隨著IT技術的迅速發(fā)展,工業(yè)自動化系統(tǒng)的不斷完善,使得當前從事自動化技術的專業(yè)人員面臨著一個問題:是否剛剛進入中國的現(xiàn)場總線技術將會被以太網(wǎng)技術所代替?是否Ethernet技術就是現(xiàn)場總線的未來呢?目前為止,我們對于這個問題還不能給予一個簡單的回答,但是通過采用以太網(wǎng)技術將會帶來自動化技術領域中的新的革新,這一事實將是不容置疑的。其原因并不是因為Ethernet-TCP/IP協(xié)議的本身已能滿足了現(xiàn)場總線通訊的要求,而且由于以太網(wǎng)技術的成熟和普及帶來的制造成本的降低以及協(xié)議本身的標準化,使得采用以太網(wǎng)技術的場合越來越多。TCP/IP的協(xié)議已能在各種計算機操作系統(tǒng)上運行。因此以太網(wǎng)技術進入工業(yè)控制領域已成為當今搞控制系統(tǒng)的工程師一個重要的課題。采用Internet的技術將會使目前所謂集中型自動化系統(tǒng)真正成為帶有分散型智能化的網(wǎng)絡控制,從而一種新型的具有信息控制一體化的現(xiàn)代控制系統(tǒng)正在形成. 但是要解決以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議用在控制系統(tǒng)的通訊問題,必須了解什么是控制系統(tǒng)通訊的要求。
1. 控制系統(tǒng)通訊的基本要求
對現(xiàn)有存在的工業(yè)通訊系統(tǒng)進行分析,可以看到目前在通信工業(yè)上用的通訊方法(如ATM技術)無疑可以用于工業(yè)控制系統(tǒng),但是其系統(tǒng)復雜,而且昂貴。另一些系統(tǒng)雖然比較經(jīng)濟,但是又不能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)提出的全部要求(如Ethernet技術)。那么用于控制系統(tǒng)的通訊技術究竟必須滿足怎么樣的要求呢?一般可以用四點話來概括。
a)對于過程外部設備的信號必須能夠迅速和簡單地進行采集,同時采集的方法必須具有便于操作和恒定、確定的采樣周期的特點。
b)必須能夠傳輸現(xiàn)場安全信號,及時地避免和防止傷害人體安全的誤動作,以保證控制系統(tǒng)的高度安全性。
c)為了實現(xiàn)分散性控制系統(tǒng),系統(tǒng)的各驅動單元不僅能獨立工作,而且能非常精確的同步工作。
d)管理信息與生產(chǎn)現(xiàn)場控制的通訊必須簡單、方便地進行。協(xié)議的轉換必須直接明了。
2. 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)
為了滿足以上四個基本要求, 近二十多年來, 越來越多的先進的通信方法進入了控制領域,一種工業(yè)通信技術發(fā)展非常迅速, 目前有兩種模式.。
(1)以現(xiàn)場總線為代表的工業(yè)通信技術, 它是針對工業(yè)控制系統(tǒng)通信需求的特點,專門開發(fā)的通信方法, IEC61158就是專門為此制訂的通信標準.
