工业控制系统的网络化发展

作者：上海大学 陈维刚，费敏锐

欢迎访问e展厅 展厅 6 数据采集/无线通讯展厅 通讯卡, 数据采集卡, 无线通讯模块, 远程监控系统, RFID, 信号隔离器, 转换器... 【摘要】介绍了工业控制系统网络化发展前景，综述了嵌入式系统在工业控制网络中的应用，OPCDX标准在多种工业以太网中的应用，以及无线局域网与工业控制网络的结合等工业控制系统网络化进程中的热点问题。 [关键词] 工业控制系统；嵌入式系统；OPCDX；无线局域网[中图分类号]TP393 [文献标识码]A [文章编号]1000-0682(2004)01-0010-04 1 引言 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统)，到第二代的DCS(分散控制系统)，发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。 2 嵌入式技术在工业控制网络中的应用 2．1 嵌入式技术· 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能[2]。 自嵌入式技术出现以来，其发展大致经历了四个阶段，第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统；第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统[3]。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式系统的软件经历了两个发展阶段，一是主要以汇编语言编制成的软件，二是嵌入式实时操作系统RTOS。而以VxWorks、Nucleus、Windows CE等为代表的嵌入式实时操作系统现在已在嵌入式系统中占据了主流软件的地位。 2．2 嵌入式技术在工业控制网络中的应用现状与优势 随着现场总线技术的发展，尤其是工业以太网的日渐兴起，将网络功能与嵌入式系统结合，使诸如变送器、执行器等终端设备具备网络功能，使现场设备能够直接上网成为一种必然趋势。目前实现嵌入式控制设备连网的方案有： (1)将一个小的WEB服务器作为RTOS(嵌入式实时多任务操作系统)的一部分，使现场设备具有WEB功能。 (2)采用高速微处理器，如DSP等，在单片机系统上实现WEB功能。 (3)片上系统集成SOC(System On Chip)是当前电子技术发展热点，也是嵌入式系统发展的一种最新形式[4]。 由于技术的可行性和广阔的发展前景，很多公司和机构已经开始进行这方面的研究工作，并推出了相关产品。美国GE公司将以太网接口做在保护装置中，GE--HARRIS公司推出了带双以太网接口的D95测控单元装置，ABB也推出了带以太网接口的间隔控制器R580[5]。美国Connect One公司、Philips公司、emWare公司、TASKING公司和国内的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的软件、固件(Firmware)和硬件产品[6]。OPT022公司应用嵌入式Intemet技术，研制开发了“以太网I／O系统”一SNAPEthernetI／O系统，通过Intemet对分布在现场的I／0进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。 将网络功能嵌入终端设备中，使其可直接通过Internet／Intranet(企业内部网)进行网络通信、数据交换，实现远程组态、参数修改等[7]。并且减少了诸如网关、代理服务器等中间环节，简化了网络结构，降低了安装、维护的难度和成本。同时现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高，可直接传送图像信息、多媒体信息，满足了工业控制系统的高要求。实行“e”网到底是工业控制网络必然的发展趋势，而可实现最底层设备直接融入网络的嵌入式技术必将获得长足的发展。 3 OPC DX 标准在多种工业以太网中的应用 3．1 OPC技术 OPC(OLE Forprocess contro1)是建立在微软的OLE(即现在的ActiveX)、COM与DCOM技术基础上，由OPC基金会组织制定的用于过程控制和制造业自动化中应用软件开发的一组包括接口、方法和属性的标准[8]。OPC为工业自动化系统中的各种不同的现场器件之间的通信提供了一个公共接口，即为不同的应用之间交换数据提供了一种标准的机制。