综述工业控制网络发展现状

综述工业控制网络的发展现状工业控制网络在工业通信和先进制造领域发挥着重要作用。 回顾了工业控制网的发展历史，简要介绍了当前国际应用的几个主要控制网络。 最后对控制网络的发展趋势进行了展望。工业控制网络在提高生产速度、管理生产过程、合理高效加工、保证安全生产等工业控制和先进制造领域发挥着越来越重要的作用。 工业控制网络从最初的计算机集成控制系统CCS到分布式控制系统DCS，发展成了现场总线控制系统。 近年来，以太网进入产业控制领域，出现了大量基于以太网的产业控制网络。 同时，随着无线技术的发展，无线工业控制网络的研究也已经开展。 工业控制网络可以分为传统的控制网络、现场总线、工业以太网、无线网络四种类型。 传统控制网络现在应用不多，但现在广泛应用的是现场总线和工业以太网，工业以太网关键技术的研究是当前工业控制网的研究热点。现场总线现场总线控制系统FCS是在基站式气动控制信号控制系统、电动机组合式模拟仪表控制系统、直接数控系统、集散控制系统之后发展起来的下一代控制系统现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物，他在现场控制设备和测量仪器中结合了微处理器，使他们具有数字计算和数字通信能力，构成了承担独特控制、通信任务的网络节点。根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是“设置在生产工艺区域的现场设备、仪表和控制室内的自动控制装置、系统之间的串行、数字、多点通信的数据总线”。现场总线的现状由于各国各公司的利益纷争，1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA )开始定制现场总线的基准，但是至今统一的基准还没有完成。 虽然很多企业也发表了各自的现场总线技术，但是彼此的开放性和互通性还没有统一。目前现场总线的特点是各种现场总线具有其应用领域各现场总线有国际组织支持的背景多辆总线成为国家和地区标准设备制造商参与多个现场总线组织各现场总线协调并存。国际上有数百种现场总线，没有确立统一的国际标准。 开发的现场总线有40多种，有名的有财团现场总线(FF )、Profibus、HART、CAN、Lonworks、Modus、Interbus等。 近年来，现场客车技术一直是国内工业自动化领域的热点，行业内企业和科研单位已经从现场客车技术的研究、宣传、示范向具体应用和产品开发转变。现场总线的主要技术特点现场总线打破传统控制系统的结构形式，传统控制系统采用一对一的设备连接，按控制电路连接，现场测量变送器与控制室控制器之间，控制器与现场致动器、开关、电机之间为一对一物理连接的FCS，均为除此之外， 现场总线的结构具有性价比高的特点系统性能大幅提高采用数字信号通道采用双向传输互操作性和互操作性系统开放性系统结构的高级分布式现场设备具有智能和自主特征 提高了系统的精度和自诊断功能，设计、安装的硬件和软件的费用和系统的维护费用和配置以及修改都很容易。现场使用相对广泛的现场总线有FF、Profibus-DP、CAN总线等，这些现场总线在技术上各有特色，现在不能代替彼此应用于所有领域。近年来，产业以太网技术发展迅速，这一传统的IT领域标准在信息网络的扩展中迅速发展，不断提高的性能和快速降低的成本远远不及现有的产业自动化网络。 由于部分产业自动化领域的公司同时关注利用以太网的资源，下一代产业自动化网络几乎建立在以太网的基础上，使产业以太网成为当前技术的热点。 从总线技术的发展方向来看，所有现场总线最终都转移至以太网，基于多个现场总线的控制系统在最终连接至因特网之前都与以太网相连接。 工业以太网主要应用于过程监控层，现场层采用现场总线技术。工业以太网所谓工业用以太网，在技术上与商业用以太网兼容，但在产品设计时，在材质的选择、产品的强度、适用性、实时性等方面能够满足工业现场的需求，即满足环境性、可靠性、实时性、安全性、设置的容易性等要求的以太网。产业以太网是应用于产业自动化领域的以太网技术，是基于以太网技术和TCP/IP技术发展起来的产业控制网络。 