(2)基于以太網(wǎng)技術的工業(yè)通信方法, 它是對現(xiàn)有的以太網(wǎng)技術進行改進和完善而形成,目前成為工業(yè)控制系統(tǒng)通信技術的一個亮點
這兩種工業(yè)通信方法進入控制系統(tǒng)有前有后, 現(xiàn)場總線在工業(yè)生產(chǎn)實踐中以得到了很廣泛的應用,充分體現(xiàn)了其在控制系統(tǒng)現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)傳輸強大的優(yōu)越性, 工業(yè)以太網(wǎng)以它的價格優(yōu)勢,技術成熟,易于與控制系統(tǒng)管理層數(shù)據(jù)的傳送和集合,也越來越多得到了人們的重視. 但是這兩者之間到底有什么區(qū)別呢. 我們可以用下面的評估方法來分析:

圖1 .現(xiàn)場總線的特點 圖2 .工業(yè)以太網(wǎng)的特點
圖1、2分別表示了現(xiàn)場總線的特點和工業(yè)以太網(wǎng)的特點。由于現(xiàn)場總線是專門按照現(xiàn)場通訊的要求開發(fā)出來的,所以基本上滿足現(xiàn)場信息傳輸?shù)膶崟r性,使用方便,診斷功能強和經(jīng)濟性的問題. 但是現(xiàn)場總線不能夠完成大數(shù)量的管理數(shù)據(jù)的傳輸.同時多采用主從控制的方法,不能容易地實現(xiàn)控制系統(tǒng)第4點的傳輸?shù)囊? 而今天以太網(wǎng)是IEEE802.3的國際標準,已在全世界得到了最廣泛的應用。同時,采用IEEE802.3E和IEEE802.3Z的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)也得到了發(fā)展。TCP/IP協(xié)議不斷普及化,使得幾乎所有的操作系統(tǒng)都可以采用TCP/IP方法,它的多主站、通用性,同時能夠通過采用不同速率來傳輸大數(shù)量信息的特點正好補充了現(xiàn)場總線的不足。完全滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)管理系統(tǒng)與OFFICE系統(tǒng)的通訊要求. 但是工業(yè)以太網(wǎng)采用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)的網(wǎng)絡技術,不具備數(shù)據(jù)傳輸實時性和確定性的功能,大大限制了這種技術在現(xiàn)場層數(shù)據(jù)交換的應用.,如果要將以太網(wǎng)TCP/IP直接用于現(xiàn)場總線的通訊則需要進行相應的改革。如采用具有優(yōu)先權的以太網(wǎng)網(wǎng)絡,采用IP地址管理程序等的傳輸方法。. 因此 工業(yè)以太網(wǎng)能否取代現(xiàn)場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡標準的預測是最艱難的事;現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場層設備通信設計,是為自動化量體裁衣的技術。以太網(wǎng)設計初衷是辦公網(wǎng),用于數(shù)據(jù)處理。從技術比較出發(fā)似乎很容易得出結論。但技術發(fā)展受社會政治、經(jīng)濟影響,市場因素很大程度左右技術走向。目前工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動化車間監(jiān)控層及管理層將成為主要應用技術,特別是采用TCP/IP協(xié)議可與互連網(wǎng)Internet連接。在現(xiàn)場層,在沒有嚴格的時間要求條件下,以太網(wǎng)也可以有部分市場。在以太網(wǎng)能夠真正解決實時性和確定性問題之后,現(xiàn)場層也會選用工業(yè)以太網(wǎng)的技術??傊?按照目前控制系統(tǒng)金字塔的模型,工業(yè)以太網(wǎng)在自動化控制系統(tǒng)的應用應該區(qū)分為兩個層面的問題,。一是在管理層:工廠自動化技術與IT技術結合,與ERP, MES 企業(yè)管理的結合,與互連網(wǎng)Internet技術結合,成為未來可能的制造業(yè)電子商務技術、網(wǎng)絡制造技術雛形。另一個方面,即以太網(wǎng)在工業(yè)控制現(xiàn)場層的應用,也會成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡標準. 這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點.

圖3 控制系統(tǒng)的金字塔模型
如果Ethernet通信協(xié)議TCP/IP與現(xiàn)場總線技術能有機地結合起來,將會對現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。其中基于WEB的TCP/IP管理(Web-based-Management簡稱WBM)用于現(xiàn)場總線通訊使得現(xiàn)場總線可以方便地與Internet技術連接起來。
3. 實現(xiàn)信息控制一體化的控制系統(tǒng).