现在已经公布的OPC标准相当于一个通用的驱动程序，它取代了原来基于PC的各种应用程序(HMI、SCADA、先进控制、智能控制等)与现场工业自动化设备及管理层MIS通信时所需的互不兼容的各种驱动程序[9]。 对于客户应用程序而言，底层的现场设备是透明的，它在调用现场设备的数据时，无需知道具体的数据格式[10]。OPC把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以服务器的形式提供给客户，并规定了一系列的接口标准，而客户负责创建服务器的对象及访问服务器支持的接口。最终用户按照OPC标准开发的在客户机上运行的应用程序，可以通过OPC服务器与任何数据源交换数据，不必知道数据源的特性。硬件和数据库的开发商根据自己产品的特性，并遵循OPC标准开发的OPC服务器，则可适用于任何应用软件。 OPC基金会已经陆续公布的标准包括：OPC DA(数据访问)，OPC HDA(历史数据访问)，OPC A & E(报警与事件)，OPC Batch(批处理)，OPC Security(安全)。除上述标准外，OPC标准还在不断发展，增加功能，正处于开发阶段的标准包括：OPC ComPlexData(复杂数据)，OPC CommonI／O(公共输入／输出)，还有正在扩展的新功能，如OPCxML(可扩展标记语言)，OPC DX(以太网数据交换)。 3．2 OPC DX实现了多种工业以太网的互连 工业以太网技术的发展提高了自动化系统的性能和开放程度，允许不同的应用层协议运行在同一套网络硬件上。但是不同机构推出的工业以太网协议采用了不同的应用层协议，相互之间无法直接沟通。对于采用工业以太网的用户来说，如果在系统中存在两种或多种不同的工业以太网协议，用户必须对这几种协议的内容都很熟悉，然后在这一基础上开发各个应用程序之间的接口程序。而目前的OPC标准只能在同一种网络内实现互操作，必须针对不同的网络开发不同的OPC服务器。 2001年9月11日，OPC基金会在美国休斯敦宣布开发基于以太网数据交换的标准OPC DX[11]。OPC DX定义了一组工业标准的接口，能在采用不同应用层协议的以太网上所连接的器件和控制器之间，实现可互操作的数据交换。也就是推广现有OPC DX的功能，使其能够在系统运行中实现“服务器——服务器”的数据交换，而与以太网TCP／IP所支持的应用层实时通信协议无关[12]。OPCDX标准以软网关的形式使得不同厂家生产的、支持不同应用层标准的工业以太网产品在同一个系统中兼容，实现互操作。从而从应用角度上统一了各种互不兼容的工业以太网协议，给用户提供了广泛的选择空间，也使得各个生产厂家在生产产品时有标准可遵循，降低了生产和开发成本，增大了提高市场占有率的可能性。 由于工业以太网显而易见的发展前景和OPCDX标准将带来的诸多益处，包括ODVA、CI、FF、PI、西门子、Rockwell等许多大公司和机构纷纷表示支持这一标准的开发和推广应用。2002年4月，在德国汉诺威展览会上，OPC基金会联同以上几大机构和Interbus Club等机构展示了利用OPC DX技术在不同厂家生产的多种工业以太网设备之间进行互操作[13]，收到了良好的效果。强大的市场需求和雄厚的支持基础使得这一标准的推出将对工业以太网的发展起到极大的推动作用。基于OPC DX技术的系统结构如图3—1所示。 4 无线局域网与工业控制网络的结合 在工业控制系统中应用了现场总线技术、以太网技术、嵌入式技术等，实现了系统的网络化，提高了系统的性能和开放性，但是这些控制网络一般都是基于有线的网络。在现代控制网络中，许多自动化设备要求具有更高的灵活性和可移动性，尤其在一些危险场合或不适于使用有线网络的情况下，就要考虑应用无线网络。 4．1 无线局域网 IEEE802．11是IEEE802标准委员会在1997年通过的第一个无线局域网的国际标准。1999年9月，该委员会又颁布了IEEE802．11b标准，包含了ISO／OSI模型的物理层和媒体访问控制层(MAC)。该标准工作在2．4 GHz，传输速率可达11 Mbps。IEEE802．11b标准将节点设备分为基站和客户站，各客户站相互间可直接通信，也可在基站的统一管理下进行通信。一个基站与一组客户站的连接称为基本服务集BSS(Basic Service Set)，两个或多个BSS构成扩展服务集。IEEE802．11b标准规定了物理层的三种实现方法，即跳频扩频FHSS、直接序列扩频DSSS和红外技术IR。在MAC层采用CSMA／CA(载波侦听多路访问／碰撞避免)技术进行通信介质访问。