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[摘要]：以网络化控制系统、工业以太网和Modbus TCP协议为背景，介绍了一种新型网络化控制系统的设计与开发思路，并实现了增强的可靠性。
[关键词]：网络化控制系统 工业以太网 Modbus TCP EthCCS2.0 可靠性
中图分类号：TJ81+0.376 文献标识码：TJ 文章编号：1009-914X（2012）26-0270-02
引言
随着计算机控制技术的快速发展，控制系统的应用领域越来越广泛，控制对象日益复杂，控制系统朝着更加分散化、智能化的方向发展。复杂控制系统通常被分解成若干个分布式的单一功能子系统，系统操作灵活，设计简单，方便安装与维护。与此同时，网络技术越来越成熟，使得用户可以进行远程的数据传输及交互操作，并且其成本、布线复杂性、维护难度等大大降低。由于网络技术的优点，大量的研究及应用开始集中在将数据网络用于远程的工业控制及工业自动化领域中。
在复杂工业自动化领域中，越来越多的网络化控制系统得到推广应用。在复杂工业领域，对安全生产的要求很高，尤其在电力行业等领域，生产的安全更是高于一切。
在这些领域的控制系统中，一般分为上位、下位两个部分，上位主要实现监控管理功能，下位实现实际的控制功能，下位机的可靠性对整个系统具有决定性的影响，因此，长期以来，在设计开发下位机的时候，都采取了大量措施来保证其可靠性。除了提高每台下位机的可靠性以外，下位机通常采用冗余设计，分为主从站，当主站离线的时候，从站会即时接替工作，实现无缝切换，保证系统的连续稳定工作。
但是，如果下位机的主从站都离线了呢？
虽然发生这种情况的概率很低，但是毕竟是一个隐患。针对这个隐患，借助网络化控制系统的先进架构，我们设计开发了一种新办法，以下从网络化控制系统开始，展开介绍。
1 网络化控制系统的定义与发展
所谓网络化控制系统，是指在串行网络上实现控制回路的系统，即控制系统中的控制器、传感器和执行器等元件通过串行网络来交换控制及传感等信号。
始于20世纪50年代的计算机控制系统，因其体积大、功耗高、可靠性差，使之在控制系统的应用很有限，大多工作在监控模式下，在随后出现的直接数字控制（DDC）系统中，计算机成为控制回路的一部分。
随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的增大，越来越需要计算能力的分布化。Honeywell公司在1975年开发出第一个分布式控制系统（DCS）TDC2000。在DCS系统中，几台控制计算机作为过程工作站用来控制工业过程，操作员站和各种辅助工作站用来监视和保存过程数据以及进行过程优化。传感器和执行器直接连接到控制计算机上，只有开关信号、监视信息、警报信息等通过串行网络传输。
到了2O世纪9O年代，微处理器的发展对计算机在控制系统中的应用产生了深刻影响。随着ASIC芯片设计技术的发展和硅片价格下降，传感器和执行器可以带有网络接口，并成为实时控制网络中的独立节点，这导致了NCS的出现。在如图3所示的NCS中，所有的控制器、传感器、执行器共享同一串行网络。近2O年来，控制网络获得迅速发展，目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制系统（Fieldbus Control System）、工业以太网（Industrial Ethernet）控制系统以及无线网控制系统（Wireless NCS）等
2 工业以太网
工业以太网技术是普通以太网、乃至互联网技术在控制领域延伸的产物。它实际上是工控领域对以太网原本在物理层与数据链路层的相关技术、TCP/IP协议组、多种互联网协议等相关技术的总称。以太网技术的多年发展、Internet的广泛应用，使得工业以太网天生就具有技术成熟、价格便宜、与普通计算机网络互连一致性好等独特的优势。
工业以太网技术发展的一个方面是现场总线系统与普通计算机网络、与Internet的结合，即作為现场总线系统的上层网段，如基金会现场总线H1的高速网段HSE、DeviceNet、ControlNet的上层网段Ethernet/IP、Profibus的上层网段即早期的Profinet等。工业以太网技术发展的另一个方面是向着底层的网络化控制，替代其他FCS而实现E（Ethernet）网到底。
