异构控制网络互连与信息集成技术研究

王艳春　李国洪

[摘要]在分析多总线混合控制网络系统结构的基础上，探讨异构控制网络互连技术和信息集成技术。

[关键词]异构控制网络现场总线多总线互连

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671-7597(2009)0620074-02

由于多种控制网络(总线)协议共存，智能电器网络化研究刚刚起步，没有一种控制网络技术能够成为公认的标准，不同类型控制网络的互连、控制网络与计算机信息网络间的系统集成是目前控制网络系统应用研究的一个热点，迫切需求将不同的总线设备进行集成，以实现一体化的控制、信息集成与管理。

一、控制网络系统结构

控制网络技术由计算机网络技术延伸发展而来，其结构模型与通用计算机网络系统的结构模型有密切联系。分析控制网络系统的结构模型，对比它与一般计算机网络系统结构模型的异同点，能够更好地在不同控制网络系统之间实现互连与集成。

(一)计算机网络系统结构模型

1ISO／OSI网络结构参考模型

国际标准化组织ISO于1978年提出了开放式系统互连参考模型(Refer ence Model of open System Interconnection)，其目的是为异种计算机系统互连提供共同基础和标准框架。该模型包含了网络的七个概念层次：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层数据链路层、物理层。

2互联网络TCP／IP协议的结构参考模型

这种网络结构参考模型不是由任何标准化组织制定，而是源自对TCP／IP协议的研究和计算机互联网的广泛应用。它也已经成为一种公认的事实标准模型。该模型共包含五个网络层次：应用层、运输层、IP互连层、网络接口层、硬件层。

ISO／OSl模型与互联网络TCP／IP模型具有两点重要区别：(1)提供网络传输可靠性的层次不同。在OSI模型中，该模型在多个协议层次提供差错检验和差错处理功能：TCP／IP协议只由运输层来处理大部分差错检验及恢复功能，它使用了端到端校验、确认和超时等技术来确保传输可靠性。(2)网络智能管理和决策位置的不同。互联网模型要求主机更多地参与网络协议功能，主机能够进行差错检验和恢复、参与部分选路和网络管理；而OSI模型把网络看承一个独立而复杂的系统，主机功能相对简单。

TCP／IP协议对应ISO~OSI七层协议中的传输层、网络层、数据链路层都是可配置的目标模块。这为具体应用提供了数据链路层的程序接口，这些特点对网络互联应用提供了方便。TCP／IP协议的基本思想是通过网间连接器将各种不同的网络连接起来，在各个网络的低层协议之上构造一个虚拟的互联网，使用户与其他节点的通信就像与本地主机一样方便。选择TaP／IP协议进行互联，既符合标准化，便于扩充，又可以隐藏细节，简化便于操作。

(二)控制网络系统结构模型

在以现场总线技术为基础的FCS中，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性和快速性的要求较高，如果按照OSI七层模型的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，要求处理器的运算能力越强，网络接口的造价与时间开销显得过高。为适应控制系统的实时性与可靠性要求，也为了实现控制网络系统的低成本，Fcs采用的通信模型大都在OSI模型上进行了不同程度的简化。因此。当前许多控制网络协议只具有通用计算机网络结构模型的部分层次结构。控制网络系统通常具有三个基本协议层次，即物理层、数据链路层和应用层。但是，随着单个节点处理器功能的增强和TCP／IP协议在控制应用中的增长，控制网络系统结构模型也逐步趋同于TCP／IP协议互联网络五层参考模型。

物理层为系统结构的最底层，定义了网络物理通道上的信号协议，具体包括对物理介质(如双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道等)上的数据进行编码与译码。当处于数据发送状态时，该层接受由数据链路层下发的数据，并将其以某种电气信号进行编码并发送。当处于数据接收状态时，将相应的电气信号编码为二进制值。并送到数据链路层，由于考虑到未来技术的发展，底层控制网络结构对物理层定义留有扩展的余地，可以支持附加物理层的定义。