为了尽量减少冲突。802．11b设计了独特的MAC子层，如图4—1所示。在下面的一层叫做分布协调功能DCF(Distributed Coordination Function)子层，该子层使各个节点采用竞争的方式使用信道，向上提供争用服务。这种信道接人方式可能会导致冲突的发生，但是对信道的利用率较高。上面的一层叫做点协调功能PCF(Point Coordination Function)子层，该子层使用集中控制的接人算法，基站以轮询的方式将通信权轮流交给各个客户站，从而避免了冲突的发生。但是基站需要周期性的轮询所有客户站，需要占用大量的时间，因此适用于中、小型网络。 无线局域网的技术还在不断发展。美国Radiata和Atheros公司分别宣布将推出IEEE802．11a芯片组。802．11a的数据传输速率为54 Mbps。Atheros公司宣称，他们的芯片组在“Turbomode”(强化模式)下，速率可以达到72 Mbps。对802．11a来说，不仅仅是传输速率的提 高，它将工作在5GHz的频率上，从而避开了拥挤的2．4 GHz频段。2001年11月15日，IEEE试验性地批准了一种新技术802．11s，该技术可以提升家庭、公司和公共场所的无线互联网接入速度，该技术使无线网络每秒传输速度也可达54Mbps，比现在通用的802．11b要快5倍，并且和802．11b兼容。 4．2 无线局域网在工业控制网络中的应用 工业控制系统的网络化为无线技术在工业控制系统中的应用提供了基础和可能。近几年很多研究人员也展开了这方面的研究工作。中国科学院沈阳自动化所的曾鹏等人以PF(现场总线基金会)颁布的1VHSE(高速以太网)为蓝本，结合无线以太网标准IEEE802．11b，构造了现场级无线通信协议栈。该协议栈保持了基金会现场总线的通信模型，能够完成无线设备间的时间同步和实时通信[14]。韩国釜山国立大学的Kyung Chang Lee等人设计了协议转换模型，实现了Profibus-DP网络和IEEE802．11无线局域网的互连[15]。Marlo Alves等人对基于广播方式的现场总线／无线网络的混合网络报文传送延迟时间进行了估算[16]。C．Koulamas等人研究了Profibus现场总线与基于IEEE802．11b的DSSS物理层相结合的性能[17]。除了在理论上的研究工作外，在一些工业控制网络中，无线通信技术已获得了应用。如美国罗克威尔公司在基于DeviceNet、Controlnet、Ethemet／IP的三层控制网络体系中，加入了无线以太网部分，可以实现无线通信。德国西门子公司在基于Profibus-DP、Profinet的控制网络中结合无线以太网技术，使控制网络具有了无线通信功能。由于无线网络无可比拟的优越性，它可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成本，还可以满足一些特殊场合的需要，与此同时，大大增强了系统构成的灵活性。加之无线通信技术自身的不断改进，无线通信技术在工业控制领域中必将具有广阔的发展空间和应用前景。 5 结束语 以信息化带动工业化是保持国民经济持续快速增长的有力保证，也是改造传统工业体系结构的重要手段。网络技术作为信息技术的代表，其与工业控制系统的结合将极大地提高控制系统的水平，改变现有工业控制系统相对封闭的企业信息管理结构，适应现代企业综合自动化管理的需要。将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天，这一工业控制系统网络化及其构成模式使得企业能够适应空前激烈的市场竞争，有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务，具有广阔的发展前景。 [参考文献] [1] 贾东耀，汪仁煌．工业控制网络结构的发展趋势[J]．工业仪表与自动化装置，2002(5)：12—14． [2] 魏 凌，何 巍．嵌入式系统比较[J]．无线电通信技术，2002，28(4)：56—58． [3] 魏庆福，郑文波．嵌入式系统的技术发展和我们的机遇[J]．自动化博览，2002(4)：5—9． [4] 彭 可，陈际达，等．控制系统网络化及控制系统与信息网络集成技术[J]．信息与控制，2(1)2，31(5)：441—445． [5] 郝晓弘，苏 渊．以太网与现场总线控制系统[J]．电气自动化．2002(4)：4—7． [6] 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/29/2004)