以太网进入产业自动化领域的直接原因是现场总线的多标准共存，异构网络通信困难。 在这样的技术背景下，以太网正在应用于工业控制领域。随着应用需求的增加，现场总线的高成本、低速度、难以选择、互联、互操作、互操作等问题日益突出。 工业控制网络发展的基本趋势是开放性和透明通信协议。 现场总线问题的根本原因是总线开放性有条件地不完善。 同时，以太网具有传输速率高、安装方便、兼容性好等优点，因此基于以太网的工业控制网络是发展的必然趋势。工业以太网的特点工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，技术上是商用以太网(与IEEE 802.3标准兼容)，但实际产品和应用完全不同。 它主要表示一般商用以太网设计时材质的选择。 在产品强度、适用性及实时性、互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需求。 在产业现场使用的是与商业以太网不同的产业以太网。 工业以太网具有应用广泛、通信速度快、资源共享能力强、可持续发展潜力大等优点。1 .工业以太网的优势以上优点将工业以太网广泛应用于现场控制，主要有以下优点。基于TCP/IP的以太网采用国际主流标准，协议开放，完善不同厂家的设备，互联容易，互通性强。可进行远程访问和远程诊断。能够灵活地组合不同的传输介质，例如同轴电缆、双绞线、光纤等。网络速度快，可达到千兆位。支持冗馀连接配置，数据可达性高，数据有多条路径到达目的地。系统容量几乎不受限制，不会因系统增长而发生意外故障，具有成熟可靠的系统安全系统。可以降低投资成本。虽然有很多优点，但不可否认产业以太网重新引入产业控制领域时也会出现不足。 这也是因为没有完全取代其他网络的原因，产业以太网的不足，主要有实时性的问题。 由于传统的以太网采用载波侦听多址/冲突检测等通信方案，因此在实时性要求高时，在重要的数据传输中产生传输延迟。 可靠性问题。 采用以太网或UDP时，由于其提供不可信的无连接数据报传输服务并且不提供如消息到达确认、排序和流控制之类的功能，因此该消息可以是丢失、重复和排序的。 安全性问题。 安全问题主要是本质的安全和网络安全。 由于工业以太网在工作环境中工作，因此必须考虑本质的安全问题，并且使用TCP/IP，因此像商业网络一样，病毒、黑客等非法入侵和非法操作可能会造成安全威胁。 总线供电问题。 网络传输介质在传输数字信号的同时，向网络节点设备供给动作电源，称为总线电源。 工业以太网总线电源问题还没有完善的解决办法。工业以太网标准商用计算机常用的应用层协议不适应工业过程控制领域的现场设备之间的实时通信，基于以太网和TCP/IP协议建立完全有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制， 必须协调工业现场控制系统中的实时和非实时信息传输，形成广泛接触的应用协议即所谓工业以太网协议。2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作组，旨在满足实时以太网市场的应用需求，制定实时以太网应用的法规国际标准。 IEC/SC65C基于IEC61158制定了实时以太网应用的行业标准IEC61784-2。 2005年3月，IEC实时以太网系列标准作为PAS文件投票，2005年5月，加拿大IEC发布的实时以太网系列PAS文件正式注册为实时以太网国际标准IEC61784-2。随着以太网技术的成熟、交换技术的应用。 在高速以太网的发展等产业自动化领域迅速成长，大部分现场总线系统最终都能连接以太网。 随着集成电路的发展，高级微处理器已经成熟为I/O处理器和控制处理器核心的条件，在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器更易于实现TCP/IP，以太网更易于接近现场。 工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要方向，具有很大的发展潜力。 过程控制工业和自动化工业认识到TCP/IP和以太网从嵌入式系统到现场总线控制系统的重要性，以太网和TCP/IP已经成为世界上应用最广泛的网络协议，成为过程级别和控制级别的主要传输技术。 