数据链路层(DLL)是协议中最重要的，所有的连接到同一物理通道上的应用程序实际上都是通过数据链路层的实时管理来协调的。它定义了一系列服务于应用层的功能，并且向下与物理层接口，使用物理层的服务，为用户提供了可靠而透明的数据传输服务。该层提供了原语服务和相关事件及有关的参数及格式，以及这些服务与事件之间的相互关系。

在IEC／ISA现场总线中，用一个特殊的站点来给需要的站点分布带宽(数据通道)，这一在数据链接体(DLE)之间分配带宽的站点称为链接调度器(LAS)。对于周期性的数据传送，链接调度器需要建立一张数据发送时刻调度表·链接调度器通过publisher在数据链接体发出特殊祯一强制数据祯(cD)可以授权某数据链接体发送一个数据，该数据只能是本地发送缓冲区的数据，以数据桢的形式进行发送。对于实时性要求不是很高的非周期性数据传送，采用了所谓的“尽快”镱略，即利用周期性数据传送中间空闲的时刻进行发送，在空闲时，链接调度器向每一个调度表中的数据链接体发出一通行令牌，这种令牌规定了其可用的最大时限，过期则被链接调度器收回·针对非周期性的、实时性要求很高的数据传送，数据链路层协议定义了修改调度的功能。但链接调度器接受了管理的调度表，它将对其进行调整·并将结果送给相关的数据链接体，从而使该数据链接体的数据得到及时的发送。这种机制可以适用不同的实时要求，实际上是在IEC／ISA现场总线数据链路层中引用了优先级的管理策略。现场总线将优先级被划分为三级，最高优先级的信息首先得到发送。

应用层为控制用户提供了一系列的服务，用于简化或实现分布式控制系统中的应用进程之间的通信，同时为分布式控制系统提供了应用接口的操作标准，实现了系统的开放性。实际应用中，在应用层之上是用户层，在应用层之下是数据链路层(DLL)，它与其它层的网络管理机构一起对网络数据流动、网络设备及网络服务进行管理。基于面向对象的思想，应用层中通过如下概念机制进行通信管理；

1应用进程(AP)：是概念化的分布式系统中的信息处理部件(包括软件和硬件)资源的集合。控制网络从应用进程角度上看是由一些相关应用进程组成的·它由用户部分(负责执行应用功能)及通信部分(用于提供分层通信服务)组成，通常应用进程以应用进程目标(APO)来表达。

2应用进程目标(APO)：是应用进程处理活动／信息的网络表达。它本身无通信能力，支持它的是应用层的应用实体(AE)，由应用实体提供对APO的访问。

3应用实体(AE)：是一些通信服务功能，该服务功能组成了控制网络应用服务元素。每个服务元素又提供了传递应用层及其应用进程目标

的请求或应答的服务。对于每一类应用进程目标都定义了一个特定的服务元素。

二、多总线混合分布式控制网络系统

目前，工业底层控制网络正处于多种总线并存的局面，包括IEC61158国际标准规定的8种总线在内，现场总线标准约有40种之多。首先，面对如此之多的协议标准，由于每种现场总线其功能和应用领域各不相同，用户在系统选型方面就有很大的自由度，可以针对不同的工业企业门类，选择最为合适的现场总线，带来了工业现场多种现场总线并存的现状。其次，在自动化工业领域，众多的传感器、执行器、机器人、控制器等智能现场设备需要通过传统串行通信接口(RS232，RS422／485等)接入控制系统。再有，DCS~PLC由于其强大的控制功能，以及强有力的可靠性和实时性，在工业控制领域已经得到了广泛的应用。另外，现场总线产品的价格较贵，现场使用经验也比较少，相比较而言，DcS和PLC则有长期使用的经验，价格也比较便宜。同时，在现场总线技术的巨大冲击下，各DCS和flPLC厂商为了提高市场竞争力，在不断降低产品价格的同时，在系统开放性和其它功能方面也进行了很大改进，纷纷将现场总线纳入自己的控制系统中，可以实现和工厂管理层网络的集成。Dcs和PLC在这些方面的进步，将使得很长一段时间内出现Dcs、PLc与FCS并存的局面，从而导致多总线混合分布式控制网络的产生。

