1.1 工控领域控制网络的发展及主要特点
1.1.1 控制网络技术的发展
1.什么是控制网络
在工控领域中，大量的现场控制场所中，将许多嵌入微处理器的控制器、控制装置、控制仪表、监测仪表用一个实时性好和可靠性高的可双向传输的全数字化网络连接起来，这样的一个连接网络就是控制网络。控制网络的作用域也叫控制域，控制网络也叫控制域网络，工控领域、楼控领域中的多种现场总线、控制总线都是控制网络，如LonWorks总线、C-Bus、EIB（欧洲安装总线）、PROFIBUS（过程现场总线）、FF（基金会总线）、RS-232总线和RS-485总线等都是控制网络。控制网络也常称为控制总线。
控制网络是一种位于生产现场、用于完成自控任务的计算机网络系统。控制网络应用于企业生产现场的网络通信系统的底层，是由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表与控制器作为网络节点构成的。生产现场中的监测控制设备之间、现场设备与监控计算机之间、现场中的传感测量、控制计算机、执行器等功能模块之间的数据传递都是通过控制网络完成的。控制网络是生产现场中各控制设备、传感器和执行器之间沟通数据信息的通道。控制网络系统可以很好地完成监测和控制的任务。
控制系统中，是将若干个监控点构成一个监控范围，采用同一种控制网络技术形成一个控制域。如果在一个系统中，采用了多种不同的控制网络技术就会形成多个离散的控制域，使用网关装置将不同的控制网络连接起来，就能将离散的控制域连通起来，将许多离散的控制域集合成一个彼此连通的较大控制域。因此，控制网络选择合适与否对日后的系统扩展工作影响很大。
各类计算机、工作站、打印机、显示终端、各种可编程序控制器（PLC）、开关、电动机、变送器、阀门都可以作为控制网络的节点。在工业生产现场控制网络中，一部分节点是现场控制设备内嵌有CPU、单片机或其他专用芯片的智能节点，节点本身具有微处理器，可以通过编制控制程序来实现常规控制和智能控制，有的节点只是功能相当简单的非智能设备。
个人计算机（PC）或其他种类的计算机、工作站可以成为控制网络的节点，但控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。具有通信能力的以下一些设备都可以作为控制网络的节点：
1）限位开关、感应开关等各类开关；
2）光电传感器；
3）温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器；
4）可编程序控制器；
5）比例积分微分（PID）等数字控制器；
6）监控计算机、工作站；
7）各种调节阀；
8）电动机控制设备；
9）变频器；
10）直接数字控制器（DDC）等。
控制网络中可以使用中继器来扩展网络，使用网桥、网关来连接不同的局域网。
2.控制网络由集中式系统向双向全数字总线网络＋智能节点结构发展
控制网络由集中式控制结构向双向全数字总线网络+智能节点结构发展的过程如下：集中式系统是将许多无智能的远程节点（传感器和执行器）连接到一个中央控制器上的系统，如图1-1所示。当监控点数较多、系统规模较大时，中央控制器承受的负担太重，整个系统性能迅速下降，使用接入一级中间智能控制器的方法，将中央控制器的部分功能分散化，大幅度降低系统运行时中央控制器的负担，这样的系统如图1-2所示。再往后发展，控制网络主要采用了双向全数字数据通信总线，总线上挂接了智能传感器与执行器，网络上的各个节点彼此之间实现了互通信，并可以实现互操作，形成开放性很好的控制网络，如图1-3所示。随着控制系统的规模增大和复杂程度提高，以及大区域互联并具有优良的远程监控性能和大区域覆盖控制能力，不同的控制局域网可以通过网际协议（IP）网络来实现互联，形成控制网络的网际网结构，如图1-4所示。
图1-1 集中式控制结构
图1-2 中央控制器部分功能分散到下一级
图1-3 控制网络中挂接智能节点
图1-4 网际网结构
集中式系统并不适于分布式的用途，因为集中式系统的通信能力满足不了许多分布式应用的要求，在这种系统中，对每一个应用都要进行专门通信模块的设计和配置，这就导致出现封闭的专用系统和研发成本高。
3.DCS和现场总线控制系统
网络控制是通过一个高效能的通信网络将监控节点分布式地组织起来，并实现一定控制目的的控制技术，通过网络控制技术可以实现各种复杂和不同规模系统的控制。
传统的电气设备控制方式是通过一个单一回路对一个设备进行控制。各个不同设备的控制回路之间不能够交换数据或信息，每一个回路都是一个独立的控制域，即使现场有多台设备，则存在多个孤立的控制域；彼此基本上没有关联性。现场分布着许多受控设备和相应的控制系统形成许多离散而不能连通的控制域，使与整个控制系统对应的控制域变得复杂，实现特定功能的监控成本较高。
