異構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)互連與信息集成技術(shù)研究

王艷春　李國(guó)洪

[摘要]在分析多總線混合控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討異構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)和信息集成技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]異構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線多總線互連

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0620074-02

由于多種控制網(wǎng)絡(luò)(總線)協(xié)議共存，智能電器網(wǎng)絡(luò)化研究剛剛起步，沒有一種控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，不同類型控制網(wǎng)絡(luò)的互連、控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)間的系統(tǒng)集成是目前控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)，迫切需求將不同的總線設(shè)備進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)一體化的控制、信息集成與管理。

一、控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸發(fā)展而來(lái)，其結(jié)構(gòu)模型與通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型有密切聯(lián)系。分析控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)比它與一般計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的異同點(diǎn)，能夠更好地在不同控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互連與集成。

(一)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1ISO／OSI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參考模型

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1978年提出了開放式系統(tǒng)互連參考模型(Refer ence Model of open System Interconnection)，其目的是為異種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互連提供共同基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)框架。該模型包含了網(wǎng)絡(luò)的七個(gè)概念層次：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

2互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)TCP／IP協(xié)議的結(jié)構(gòu)參考模型

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參考模型不是由任何標(biāo)準(zhǔn)化組織制定，而是源自對(duì)TCP／IP協(xié)議的研究和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用。它也已經(jīng)成為一種公認(rèn)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)模型。該模型共包含五個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次：應(yīng)用層、運(yùn)輸層、IP互連層、網(wǎng)絡(luò)接口層、硬件層。

ISO／OSl模型與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)TCP／IP模型具有兩點(diǎn)重要區(qū)別：(1)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性的層次不同。在OSI模型中，該模型在多個(gè)協(xié)議層次提供差錯(cuò)檢驗(yàn)和差錯(cuò)處理功能：TCP／IP協(xié)議只由運(yùn)輸層來(lái)處理大部分差錯(cuò)檢驗(yàn)及恢復(fù)功能，它使用了端到端校驗(yàn)、確認(rèn)和超時(shí)等技術(shù)來(lái)確保傳輸可靠性。(2)網(wǎng)絡(luò)智能管理和決策位置的不同?；ヂ?lián)網(wǎng)模型要求主機(jī)更多地參與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能，主機(jī)能夠進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)和恢復(fù)、參與部分選路和網(wǎng)絡(luò)管理；而OSI模型把網(wǎng)絡(luò)看承一個(gè)獨(dú)立而復(fù)雜的系統(tǒng)，主機(jī)功能相對(duì)簡(jiǎn)單。

TCP／IP協(xié)議對(duì)應(yīng)ISO~OSI七層協(xié)議中的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層都是可配置的目標(biāo)模塊。這為具體應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)鏈路層的程序接口，這些特點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)應(yīng)用提供了方便。TCP／IP協(xié)議的基本思想是通過網(wǎng)間連接器將各種不同的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的低層協(xié)議之上構(gòu)造一個(gè)虛擬的互聯(lián)網(wǎng)，使用戶與其他節(jié)點(diǎn)的通信就像與本地主機(jī)一樣方便。選擇TaP／IP協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)，既符合標(biāo)準(zhǔn)化，便于擴(kuò)充，又可以隱藏細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化便于操作。

(二)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

在以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的FCS中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但實(shí)時(shí)性和快速性的要求較高，如果按照OSI七層模型的參考模型，由于層間操作與轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，要求處理器的運(yùn)算能力越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)接口的造價(jià)與時(shí)間開銷顯得過高。為適應(yīng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性要求，也為了實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低成本，F(xiàn)cs采用的通信模型大都在OSI模型上進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化。因此。當(dāng)前許多控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議只具有通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的部分層次結(jié)構(gòu)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常具有三個(gè)基本協(xié)議層次，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。但是，隨著單個(gè)節(jié)點(diǎn)處理器功能的增強(qiáng)和TCP／IP協(xié)議在控制應(yīng)用中的增長(zhǎng)，控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型也逐步趨同于TCP／IP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)五層參考模型。