使用TCP/IP的标准以太网接口已在智能设备和I/O模块中使用。 可与工厂的信息管理系统直接无缝连接，无需专用设备。 因此，工业以太网在工业通信网络中的应用可以说构建了从基础现场设备到先进和最优控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，消除了企业内部的各种自动化孤岛。 以太网作为21世纪和未来的工业网络优先，在控制和现场设备水平上成为标准的高速工业网络，有着广泛的应用和发展前景，工业以太网技术直接应用于工业现场设备之间的通信增长势头。工业控制网络的发展趋势工业控制网络的发展经历了从传统控制网络到现场总线，以及目前广泛研究的工业以太网和无线网络的过程。 从目前产业控制网的发展趋势和市场需求来看，未来产业控制网有以下发展方向。1 .提高通信的实时性工业控制网络提高通信的实时性，主要是使操作系统和交换技术支持实时通信。 操作系统根据优先级策略为非实时传输和实时传输提供多个队列。 交换机方法支持高优先级数据包访问高优先级端口，并确保高优先级数据包快速进入转发队列。 其他研究方向包括如何改进MAC层中数据传输的调度方法。2 .提高通信的可靠性由于工业控制网需要基于不同的网络交换技术在不同类型的网站之间进行通信，因此通信的可靠性尤为重要。 提高通信可靠性的研究方向之一是为构建深层防御系统设计虚拟自动化网络。 虚拟自动化网络包括不同的抽象层和可靠区域，可靠区域包括远程访问区域、本地生产操作区域、自动化设备区域等，重点是设计可靠区域。3 .提高通信安全安全性意味着可以预防系统故障、电磁干扰、高温辐射、恶意攻击等威胁。 自从工业以太网可以实现从管理级别到现场级别的一致数据传输以来，用户只需要掌握网络技术，生产效率就提高了。 但是，统一的网络结构也由于整体的网络透明性而承担着一定的风险。 因此，必须有明确的规则来定义交流的时间和对象。4 .多现场总线集成存在多条现场总线并且相互竞争的局面很久以前就有了，这个局面今后会持续相当长的时间。目前市场上主要使用的是OPC技术，它是实现控制系统现场设备水平和过程管理水平的信息交换，实现系统开放性的关键技术，同时为不同现场总线系统的集成提供了有效的软件实现手段。 多现场总线集成协同完成工业控制任务是未来发展的趋势，研究方向之一是将单总线系统中的设备映射到基于工业以太网的工业控制网络上。5 .无线网络可能提供新的应用程序目前，无线网络技术广泛应用于办公环境。 由于具有移动性、灵活性、易于安装、成本低等优点，该技术正在逐渐应用于工业环境中。 目前，WLAN已成为传统有线网络的补充。 目前，许多工业级WLAN设备已经上市，并且根据IEEE802.11b/g/a/h协议提供了约100Mbit/s的数据传输速率。 当以5GHz频率使用适当的天线时，传输距离达到20km。 未来扩展的协议IEEE802.11n进一步规定工业环境中WLAN的标准。 一旦执行新的标准，数据通信变得更可靠、速度也变高至640Mbit/s，即使在无线通信条件恶劣的环境下。总结产业控制网络的发展经历了从传统控制网络到现场总线，以及目前广泛研究的产业以太网和无线网络的过程。 以太网的广泛应用为工业控制的发展提供了良好的基础结构，如何保证工业通信的实时性是研究的关键。工业控制网络是开放的通信网络，也是全分散控制系统，作为智能设备的连接线与总线相连接，作为网络节点的智能设备与网络系统相连接，进而通过构成自动化系统，实现基本的控制、补偿计算、参数修正、警报、显示工业控制网络是以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉新技术，在流程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力等领域有着广泛的应用前景。典型应用CAN总线的智能照明系统基于CAN的智能照明系统是专为满足照明需求而设计的可独立运行的智能系统。 采用分布式控制系统，上位机通过CAN以太网网关连接到CAN总线系统，实现灯的智能控制。 该系统采用双结构设计，