自动化控制系统网络技术的发展

3、开放系统互联参改模型

ISO/OSI参改模型反映了计算机网络通信的工作原理，把通信过程分段，相应把网络功能分为不同的逻辑和物理层次，即不同功能层次完成不同通信阶段的工作。这个过程与邮政信件的邮递过程很相似，即按照收发信者活动、邮局服务业务、邮局转送投递业务(分栋、集装邮包或相反的折封邮包、分栋)、运输部门邮包运输管理来划分层次。计算机网络通信对应分应用层、表示层、会议层、传输层、网络层、数据链路层、物理层共7层，这就是OSI模型。

每一层的功能是独立的，与上下层有关，同等层之间的通信规划形成通信协议。如本文前面提到的IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5同属物理层及数据链路层的介质访问控制(MAC)子层的不同的通信协议。

实现网络节点各层功能的基本方法是利用硬件实现较低层协议，利用软件实现较高层协议，或低层(1-3层)通信传送功能网络和终端都具有，而高层(4-7层)通信管理功能由终端设备提供。如果某种网络用途较广，更多的采用“专用芯片”等集成电路，则可以获得更高的性价比，而且这往往为某种局域网技术生存的要害。众所周知，商用以太网是一个很好的例子，另外就是Lonworks技术，它得到了Motolora和东芝及后来加入的Cypress公司等器件公司的支持，生产的Neuron神经元芯片中，集成了3个CPU，将相关的OSI模型的7层通过协议包括兼容多种通信介质、Neuron C控制语言、网络变量等，均固化在其中，使通信达到能互操作水平，从而在智能大厦等局域网中得到广泛应用，这也是一个成功的范例。

4、网络产品分类

如果把各终端节点如何与线缆等通信介质相连的接口卡、连接器及通信介质和一些专门为通信而设置的节点均称为网络产品，加之对办公用或商业用网络产品与工业上管理用和控制用(包括现场总线)的网络产品综合考虑，还要对通信软件等进行分类，将是一个复杂的工作。现在从网络互联的低层设备功能来分，主要有中继器(或称重复器repeater)、网桥(bridge)、路由器(router)、网关(gateway)几种，以上几种均为有源产品。其功能简单地说：中继器为同一种网段上加强信号用；网桥用于同一种通信协议不同传输速率的两个网段的连接；路由器用于更为复杂的采用同一种通信协议的网络进行通信路径选择；网关用于两种不同通信协议的网段或网络之间信号和数据的变换。以上一般均为有源产品。无源产品有T型分支(Tee)、无源多端口集线器(Passivehub)、终端器、电缆、光缆等。
在实际网络中，商品名词还有接口卡、接口模块、链接设备等，特别是商用以太网的接插器(Connector)、集线器(hub)、交换机(Switches)已成为目前通用的网络产品，它们要用于工业现场还需要根据环境条件进行强化设计，方可成为工业以太网的通用产品。其融合过程是在加速中，在“世纪之交论自动化系统工程产业”一文中所指出的一段话的现象，是不会再出现了(“我们可以用50美圆购买一块以太网卡用于PC机。而XXX生产商要求我们用2000美圆购买同样的东西，这真是疯狂……”)。

作为网络产品，对于无线数字通信，诸如调制解调器、数传电台等在国内应用已相当广泛，它将随着商用移动通信技术有关数字通信的业务的发展而改变，这将另设专门文章来表述。

嵌入式系统技术的普及，特别是32位的RM9等处理器嵌入式产品在网络产品中的使用，将使得网络产品智能化程度、价格、体积等方面都有改善，这也促进了网络技术的发展。

5、关于交换机

近年来流程工业企业新建的中央控制室的网络中，交换机已广泛使用，特别是网络图中堆叠式交换机的图样很显眼，证明自动化测控系统网络的监控层已在很多行业中采用交换机。谈到交换机，最早用于电话网络中，它把要求通信的输入线和被呼叫的输出线接通……，经过几代产品更新换代，现在已由工作在OSI模型中的第2层发展到工作在第2、3层，即数据链路层和网络层。交换机是多条点线的交换矩阵互连，即把每个端口都挂在一条带宽很高的背板总线上。也可以说第2层交换机称为交换式集线器或多口网桥；第3层交换机除具有第2层交换机功能外，还具有路由器功能，即进行通信路程选择(IP/IPX路由)。关于集线器实质为中继器，当然也属于OSI第2层设备，有MAC子层CSMA/CD算法，即在连接的多个端口中，随机选出某一端口设备，并上连交换机等设备。

