wǎng)絡節(jié)點連接到總線上，不僅節(jié)省了電纜，而且還方便了布線。除此之外，現(xiàn)場總線的結構還有以下特點：具有較高的性價比；系統(tǒng)性能大幅度提高；采用數(shù)字信號通道；采用雙向傳輸；互操作與互用性；系統(tǒng)的開放性；系統(tǒng)結構的高度分散；現(xiàn)場設備具有智能和自治的特點；提高了系統(tǒng)的精度和自診斷功能；降低了設計、安裝的軟硬件費用和系統(tǒng)的維護費用及組態(tài)和修改容易。目前現(xiàn)場應用比較廣泛的現(xiàn)場總線主要有FF、Profibus-DP、CAN總線等，這些現(xiàn)場總線在技術上各有特色，目前它們還不能相互代替而應用到所有的領域。近年來，工業(yè)以太

6、網(wǎng)技術發(fā)展迅速，這個原來用于IT領域的標準，在信息網(wǎng)擴展中得到迅速的發(fā)展，不斷提高的性能和迅速降低的成本是現(xiàn)有任何工業(yè)自動化網(wǎng)絡無法比擬的，是工業(yè)自動化領域的一些公司不約而同地將注意力集中在利用以太網(wǎng)的資源上，所以新一代的工業(yè)自動化網(wǎng)絡幾乎都是建立在以太網(wǎng)基礎之上，使工業(yè)以太網(wǎng)成為當前的技術熱點。從總線技術的發(fā)展方向上來看，所有的現(xiàn)場總線最終都將向Ethernet過渡，許多基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)最終都將連接到Ethernet，直至與Internet相連接。工業(yè)以太網(wǎng)還主要應用在過程監(jiān)控層，而在現(xiàn)場層則是采用現(xiàn)場總線技術。工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)一般是指在技術上與商業(yè)以太網(wǎng)兼容，但在產品設計時，材質

7、的選用、產品的強度、適用性以及實時性等方面能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，也就是滿足環(huán)境性、可靠性、實時性、安全性以及安裝方便等要求的以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)自動化領域的以太網(wǎng)技術，他是在以太網(wǎng)技術和TCP/IP技術的基礎上發(fā)展起來的一種工業(yè)控制網(wǎng)絡。以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化領域的直接原因是現(xiàn)場總線多種標準并存，異種網(wǎng)絡通信困難。在這樣的技術背景下，以太網(wǎng)逐步應用于工業(yè)控制領域。隨著應用需求的提高，現(xiàn)場總線的高成本、低速率、難以選擇以及難于互連、互通、互操作等問題逐漸顯露。工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展的基本趨勢是開放性以及透明的通信協(xié)議?，F(xiàn)場總線出現(xiàn)問題的根本原因在于總線的開放性是有條件且不徹底的。同時，以太網(wǎng)

8、具有傳輸速率高、易于安裝和兼容性好等優(yōu)勢，因此基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡是發(fā)展的必然趨勢。工業(yè)以太網(wǎng)的特點工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)技術，在技術上與商用以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標準兼容），但是實際產品和應用卻又完全不同。這主要表現(xiàn)為普通商用以太網(wǎng)設計時，材質的選用。產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。故在工業(yè)現(xiàn)場控制應用的是與商業(yè)以太網(wǎng)不同的工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)具有應用廣泛、通信速率高、資源共享能力強以及可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢。1. 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢以上優(yōu)勢使得工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應用于現(xiàn)場控制，主要有以下幾個優(yōu)點。

9、基于TCP/IP的以太網(wǎng)采用國際主流標準，協(xié)議開放，完善不同廠商設備，容易互連，具有互操作性?？蓪崿F(xiàn)遠程訪問和遠程診斷。不同的傳輸介質可以靈活組合，如同軸電纜、雙絞線、光纖等。網(wǎng)絡速度快，可達千兆甚至更快。支持冗余連接配置，數(shù)據(jù)可達性強，數(shù)據(jù)有多條通路抵達目的地。系統(tǒng)容量幾乎無限制，不會因系統(tǒng)增大而出現(xiàn)不可預料的故障，有成熟可靠的系統(tǒng)安全體系?？山档屯顿Y成本。雖然優(yōu)點很多，但不可否認的是，工業(yè)以太網(wǎng)再引入工業(yè)控制領域時也存在一些不足，這也是它所以沒有完全取代其他網(wǎng)絡的原因工業(yè)以太網(wǎng)的不足主要有以下幾個方面：實時性問題。傳統(tǒng)以太網(wǎng)由于采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測的通信方式，在實時性要求較高的場