物理層為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最底層，定義了網(wǎng)絡(luò)物理通道上的信號(hào)協(xié)議，具體包括對(duì)物理介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜、光纖、無(wú)線信道等)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼與譯碼。當(dāng)處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時(shí)，該層接受由數(shù)據(jù)鏈路層下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將其以某種電氣信號(hào)進(jìn)行編碼并發(fā)送。當(dāng)處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時(shí)，將相應(yīng)的電氣信號(hào)編碼為二進(jìn)制值。并送到數(shù)據(jù)鏈路層，由于考慮到未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，底層控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)物理層定義留有擴(kuò)展的余地，可以支持附加物理層的定義。

數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)是協(xié)議中最重要的，所有的連接到同一物理通道上的應(yīng)用程序?qū)嶋H上都是通過數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)時(shí)管理來(lái)協(xié)調(diào)的。它定義了一系列服務(wù)于應(yīng)用層的功能，并且向下與物理層接口，使用物理層的服務(wù)，為用戶提供了可靠而透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該層提供了原語(yǔ)服務(wù)和相關(guān)事件及有關(guān)的參數(shù)及格式，以及這些服務(wù)與事件之間的相互關(guān)系。

在IEC／ISA現(xiàn)場(chǎng)總線中，用一個(gè)特殊的站點(diǎn)來(lái)給需要的站點(diǎn)分布帶寬(數(shù)據(jù)通道)，這一在數(shù)據(jù)鏈接體(DLE)之間分配帶寬的站點(diǎn)稱為鏈接調(diào)度器(LAS)。對(duì)于周期性的數(shù)據(jù)傳送，鏈接調(diào)度器需要建立一張數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻調(diào)度表·鏈接調(diào)度器通過publisher在數(shù)據(jù)鏈接體發(fā)出特殊禎一強(qiáng)制數(shù)據(jù)禎(cD)可以授權(quán)某數(shù)據(jù)鏈接體發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)只能是本地發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)楨的形式進(jìn)行發(fā)送。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不是很高的非周期性數(shù)據(jù)傳送，采用了所謂的“盡快”鐿略，即利用周期性數(shù)據(jù)傳送中間空閑的時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送，在空閑時(shí)，鏈接調(diào)度器向每一個(gè)調(diào)度表中的數(shù)據(jù)鏈接體發(fā)出一通行令牌，這種令牌規(guī)定了其可用的最大時(shí)限，過期則被鏈接調(diào)度器收回·針對(duì)非周期性的、實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了修改調(diào)度的功能。但鏈接調(diào)度器接受了管理的調(diào)度表，它將對(duì)其進(jìn)行調(diào)整·并將結(jié)果送給相關(guān)的數(shù)據(jù)鏈接體，從而使該數(shù)據(jù)鏈接體的數(shù)據(jù)得到及時(shí)的發(fā)送。這種機(jī)制可以適用不同的實(shí)時(shí)要求，實(shí)際上是在IEC／ISA現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層中引用了優(yōu)先級(jí)的管理策略?，F(xiàn)場(chǎng)總線將優(yōu)先級(jí)被劃分為三級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)的信息首先得到發(fā)送。

應(yīng)用層為控制用戶提供了一系列的服務(wù)，用于簡(jiǎn)化或?qū)崿F(xiàn)分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)程之間的通信，同時(shí)為分布式控制系統(tǒng)提供了應(yīng)用接口的操作標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。實(shí)際應(yīng)用中，在應(yīng)用層之上是用戶層，在應(yīng)用層之下是數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)，它與其它層的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)構(gòu)一起對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行管理。基于面向?qū)ο蟮乃枷?，?yīng)用層中通過如下概念機(jī)制進(jìn)行通信管理；

