系统集成技术与网络技术的发展历程与趋势

2021-03-26 03:32

  进入新世纪,消息化速率正在加快,自愿化测控体系中,不但正在办公自愿化体系,智能大厦自愿化体系,市政、交通、物流、贸易、银行等公用工程自愿化体系方面的搜集化有很大变更,就连死板制作为生的离散工业自愿化,极度是流程工业自愿化方面也向数字化、搜集化、智能化方面行进了可喜的一步。极度是比来不断开工修筑或已试车获胜的特大型炼化项目,依然正在其自愿化测控体系中的现场层采用了约1/4的FF(基金会现场总线)等现场总线产物,监控层根基采用了高速以太网主流搜集产物,渐渐做到负责彻底散漫、操作显示及解决高度集合(全厂15个装备集合正在一个总负责室操作),体系数字化水平有了质的奔腾,为解决一体化打下了坚实的基本。这是对古代的DCS(漫衍式负责体系)的宏大打破。正在此“十一五”计议先导之年,有须要从自愿化测控体系的角度,看一看搜集技艺的成长汗青,温故而知新。

  电报、电话等显现后,就有了用于消息传达的通讯搜集,极度是微型阴谋机显现后,功效分别或地区分别的阴谋机之间连成搜集,数字通讯技艺就由凡是单机(主机对终端)、众机通讯扩展成阴谋机搜集体系。自愿化测控体系是一种实行衡量和负责功效的漫衍式阴谋机局域网,其成长经过如下:

  (1)上世纪70年代中期先导显现DCS,这是正在并无同一搜集准则的状况下,以大型企业为主各自实行的。搜集范围大约节点有32~64个,通讯间隔约正在1km以内,重要节点为负责站和操作站,拓扑构造以环形和总线型为主,通讯介质众为同轴电缆,也有采用双绞线Mb/s以内。正在负责站、操作站内均有“通讯卡”等专用搜集部件。这功夫代外性的产物有TDC2000的DHW(数据高速公途)总线和CENTUM的F总线等,均采用“令牌总线”通讯允诺。数据共享方面已做到按工位号操作。这功夫代外性均为模仿仪外,少数专用筑设有RS-232/RS-422/RS-485等串口,可与之相邻接。这时候通讯规程中有IBM等提出的同步数据链途规程(SDLC)、高级数据链途规程(HDLC)和邦际电报电话资讯委员会的CCITTX.25等。

  (2)正在这个时候,正在办公自愿化筑设成长中,1975年美邦施乐(Xerox)公司推出了以太网(Ethernet),往后3COM等众家供应商介入,正在此基本上变成的以太网局域网,正在突发性工作打点的各式通用体系中取得了较大成长,以太网以载波侦听众途拜候/冲突检测格式即CSMA/CD格式实行数据通讯。

  (3)正在上述两方面技艺的基本上,1980年2月,IEEE电子电气工程师协会竖立了一个委员会(简称IEEE802委员会),掌握协议局域网准则。又1983年ISO邦际准则化结构通过了绽放体系互连(OSI,open system interconnection)参考模子,即ISO/OSI参考模子,正在此基本上,1985年IEEE802委员会树立9个分委员会(其后又添加到13个分委员会),个中IEEE802.3掌握CSMA/CD网,IEEE802.4掌握令牌总线掌握令牌环网,其他分委员会分工掌握各项相闭办事。这些分委员会的办事,其后变成了ISO的准则。这些准则,又统称为IEEE802准则。

  (4)上世纪80年代中后期,有了上述ISO/OSI参考模子和IEEE802准则的基本,显现了第2代、第3代DCS体系,其搜集特质为正在确保第1代DCS搜集延续性(即能互连)的条件下,能杀青众个装备DCS互连及全厂各车间互连,向全厂负责搜集的体系与解决搜集互连倾向成长,当然这时候更新的搜集的体系范围正在放大,采用光纤,通讯间隔为原本的数倍,通讯速度降低至10Mb/s或更高,涵盖工位号是原本的数倍,工位字符数由8位字符增至12个字符,并且变成了域的观念,但这时候现场仪外仍以模仿仪外或HART准则的仪外为主,只是长途I/O的数据通讯事势的现场仪外正在添加,与PLC、剖判仪等数字通讯的才华正在巩固。又分别厂家的DCS的互连已提到日程上来了,DCS内异构的搜集互连正在渐渐杀青,个中TDC3000搜集构造最为典范。

  (5)PLC可编程负责器正在上世纪80年代已由只身负责器连成中小型范围以上的体系。1990年前后一台或众台PLC通过RS-232/RS-485串口与1台或众台PC机(操作站,内装HMI人机界面和组态软件或称SCADA软件)连成体系。它采用了现成的搜集技艺,极度是DDE或OPC数据换取软件技艺及IEC61131-3准则的组态软件,使PLC体系的绽放性、可用性大大降低,成为低本钱自愿化的模范,现已渐渐过渡到21世纪初的工业以太网为主的搜集,并且由罗克韦尔公司牵头的CIP通用工业允诺(common industrial protocol)依然变成,DeviceNet/ControlNet/Ethernet/IP 3层构造的通讯搜集已为人们承担,PLC由原本通讯功效较差造成走正在搜集化的前线。