由于以太网采用的平等竞争式的介质访问控制方式是非实时的，不能满足自动化系统对通信的实时性要求，因而以太网用于网络化控制引起了许多争议，需要为解决非实时的问题采用相应措施。 利用以太网原本具有的高通信速率、全双工交换技术.加上限制网络负荷等措施，可以使实时性问题在一定程度上得到缓解。要从根本上解决实时性问题，只能是采用实时以太网技术。工业以太网技术近年来已经成为世界范围的研究开发热点，尚处在制定过程中的工业以太网国际标准IEC61784-2，就已经囊括了多达10种子集，继承了世纪之交现场总线标准大战后IEC61158八种总线子集并存的状态。中国的EPA（Ethernet for PIant Automation）作为IEC的PAS文件也属其中之一。
3 Modbus TCP通讯协议
Modbus协议原为美国Modicon公司PLC产品通信协议，后来由于其使用十分广泛，由Modbus组织于2002年发展延伸为 Modbus TCP/IP规范。Modbus对于分布式自动化解决方案的未来很重要。通过Modbus协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它是一个标准的、真正开放的、在工业自动化领域应用最广泛的网络通讯协议，SCADA和HMI软件可以通过Modbus协议非常方便地与串行设备集成到一起。
Modbus TCP协议是Modbus协议的另一版本，于1999年由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。Modbus TCP和它的一个配套协议RTPS一起，作为实时工业以太网协议簇，被提交给 IEC SC65C。
Modbus TCP已经成为世界领先的工业以太网协议。Modbus TCP协议的开放性及用户对它的熟悉程度再加上其应用的简单易学，是Modbus TCP在当今市场中获得成功的关键。Modbus协议的串行链路版本已经在市场上长期占有主导地位，并且己有大量的网关产品可以实现串行链路Modbus和Modbus TCP之间的桥接。
4 EthCCS2.0现场总线控制系统
[关键词]：网络化控制系统 工业以太网 Modbus TCP EthCCS2.0 可靠性
中图分类号：TJ81+0.376 文献标识码：TJ 文章编号：1009-914X（2012）26-0270-02
引言
随着计算机控制技术的快速发展，控制系统的应用领域越来越广泛，控制对象日益复杂，控制系统朝着更加分散化、智能化的方向发展。复杂控制系统通常被分解成若干个分布式的单一功能子系统，系统操作灵活，设计简单，方便安装与维护。与此同时，网络技术越来越成熟，使得用户可以进行远程的数据传输及交互操作，并且其成本、布线复杂性、维护难度等大大降低。由于网络技术的优点，大量的研究及应用开始集中在将数据网络用于远程的工业控制及工业自动化领域中。
在复杂工业自动化领域中，越来越多的网络化控制系统得到推广应用。在复杂工业领域，对安全生产的要求很高，尤其在电力行业等领域，生产的安全更是高于一切。
在这些领域的控制系统中，一般分为上位、下位两个部分，上位主要实现监控管理功能，下位实现实际的控制功能，下位机的可靠性对整个系统具有决定性的影响，因此，长期以来，在设计开发下位机的时候，都采取了大量措施来保证其可靠性。除了提高每台下位机的可靠性以外，下位机通常采用冗余设计，分为主从站，当主站离线的时候，从站会即时接替工作，实现无缝切换，保证系统的连续稳定工作。
但是，如果下位机的主从站都离线了呢？
虽然发生这种情况的概率很低，但是毕竟是一个隐患。针对这个隐患，借助网络化控制系统的先进架构，我们设计开发了一种新办法，以下从网络化控制系统开始，展开介绍。
1 网络化控制系统的定义与发展
所谓网络化控制系统，是指在串行网络上实现控制回路的系统，即控制系统中的控制器、传感器和执行器等元件通过串行网络来交换控制及传感等信号。
始于20世纪50年代的计算机控制系统，因其体积大、功耗高、可靠性差，使之在控制系统的应用很有限，大多工作在监控模式下，在随后出现的直接数字控制（DDC）系统中，计算机成为控制回路的一部分。