1應(yīng)用進(jìn)程(AP)：是概念化的分布式系統(tǒng)中的信息處理部件(包括軟件和硬件)資源的集合?？刂凭W(wǎng)絡(luò)從應(yīng)用進(jìn)程角度上看是由一些相關(guān)應(yīng)用進(jìn)程組成的·它由用戶部分(負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用功能)及通信部分(用于提供分層通信服務(wù))組成，通常應(yīng)用進(jìn)程以應(yīng)用進(jìn)程目標(biāo)(APO)來(lái)表達(dá)。

2應(yīng)用進(jìn)程目標(biāo)(APO)：是應(yīng)用進(jìn)程處理活動(dòng)／信息的網(wǎng)絡(luò)表達(dá)。它本身無(wú)通信能力，支持它的是應(yīng)用層的應(yīng)用實(shí)體(AE)，由應(yīng)用實(shí)體提供對(duì)APO的訪問。

3應(yīng)用實(shí)體(AE)：是一些通信服務(wù)功能，該服務(wù)功能組成了控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)元素。每個(gè)服務(wù)元素又提供了傳遞應(yīng)用層及其應(yīng)用進(jìn)程目標(biāo)

的請(qǐng)求或應(yīng)答的服務(wù)。對(duì)于每一類應(yīng)用進(jìn)程目標(biāo)都定義了一個(gè)特定的服務(wù)元素。

二、多總線混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

目前，工業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)正處于多種總線并存的局面，包括IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8種總線在內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)約有40種之多。首先，面對(duì)如此之多的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由于每種現(xiàn)場(chǎng)總線其功能和應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，用戶在系統(tǒng)選型方面就有很大的自由度，可以針對(duì)不同的工業(yè)企業(yè)門類，選擇最為合適的現(xiàn)場(chǎng)總線，帶來(lái)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的現(xiàn)狀。其次，在自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域，眾多的傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器人、控制器等智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要通過傳統(tǒng)串行通信接口(RS232，RS422／485等)接入控制系統(tǒng)。再有，DCS~PLC由于其強(qiáng)大的控制功能，以及強(qiáng)有力的可靠性和實(shí)時(shí)性，在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。另外，現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的價(jià)格較貴，現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)也比較少，相比較而言，DcS和PLC則有長(zhǎng)期使用的經(jīng)驗(yàn)，價(jià)格也比較便宜。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的巨大沖擊下，各DCS和flPLC廠商為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在不斷降低產(chǎn)品價(jià)格的同時(shí)，在系統(tǒng)開放性和其它功能方面也進(jìn)行了很大改進(jìn)，紛紛將現(xiàn)場(chǎng)總線納入自己的控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)和工廠管理層網(wǎng)絡(luò)的集成。Dcs和PLC在這些方面的進(jìn)步，將使得很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)Dcs、PLc與FCS并存的局面，從而導(dǎo)致多總線混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生。

(一)多總線混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多總線混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場(chǎng)層控制網(wǎng)絡(luò)FAN(Field Area Network)和上層管理與信息網(wǎng)絡(luò)組成，現(xiàn)場(chǎng)層控制網(wǎng)絡(luò)包括DCS專用控制總線、現(xiàn)場(chǎng)總線以及傳統(tǒng)串行通信總線等，而上層管理網(wǎng)絡(luò)則主要以以太網(wǎng)為主。這種控制網(wǎng)絡(luò)既包含了傳統(tǒng)通用串行數(shù)據(jù)總線和DCS控制總線，也包含了現(xiàn)今流行的現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)技術(shù)。