  (6)现场总线年代依然变成了开拓的高潮。它适宜了各行业现场测控方面的需求,变成了众准则并存的体面。FF H1/FF HSE等对经过负责更适合些,Profibus、DeviceNet等对离散负责更适合。基金会现场总线采用ISO/OSI通讯模子的1、2、7层及用户层,它正在现场两线制供电、防爆、防电磁扰乱、防雷击及冗余、现场负责、互操作性、相易性方面均经受了实践工程的较持久的磨练。

  FF HSE正在与FF H1无缝邻接的基本上,用高速以太网(HSE,high speed Ethernet)实行中心负责室一级或监控层的搜集COTS(贸易现货技艺)化的职分,采用了换取机等搜集产物及传输层、搜集层的TCP/UDP/IP允诺,确保了体系的绽放性和可操作性。

  现场总线技艺成长与现场仪外杀青数字化、搜集化、智能化是分不开的。目前流程工业用的变送器等现场仪外坐蓐状况是FF占10%,HART占40%、模仿仪外占50%,于是还要着重现场检测仪外与履行器的更新换代,本领使现场总线年代之前振起的互联网(环球性的广域网)及搬动通讯、众媒体技艺、一面阴谋机及操作体系搜集援助功效的成长等,对自愿化测控体系的数字通讯技艺的影响黑白常长远的。因为互联网的普及,“搜集接入业”的振起,换取机、集成器、5类双绞铜缆等搜集产物价钱消重,以太网及互联网允诺簇(搜罗TCP/IP等)的操纵技艺深化到各式连网筑设中,传输格式由基带向载波、宽带等格式成长,搜集速度由10Mb/s擢升至100Mb/s、1000Mb/s等,于是正在自愿化测控体系中振起了“工业以太网”热。又因为一局部人夸大自愿化测控体系真实定性和及时性的特质,而正在商用以太网基本前进行改制,变成了众种及时以太网,但这只是一个经过,枢纽是性价比能否为用户认同。总之,向着自愿化测控体系搜集扁平化、直至“e网终究”的倾向成长,这个趋向是明白的,只是有待岁月罢了。

  (8)第4代DCS的显现,适宜了21世纪初现场总线技艺、管控一体化技艺的成长。目前,通过现场总线基金会的HIST互操作性测试认证的11个主控体系,均是第4代DCS体系,并且正在“基金会现场总线体系工程指南”中指出:“一切主FF功效,搜罗工程、组态、保卫和操作职能应也许与古代模仿或离散I/O、智能HART和专用I/O、基于总线的I/O和FF体系杀青兼容和无缝集成。提议不要采用只针对FF而且与古代不兼容的独立软件东西、显示或秩序。”从而为“FCS代替DCS”等看法,找到清楚决的出途,即合伙统一、相辅相成、DCS和FCS双赢的道途。这是搜集技艺的功烈,由于它也许使云云庞大的通讯哀求,正在经济合用的条款下周备地杀青这个统一的经过。当然上面所说的主控体系,均抵达FF HSE更高的水准。第4代DCS的通讯技艺向以太网及TCP/UDP/IP允诺挨近,与工场解决搜集兼容、数据共享,渐渐变成企业互联网Intranet。

  ISO/OSI参考模子反响了阴谋机搜集通讯的办事道理,把通讯经过分段,相应地把搜集功效分为分别的逻辑和物理方针,即分别功效方针实行分别通讯阶段的办事。OSI模子分为7层,即操纵层、显示层、会话层、传输层、搜集层、数据链途层、物理层。它与FF H1、FF HSE通讯模子之间的比拟如图1所示。

  杀青搜集节点各层功效的根基法子是愚弄硬件杀青较低层允诺,愚弄软件杀青较高层允诺。目前已有效“专用芯片”等集成电途杀青OSI的功效,个中以太网是一个很好的例子,其余便是LonWorks技艺,它的Neuron神经元芯片中,集成了3个CPU,将闭联的OSI模子的7层通讯允诺,搜罗兼容众种通讯介质、NeuronC负责讲话、搜集变量等,均固化正在个中,使通讯抵达能互操作水准,从而正在智能大厦等局域网中取得渊博操纵,这也是一个获胜的榜样。

  若是把各终端节点怎么与线缆等通讯介质相连的接口卡、邻接器及通讯介质和极少特意为通讯而筑设的节点均称为搜集产物,加之对办公用或贸易用搜集产物与工业上解决用和负责用(搜罗现场总线)的搜集产物总和探究,还要对通讯软件等实行分类,将是一个庞大的办事。现正在从搜集互联的低层筑设功效来分,重要有中继器(或称反复器repeater)、网桥(bridge)、途由器(router)、网闭(gateway)几种,以上几种均为有源产物。无源产物有T型分支(Tee)、无源众端口集线器(passive hub)、终端器、电缆、光缆等。