随着计算机技术的快速发展和控制系统规模的增大，越来越需要计算能力的分布化。Honeywell公司在1975年开发出第一个分布式控制系统（DCS）TDC2000。在DCS系统中，几台控制计算机作为过程工作站用来控制工业过程，操作员站和各种辅助工作站用来监视和保存过程数据以及进行过程优化。传感器和执行器直接连接到控制计算机上，只有开关信号、监视信息、警报信息等通过串行网络传输。
到了2O世纪9O年代，微处理器的发展对计算机在控制系统中的应用产生了深刻影响。随着ASIC芯片设计技术的发展和硅片价格下降，传感器和执行器可以带有网络接口，并成为实时控制网络中的独立节点，这导致了NCS的出现。在如图3所示的NCS中，所有的控制器、传感器、执行器共享同一串行网络。近2O年来，控制网络获得迅速发展，目前应用于控制领域中的网络化控制系统有现场总线控制系统（Fieldbus Control System）、工业以太网（Industrial Ethernet）控制系统以及无线网控制系统（Wireless NCS）等
2 工业以太网
工业以太网技术是普通以太网、乃至互联网技术在控制领域延伸的产物。它实际上是工控领域对以太网原本在物理层与数据链路层的相关技术、TCP/IP协议组、多种互联网协议等相关技术的总称。以太网技术的多年发展、Internet的广泛应用，使得工业以太网天生就具有技术成熟、价格便宜、与普通计算机网络互连一致性好等独特的优势。
工业以太网技术发展的一个方面是现场总线系统与普通计算机网络、与Internet的结合，即作為现场总线系统的上层网段，如基金会现场总线H1的高速网段HSE、DeviceNet、ControlNet的上层网段Ethernet/IP、Profibus的上层网段即早期的Profinet等。工业以太网技术发展的另一个方面是向着底层的网络化控制，替代其他FCS而实现E（Ethernet）网到底。
由于以太网采用的平等竞争式的介质访问控制方式是非实时的，不能满足自动化系统对通信的实时性要求，因而以太网用于网络化控制引起了许多争议，需要为解决非实时的问题采用相应措施。 利用以太网原本具有的高通信速率、全双工交换技术.加上限制网络负荷等措施，可以使实时性问题在一定程度上得到缓解。要从根本上解决实时性问题，只能是采用实时以太网技术。工业以太网技术近年来已经成为世界范围的研究开发热点，尚处在制定过程中的工业以太网国际标准IEC61784-2，就已经囊括了多达10种子集，继承了世纪之交现场总线标准大战后IEC61158八种总线子集并存的状态。中国的EPA（Ethernet for PIant Automation）作为IEC的PAS文件也属其中之一。
3 Modbus TCP通讯协议
Modbus协议原为美国Modicon公司PLC产品通信协议，后来由于其使用十分广泛，由Modbus组织于2002年发展延伸为 Modbus TCP/IP规范。Modbus对于分布式自动化解决方案的未来很重要。通过Modbus协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它是一个标准的、真正开放的、在工业自动化领域应用最广泛的网络通讯协议，SCADA和HMI软件可以通过Modbus协议非常方便地与串行设备集成到一起。
Modbus TCP协议是Modbus协议的另一版本，于1999年由施耐德公司推出，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，成为Modbus TCP/IP。Modbus TCP和它的一个配套协议RTPS一起，作为实时工业以太网协议簇，被提交给 IEC SC65C。
Modbus TCP已经成为世界领先的工业以太网协议。Modbus TCP协议的开放性及用户对它的熟悉程度再加上其应用的简单易学，是Modbus TCP在当今市场中获得成功的关键。Modbus协议的串行链路版本已经在市场上长期占有主导地位，并且己有大量的网关产品可以实现串行链路Modbus和Modbus TCP之间的桥接。
4 EthCCS2.0现场总线控制系统