交换机除去封装数据包进行转发、减少冲突域之外，还有隔离广播风暴、网络管理等功能，特别是工业以太网用交换机，还应适应工业环境及做到双电源供电，避免单一电源所造成的数据流失，支持环形网，提供网络冗余，通过安全规范认证，做到断线快速恢复等，正是由于增加了这些功能，所以其价格略高于商业以太网产品，目前赫斯曼、卓越等工业以太网用交换机已得到广泛应用。至于商业用交换机是否可用在工业上的问题，应该因地制宜，具体情况具体分析，正如不少工业企业在系统集成中，操作站使用名牌戴尔计算机而不使用一般工控机的现象，屡见不鲜。

6、系统集成技术与网络技术

自动化测控系统的基础是3C(Computer、Control、Communication)和1 I(Intefration)，目前又提出了1S(Solution)目标，它的推动力是电控、仪控一体化和管控一体化。系统集成技术与网络技术相辅相成，共同达到在网络上共享数据和信息的目的。系统集成一词流行始于80年代末、90年代初，现在Integrated System和System Integration的界限在逐渐模糊了，这证明系统集成商和最终用户掌握，网络技术的水平在提高，对各种网络或现场总线互联的接口卡的需求在扩大，美国Woodhead公司、Prosoft公司等的几十种接口卡产品和多协议网关(Modbus Ethernet TCP/IP←→Profibus)可以满足系统集成的需求。系统集成技术的发展，在OPC(过程控制的对象链接嵌入)、EDDL和FDT(关于互操作性)、IEC61131-3(关于组态)三个标准推动下，目前又向前发展，2003年发布了ISO15745标准，它解决了系统集成的应用需求和接口两个基本问题，该标准全称为：工业自动化系统和系统集成——开放系统应用集成框架，分为4部分：通用参改描述、以ISO11898标准为基础的控制系统的参改描述、以IEC61158标准为基础的控制系统的参改描述、以以太网标准为基础的控制系统的参改描述。第一部分提出了开放系统的应用集成框架(AIF，Application Integration Framework)，它定义了一些元素和规则，构成集成模型来表示应用需求，并开发应用互操作专用规范AIP，这个AIP是接口规范的表示形式，并要求开发AIP时，应用UML、XML等来描述和表达。这些对系统集成技术发展起到了里程碑式作用。自动化测控系统的网络往往牵涉到第二、三、四部分，如基金会现场总线FFHI/FF HSE就与第三、四部分相关，所以它是异构系统的组合，而多种异构系统中，监控层都采用了第四部分的以太网标准，交换机为中心的星形结构比较普遍地被采用，而且冗余技术、安全技术、质量服务等都有较大提高。工业以太网实时向已达到5-10ms，这对于流程工业的控制系统(包括安全系统)、离散工业控制系统(除去少数同步要求高的运动控制系统)，均可以满足要求，所以有把握地说：实践已经证明，现场层采用FF HI等现场总线、监控层采用一般工业以太网是成熟的网络技术，将会在今后普遍被采用。

在工业以太网推广过程中，还应把Web浏览等互联网技术在工业上应用搞到位，也就是说要让相关的人们可以放心地浏览现场数据，从而在地域方面使生产方式、公用工程管理方式发生变化，起到促进生产力和改进社会服务的作用。

7、结束语

在参考文献[2]的文章“军用ATE/ATS技术的发展”中提到COTS，在军用信息系统中能把它作为设计原则，所以一般自动化测控系统更应重视COTS原则。COTS原文为Commercial off the sheff technology商业现货技术，这在网络技术方面同样重要，我们应看到自动化测控系统在网络技术方面的共性，把网络产品的价格降下来，使现场总线的“辅助设备”通用化……。COTS与创新是不矛盾的，而且创新成果必须是在商业现货基础以商品的形式出现在市场上的，否则是毫无生命力的，创新开始就要吃透COTS原则。当然要做到集成创新，那就更离不开COTS了。

把自动化控制系统对网络的需求分类，首先在数据采集系统中推广COTS原则；针对不同行业的需求推广不同的现场总线技术；工业以太网推广过程中，应对工程应用和开发并重。

检测仪表、执行器的数字化、智能化、网络化是基础，应该在国内大力开发这方面的新产品，同时要在国内建立测试中心，认证中心，开展标准化的工作，确保开放性、可互换性，争取成为国际上认可的产品。