  正在实践搜集中,原本就有的物理层通用准则邻接器如RS-232、RS-485等,操纵很广,这也办理了许众纯洁的通讯需求,而它们的商品事势又是众种众样的。

  正在实践搜集中,产物中另有接口卡、接口模块、链接筑设等,极度是商用以太网的接插器(connector)、集线器(hub)、换取机(switches)等。

  行为搜集产物,对待无线数字通讯,诸如调制解调器、数传电台等正在邦内操纵已相当渊博,欲望它将跟着商用搬动通讯技艺相闭数字通讯的交易的成长而转换。

  嵌入式体系技艺的普及,极度是32位的ARM9等打点器嵌入式产物正在搜集产物中的操纵,将使得搜集产物智能化水平、价钱、体积等方面都有改革,这也鼓励了搜集技艺的成长。

  近年来流程工业企业新筑的中心负责室的搜集中,换取机已渊博操纵,极度是搜集图中堆叠式换取机的图样很显眼,阐明自愿化测控体系搜集的监控层已正在许众行业中采用了换取机。换取机是众条总线的换取矩阵互连,即把每个端口都挂正在一条带宽很高的背板总线上。

  换取机除去封装数据包实行转发、裁汰冲突域以外,另有断绝播送风暴、搜集解决等功效,极度是工业以太网用换取机,还应适宜工业境况及做到双电源供电,避免简单电源所变成的数据流失,援助环形网,供应搜集冗余,通过安定类型认证,做到断线急速复原等,恰是因为添加了这些功效,于是其价钱略高于贸易以太网产物。目前赫斯曼、卓异等工业以太网用换取机已取得渊博操纵。至于贸易用换取机是否可用正在工业上的题目,该当因地制宜,整个状况整个剖判,正如不少工业企业正在体系集成中,操作站操纵名牌戴尔阴谋机而不操纵凡是工控机的景象,不足为奇。

  自愿化测控体系的基本是3C(computer,control,communication)和1I(integration),目前又提出1S(solution)倾向,它的促使力是电控、仪控一体化和管控一体化。体系集成技艺与搜集技艺相辅相成,合伙抵达正在搜集上共享数据和消息的方针。体系集成一词的时兴始于上世纪80年代末、90年代初,现正在Integrated System和System Integration的鸿沟正在逐步隐约,这阐明体系集成商和最终用户左右搜集技艺的水准正在降低,对各式搜集或现场总线互联的接口卡的需求正在放大。美邦Woodhead公司、Prosoft公司等的几十种接口卡产物和众允诺网闭(Modbus Ethernet TCP IP Profibus)可能知足体系集成的需求。体系集成技艺的成长,正在OPC(经过负责的对象链接嵌入)、EDDL和FDT(闭于互操作性)、IEC61131-3(闭于组态)等3个准则促使下,目前又向前成长,2003年发外了ISO15745准则,它办理了体系集成的操纵需乞降接口两个根基题目。该准则全称为:工业自愿化体系和体系集成——绽放体系操纵集成框架。它分为4局部,第1局部提出了绽放体系的操纵集成框架(AIF,application integration framework)。自愿化测控体系的搜集往往株连到它的第2、3、4局部,如基金会现场总线局部闭联,于是它是异构体系的组合,而众种异构体系中,监控层都采用了第4局部的以太网准则,换取机为核心的星型构造比拟广泛地被采用,并且冗余技艺、安定技艺、质料任职等都有较大降低。工业以太网及时响当令间已推倒5~10ms。这对待流程工业的负责体系(搜罗安十足系)、离散工业负责体系(除去少数同步哀求高的运动负责体系),均可能知足哀求。于是有控制地说:履行依然阐明,现场层采用FF H1等现场总线、监控层采用凡是工业以太网是成熟的搜集技艺,将会正在以后广泛被采用。

  (1)正在参考文献中提到COTS,正在军用消息体系中能把它行为计划准绳,于是凡是自愿化测控体系更应着重操纵COTS,把搜集产物的价钱降下来,使现场总线的“辅助筑设”通用化。

  (2)把自愿化测控体系对搜集的需求实行分类,最先正在数据采整体系中扩张COTS;针对分别行业的需求扩张分别的现场总线技艺;工业以太网扩张经过中,应对工程操纵和开拓并重。

  (3)检测仪外,履行器的数字化、智能化、搜集化是基本,该当正在邦内大肆开拓这方面的新产物,同时要正在邦内竖立测试核心、认证核心,发展准则化的办事,确保绽放性、可操作性、可相易性,争取成为邦际上认同的产物。

  (4)正在自愿化行业中应进一步普及搜集技艺,固然已有十几种闭联竹帛,但为用户办练习班等格式仍很紧急。中邦仪器仪外学会和北京合成搜集公司配合,正在这方面为宏伟用户任职做出模范,值得扩张。