10、合下，重要的數(shù)據(jù)傳輸會產生傳輸延滯?？煽啃詥栴}。以太網(wǎng)若采用UDP，他提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報傳輸服務，不提供報文到達確認、排序以及流量控制等功能，因此報文可能會丟失、重復以及亂序等。安全性問題。安全性問題主要是本質安全和網(wǎng)絡安全。工業(yè)以太網(wǎng)由于工作在工作環(huán)境之中，因此必須考慮本質安全問題；另外由于使用了TCP/IP，因此可能會像商業(yè)網(wǎng)絡一樣，被病毒、黑客等非法入侵與非法操作而產生安全威脅?？偩€供電問題。網(wǎng)絡傳輸介質在用于傳輸數(shù)字信號的同時，還為網(wǎng)絡節(jié)點設備提供工作電源，稱為總線供電。工業(yè)以太網(wǎng)的總線供電問題還沒有完美的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)的標準由于商用計算機普遍采用的應用層協(xié)議不能適應工業(yè)過

11、程控制領域現(xiàn)場設備之間的實時通信，所以必須在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的基礎上建立完整有效地通信服務模型，制定有效的實時通信服務機制，協(xié)調好工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中實時與非實時信息的傳輸，形成廣泛接觸的應用協(xié)議，也就是所謂的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作組，旨在適應實時以太網(wǎng)市場應用需求，制定實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準。IEC/SC65C在IEC61158的基礎上制定了實時以太網(wǎng)應用行規(guī)國際標準IEC61784-2。2005年3月，IEC實時以太網(wǎng)系列標準作為PAS文件通過了投票，并于2005年5月在加拿大將IEC發(fā)布的實時以太網(wǎng)系列PAS文件正式列為實時以太網(wǎng)國

12、際標準IEC61784-2.隨著以太網(wǎng)技術的成熟、交換技術的應用。高速以太網(wǎng)的發(fā)展等在工業(yè)自動化領域正迅速增長，幾乎所有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)最終都可以連接到以太網(wǎng)。隨著集成電路的發(fā)展，高檔的微處理器作為I/O處理器和控制處理器核心的條件逐步成熟，而在控制器上運行的實時嵌入器操作系統(tǒng)使控制器易于實現(xiàn)TCP/IP，以太網(wǎng)更易于接近現(xiàn)場。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。過程控制工業(yè)和自動化工業(yè)從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)都認識到TCP/IP和以太網(wǎng)的重要性，以太網(wǎng)和TCP/IP作為世界上最為廣泛應用的網(wǎng)絡協(xié)議，他將成為過程級和控制級的主要傳輸技術。帶TCP/IP的標準的

13、以太網(wǎng)接口現(xiàn)已經(jīng)在智能設備和I/O模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進行直接、無縫的連接，而無需任何專用設備。因此可以說，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡中的使用將構建從底層的現(xiàn)場設備到先進與優(yōu)化控制層、企業(yè)管理決策層的綜合自動化網(wǎng)絡平臺，從而可以消除企業(yè)內部的各種自動化孤島。以太網(wǎng)作為21世紀以及未來工業(yè)網(wǎng)絡的首選，它將在控制和現(xiàn)場設備級成為標準的高速工業(yè)網(wǎng)絡，有著廣闊的應用和發(fā)展前景，工業(yè)以太網(wǎng)技術直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信已成大勢所趨。工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展趨勢工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展歷經(jīng)了從傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡到現(xiàn)場總線，再到目前廣泛研究的工業(yè)以太網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡的過程。縱觀當今工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢和市場需