随着计算机技术、现代通信技术、计算机网络技术、现代控制技术的发展，计算机被引入控制系统，可以对现场传感器采集的任何数据或信息进行特定的处理操作，还可以对控制过程引入目标控制值，通过PID控制算法、其他的常规逻辑控制、关联控制、顺序控制、程序控制的算法以及其他高级控制算法，进行较为精细的控制，通过执行机构完成特定的控制功能。这种控制方式属于集中式数字控制。集中式数字控制系统的结构还是较为简单，并直接面向控制对象，但没有一个通信网络架构将整个控制的核心单元纳入到一个高效能的网络体系中。
尽管将计算机引入控制系统使得一些高级控制算法得以实现，但是随着生产过程控制的复杂化、被控对象的数量增加，需要进行集中控制的物理回路数量大幅增加，整个控制系统的实时性、可靠性得不到保证。同时，系统的复杂性导致系统的支持软件系统相应变得复杂化，升级工作难度也大为提高。
后来出现了第二代计算机控制系统——DCS（集散控制系统），DCS的特点是“集中管理，分散控制”。DCS中，现场设备之间相互通信必须经过主机，这样一来整个系统的效率就会降低，如果主机发生故障，整个系统无法继续工作；DCS中，许多现场仪表仍然使用传统的4～20mA电流模拟信号，数字化处理难度大；DCS的开放性并不好。集中式控制结构就是DCS。
现场总线（是用于生产现场的设备或现场仪表互联的数据通信网络，是一种全数字化、双向全分散、可实现现场设备和仪表互通信、互操作、开放式的通信网络。现场总线控制系统（FCS）将控制功能继续向现场底层方向迁移，克服了DCS中的中央管理工作站（主机）负担过重和现场仪表及控制器之间无法实现互通信的缺点，大大提高了控制系统的效能。
现有的不同现场总线标准种类较多，各自独立并不兼容，且各有自己的优势和适用范围，用户选用哪种现场总线技术本身有一定的难度。在实际的工业应用中，大量地存在这样一种情况：控制系统中有多种现场总线同时存在，如果要求将工控系统和管理域的数据信息网络进行无缝集成，实现管理控制一体化，对应地会使系统功能组态复杂化。还有现场总线技术在本质安全方面和数据传输速率方面都存在明显不足。
随着以太网技术的深入发展以及将以太网技术引入工控领域，其技术优势非常明显，以至于业界将现场总线视为传统的控制网络，而将以太网中的工业以太网和实时以太网作为现代控制网络。
1.1.2 控制网络的主要特点
1.控制网络通信的实时性与可靠性
控制网络（工业控制网络）中，数据传输的实时性与被控系统响应具有很好的实时性和可靠性是其基本属性，也是对通过控制网络组织的控制系统最基本的要求。
控制网络能够很好地支持实时数据信息的通信。实时性是指在网络通信过程中，能够实时采集过程参数，实时对采集到的数据信息进行计算及相关处理，并迅速反馈给系统而完成过程控制，满足过程控制对控制系统的响应时间的要求，响应具有完全的确定性。控制网络在处理定时事件和随机事件时，可以按照指定的策略依顺序进行实时处理。
一般来讲，控制网络通信过程中的数据信息量不是很大，多为简短的小数据量的测控指令，因此控制网络的数据传输速率一般不是很高，如传输速率一般不高于1Mbit／s，但实时响应时间要求较高，为0.01～0.5s。控制网络当然应具备一定的鲁棒性。
2.采用同一通信协议时不同网络产品具有很好的兼容性
控制网络种类较多，主要的区别是彼此之间采用不同的通信协议和标准，一般情况下，只要采用了相同的通信协议或标准，不同厂商生产的相同的网络核心产品及组件能够互换互用、互连互通，控制网络构建的控制系统具有很好的开放性。换言之，既能够实现互通信，并在互通信的基础上实现互操作。因此，各制造商的产品要通过相应的一致性测试及互操作性测试，并通过专门的测试认证。
3.网络通信具有极高的可靠性
控制网络必须连续运行，如果出现中断和故障都会导致控制系统的瘫痪，直接造成重大的生产损失及设备和人员损失，甚至出现安全事故。所以控制网络的通信过程及网络本身必须具有极高的可靠性，如要求过程数据信息和操作指令数据信息实现零丢包率。
通信的高可靠性表现在以下3个方面：
1）网络设备质量优良。网络自身不易发生故障，平均故障间隔时间长，网络本身具备优良和有效的差错控制技术。
2）容错能力强。网络系统局部单元出现故障时，不会导致整个控制系统的不正常工作。
3）可维护性好。故障发生后，能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复。网络本身具有很强的自诊断能力，且能迅速排除故障。
4.优良的适应恶劣环境的能力
控制网络能够在恶劣的生产现场环境下，保证数据通信有很高的可靠性。恶劣的生产现场环境包括：环境温度与湿度变化范围大和变化剧烈；空气质量很差，空间中粉尘污染严重；振动干扰源多且强度大；电磁干扰严重等。控制网络设备必须能够耐振动、适合在大温差环境下工作；耐腐蚀、防尘、防水能力强；电磁环境适应性强以及电磁兼容性好等。因此，控制网络设备需要经过严格的设计和测试。
5.具备很高的网络安全性
控制网络构建的控制系统负责重要的生产过程和设备的控制及管理，网络系统的安全也至关重要，抵御恶意的非法入侵、保证监控信息安全的特定流向，都是网络应具备的基本属性。