(一)多总线混合分布式控制网络系统结构

多总线混合分布式控制网络的体系结构由现场层控制网络FAN(Field Area Network)和上层管理与信息网络组成，现场层控制网络包括DCS专用控制总线、现场总线以及传统串行通信总线等，而上层管理网络则主要以以太网为主。这种控制网络既包含了传统通用串行数据总线和DCS控制总线，也包含了现今流行的现场总线和以太网技术。

这种混合分布式控制网络组成的系统，包括管理子系统、DCS子系统、现场总线子系统以及传统串行总线设备子系统几个组成部分。对DCS子系统来说，通过特殊的网关可以实现和基于以太网的工厂局域网上的设备进行数据交换，可以实现和管理子系统的信息集成；而且这种DCS网关提供的通信实时性非常好，这就使得系统优化控制甚至可以在局域网上进行。对于传统串行总线设备子系统来说，具有传统串行通信接口的现场设各，可以通过串口到以太网的转换模块和以太网上的监控站进行直接通信。这种转换模块提供了IP地址到RS485／232地址之间的转换，为两种不同网络之间的通信提供了通信通道。对于现场总线子系统来说，正在发展的现场总线网络，通过其相应的路由器、网桥或是专用网关等设备，可以实现和局域网的集成，在工程师站上通过现场总线组态软件来组态现场设备以及进行控制镱略的实施等。具有内置以太网接口的以太网设备，则可以直接挂接在以太网上。最后各个子系统在管理层实现集成。

从多总线混合分布式控制网络的体系结构中可看到，网络互连与信息集成涉及到两个层面技术问题：工业现场不同控制网络系统之间互连技术和控制网络与计算机信息网络之间的互连技术。

(二)多总线混台分布式控制网络系统功能特点

在现场总线协议众多、互不兼容，以及工业以太网还没有真正作为控制网络的情况下，这种多总线混合分布式控制网络在一定程度上满足了工业自动化领域各方面的要求，无论在经济性、实时性和开放性等方面都具有很多优良特性。不同协议的现场总线和传统串行通信总线、PLC以及DCS一起协同工作，通过以太网连接在一起，利用各自的优势，共同完成复杂的工业控制任务。这种混合分布式控制网络具有以下主要的功能特色：

1良好的投资保护性

采用这种控制网络，企业可以继续沿用PLC和DCS控制系统，以及价格低廉、具有传统串行通信接口的智能现场设备，做到良好的投资保护性。对企业而言，PLC、DCS以及传统的串行数据总线产品已经得到了广泛的应用，要想全部舍弃这些设备用现场总线或以太网产品进行替代，无论从经济性还是系统性能各方面考虑都不可取。

2系统实时性好

在系统实时性方面，这种混合分布式控制网络可以弥补单纯的现场总线控制系统在大型系统中实时性不足的缺陷。在实时性要求高、控制任务复杂的大型控制系统中，可以充分发挥现场总线和DCS各自的技术优势，也便于优化控制以及高级控制策略的实现。但随着现场总线技术的发展及其相关总线设备的广泛应用，FCS取代DCS将成为现实。

3开放性和扩展性高

在开放性方面。这种控制网络便于多总线协议的集成和协同工作，同时，便于和基于以太网的企业信息网络集成。在工业自动化领域，工业以太网已经被越来越多地考虑作为设备级的控制网络，各现场总线组织也纷纷推出了以太网计划并和以太网相结合，FFHSE总线就是FF总线和以太网结合的成功范例。在这种形势下，具有以太网接口的现场设备日益增多。这种分布式控制网络结构满足了控制网络的信息集成需求，易于和正在发展的具有Ethernet接口的新型测控设备进行集成。IP仪表和以太网智能I／O都可以方便地接入到这种网络中来，便于系统日后升级扩展，也进一步将控制网络和管理网络融为一体。