14、求，未來工業(yè)控制網(wǎng)絡將有以下幾種發(fā)展方向。1. 提高通信實時性工業(yè)控制網(wǎng)絡提高通信的實時性主要是使操作系統(tǒng)和交換技術支持實時通信。操作系統(tǒng)基于優(yōu)先級策略對非實時和實時傳輸提供多隊列排隊方式。交換方式支持高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包接入高優(yōu)先級的端口，以便高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包能夠快速進入到傳輸隊列。其他研究方向還包括怎樣提高在MAC層上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{度方法等。2. 提高通信可靠性工業(yè)控制網(wǎng)絡基于不同的網(wǎng)絡交換技術，需進行不同類型網(wǎng)絡站點之間的通信，因此通信的可靠性顯得尤為重要。提高通信的可靠性的研究方向之一在于設計虛擬自動化網(wǎng)絡，以構筑深層防御系統(tǒng)。虛擬自動化網(wǎng)絡中包含不同的抽象層和可靠區(qū)域，可靠區(qū)域包括遠程接

15、入?yún)^(qū)域、局部生產操作區(qū)域以及自動設備區(qū)域等，重點在于可靠區(qū)域的設計。3. 提高通信安全性安全性意味著能預防危險，如系統(tǒng)故障、電磁干擾、高溫輻射以及惡意攻擊等因素所帶來的威脅。自從工業(yè)以太網(wǎng)能夠實現(xiàn)從管理級到現(xiàn)場級一致的數(shù)據(jù)傳輸，用戶只需要掌握一種網(wǎng)絡技術即可，同時也提高了工作效率?？墒?，統(tǒng)一的網(wǎng)絡結構也因為整體的網(wǎng)絡透明度承擔了一定的風險。因此就必須有一套明確的規(guī)則來定義通信的時間和對象。4. 多現(xiàn)場總線集成多現(xiàn)場總線并存在且互相競爭的局面由來已久，在未來相當長的時間內這種局面還將繼續(xù)。目前市場中主要用到的是OPC技術，它是實現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設備級與過程管理級進行信息交互，實現(xiàn)系統(tǒng)開放性的關鍵技

16、術，同時也為不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成提供了有效地軟件實現(xiàn)手段。多現(xiàn)場總線集成協(xié)同完成工業(yè)控制任務，是未來發(fā)展的趨勢，研究方向之一是通過使用代理機制將單一總線系統(tǒng)中的設備映射到基于工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡中。5. 無線網(wǎng)絡提供新的應用可能如今無線網(wǎng)絡技術被廣泛應用于辦公環(huán)境中。移動性、靈活性、非常易于安裝、低成本等優(yōu)點，使得這項技術逐漸被應用于工業(yè)環(huán)境中?，F(xiàn)在，WLAN越來越多的成為傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡的補充。現(xiàn)在已有不少工業(yè)級的WLAN設備面市，他們都基于IEEE802.11b/g/a/h協(xié)議，可以提供約100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。傳輸距離方面，如果在5GHz頻率下使用合適的天線，可以達到20km

17、。將來擴展的協(xié)議IEEE802.11n將進一步規(guī)范WLAN在工業(yè)環(huán)境中的標準。新的標準實行后，數(shù)據(jù)通信將更可靠，速率也將更高，可達640Mbit/s，即使在無線電通信條件很差的環(huán)境。總結工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡到現(xiàn)場總線，再到目前廣泛研究的工業(yè)以太網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡的過程。以太網(wǎng)的廣泛應用為工業(yè)控制的發(fā)展提供了良好的基礎結構，但如何保證工業(yè)通信的實時性是研究的關鍵。工業(yè)控制網(wǎng)絡既是一個開放的通信網(wǎng)絡，又是一個全分布控制系統(tǒng)，它作為智能設備的連接紐帶，掛接在總線上，作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，并通過組態(tài)進一步構成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化以及測、控、管一體化的綜合自動化功能。工業(yè)控制網(wǎng)絡是一個以智能傳感器、自動控制、計算機、通信、網(wǎng)絡等技術為主要內容的多學科交叉的新技術，在過程自動化、制造自動化、樓宇自動化、交通、電力等領域都有廣泛的應用前景。典型應用CAN總線的智能照明系統(tǒng)基于CAN的智能照明系統(tǒng)是針對照明需要設計的一個可以獨立運行的智能化系統(tǒng)。它采用分布式控制系統(tǒng)，上位機通過CAN-Ethernet網(wǎng)關與CAN總線系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對燈光的智能控制。該系統(tǒng)采用雙層結構設計，上層為計算機通過Ethernet進行