這種混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)，包括管理子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線子系統(tǒng)以及傳統(tǒng)串行總線設(shè)備子系統(tǒng)幾個(gè)組成部分。對(duì)DCS子系統(tǒng)來(lái)說，通過特殊的網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)和基于以太網(wǎng)的工廠局域網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以實(shí)現(xiàn)和管理子系統(tǒng)的信息集成；而且這種DCS網(wǎng)關(guān)提供的通信實(shí)時(shí)性非常好，這就使得系統(tǒng)優(yōu)化控制甚至可以在局域網(wǎng)上進(jìn)行。對(duì)于傳統(tǒng)串行總線設(shè)備子系統(tǒng)來(lái)說，具有傳統(tǒng)串行通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)各，可以通過串口到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)上的監(jiān)控站進(jìn)行直接通信。這種轉(zhuǎn)換模塊提供了IP地址到RS485／232地址之間的轉(zhuǎn)換，為兩種不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信提供了通信通道。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線子系統(tǒng)來(lái)說，正在發(fā)展的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，通過其相應(yīng)的路由器、網(wǎng)橋或是專用網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)和局域網(wǎng)的集成，在工程師站上通過現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)軟件來(lái)組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及進(jìn)行控制鐿略的實(shí)施等。具有內(nèi)置以太網(wǎng)接口的以太網(wǎng)設(shè)備，則可以直接掛接在以太網(wǎng)上。最后各個(gè)子系統(tǒng)在管理層實(shí)現(xiàn)集成。

從多總線混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中可看到，網(wǎng)絡(luò)互連與信息集成涉及到兩個(gè)層面技術(shù)問題：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不同控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間互連技術(shù)和控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)之間的互連技術(shù)。

(二)多總線混臺(tái)分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能特點(diǎn)

在現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議眾多、互不兼容，以及工業(yè)以太網(wǎng)還沒有真正作為控制網(wǎng)絡(luò)的情況下，這種多總線混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)在一定程度上滿足了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域各方面的要求，無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性和開放性等方面都具有很多優(yōu)良特性。不同協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線和傳統(tǒng)串行通信總線、PLC以及DCS一起協(xié)同工作，通過以太網(wǎng)連接在一起，利用各自的優(yōu)勢(shì)，共同完成復(fù)雜的工業(yè)控制任務(wù)。這種混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)具有以下主要的功能特色：

1良好的投資保護(hù)性

采用這種控制網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)可以繼續(xù)沿用PLC和DCS控制系統(tǒng)，以及價(jià)格低廉、具有傳統(tǒng)串行通信接口的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，做到良好的投資保護(hù)性。對(duì)企業(yè)而言，PLC、DCS以及傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)總線產(chǎn)品已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，要想全部舍棄這些設(shè)備用現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行替代，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性還是系統(tǒng)性能各方面考慮都不可取。

2系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好

在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面，這種混合分布式控制網(wǎng)絡(luò)可以彌補(bǔ)單純的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在大型系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性不足的缺陷。在實(shí)時(shí)性要求高、控制任務(wù)復(fù)雜的大型控制系統(tǒng)中，可以充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也便于優(yōu)化控制以及高級(jí)控制策略的實(shí)現(xiàn)。但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展及其相關(guān)總線設(shè)備的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)CS取代DCS將成為現(xiàn)實(shí)。

3開放性和擴(kuò)展性高

在開放性方面。這種控制網(wǎng)絡(luò)便于多總線協(xié)議的集成和協(xié)同工作，同時(shí)，便于和基于以太網(wǎng)的企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)集成。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)被越來(lái)越多地考慮作為設(shè)備級(jí)的控制網(wǎng)絡(luò)，各現(xiàn)場(chǎng)總線組織也紛紛推出了以太網(wǎng)計(jì)劃并和以太網(wǎng)相結(jié)合，F(xiàn)FHSE總線就是FF總線和以太網(wǎng)結(jié)合的成功范例。在這種形勢(shì)下，具有以太網(wǎng)接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備日益增多。這種分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足了控制網(wǎng)絡(luò)的信息集成需求，易于和正在發(fā)展的具有Ethernet接口的新型測(cè)控設(shè)備進(jìn)行集成。IP儀表和以太網(wǎng)智能I／O都可以方便地接入到這種網(wǎng)絡(luò)中來(lái)，便于系統(tǒng)日后升級(jí)擴(kuò)展，也進(jìn)一步將控制網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)融為一體。