由此可見, 通過對通信技術拓撲結構的簡化,形成了能滿足控制系統(tǒng)通信需要的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術,使的控制系統(tǒng)數(shù)字化,網(wǎng)絡化和智能化成為可能. 目前工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構發(fā)展越來越分散化,同時系統(tǒng)越來越復雜,內(nèi)部的連接越來越高速化緊密化。更多的是系統(tǒng)細分成了獨立的控制孤島。對驅動器和用戶接口的需求越來越多。而目前的控制系統(tǒng)金字塔的模型已不適合系統(tǒng)拓撲結構的分散化需求。
從傳感器到主控制器,數(shù)據(jù)的傳輸必須經(jīng)過控制層的CPU和驅動軟件,其結果是傳輸速度低,缺乏透明度,軟件和維護費用高。任何時候一個控制器與系統(tǒng)中任意其它的一個控制器進行數(shù)據(jù)通訊是不可能的。無論是單一的主從式還是令牌總線式結構系統(tǒng),在這兩種系統(tǒng)中,實時高速的數(shù)據(jù)傳輸不能達到,更不必談及編程開發(fā)與維護了。最困難的是組合的垂直與水平的數(shù)據(jù)通訊。例如: 控制器A從與控制器B相連的遠程I/O獲得數(shù)據(jù),通常這對于實時通訊的控制幾乎是不可能的。對于若干個控制器的集成,通常沒有一個廣泛的邏輯上的實體單元。所有控制器孤島獨立的運行,而數(shù)據(jù)交換僅以一定的速度進行。每個控制器管理一束獨立的數(shù)據(jù),全球的數(shù)據(jù)不存在。上面的闡述說明傳統(tǒng)經(jīng)典的控制技術已不適合控制系統(tǒng)的發(fā)展。即使是像工業(yè)PC, OPC和以太網(wǎng)技術,只要它們被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結構中,也只能是對系統(tǒng)的功能作些邊緣性的提高。傳統(tǒng)的PLC編程語言已不能適合現(xiàn)行的控制系統(tǒng)的要求,其結果是對軟件需求的增長。
在這種情況下,控制系統(tǒng)中控制層的改革也提到了議事日程, 所謂的可編控制器控制系統(tǒng)(PAC)的概念也不斷的引起重視. 那么什么是PAC系統(tǒng)呢?
1)在一個開發(fā)平臺上只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數(shù)和控制功能的中央數(shù)據(jù)庫
軟件工具能夠同時開發(fā),調(diào)試和安裝多個機械設備和系統(tǒng)單元
2)這種開放的模塊式的結構是面向生產(chǎn)應用的.從工廠中的機械設計一直到系統(tǒng)設備的企業(yè)部門
3)支持事實上的網(wǎng)絡接口和語言(比方. TCP/IP, OPC, XML 和 SQL), 使得各種生產(chǎn)廠家在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換成為可能
4)PAC的集成平臺既可以是基于PLC的硬件平臺也可以是基于PC的軟件平臺。

圖4 是PAC 系統(tǒng)的結構圖
PAC系統(tǒng)集合了PLC,DCS,MC系統(tǒng)的優(yōu)點, 不僅將多個控制系統(tǒng)的元素集中在一個平臺上,同時更多地考慮與應用者之間的聯(lián)系,特別是行業(yè)專家們的溝通和交流,從而將系統(tǒng)集成時間減少到最小.當然目前集成化將化成零的設想還是一個夢想,但是我們自動控制領域的工程師們一直在努力地去實現(xiàn)這個目標. 一個新型的自動化控制系統(tǒng)的機構PAC 正是走向這個夢想的第一步.
4. 信息控制一體化是工業(yè)自動控制發(fā)展的必然趨勢
在上世紀70年代初,日本提出了”機電一體化”(Mechatronics)的概念, 它將機電產(chǎn)品的五大類: 機械部分,傳感器,執(zhí)行器,計算機以及動力部分有機地集合成一體, 從而對機電工程師的思維方式起了一場革新,甚至已影響了生活的各個領域. 同時,由于日本提出了這個新的概念也大大推動了日本國的工業(yè)的迅猛發(fā)展. 使的日本在短短的數(shù)年已成為機械制造的強國. 今天,隨著IT ,計算機的高速發(fā)展, 一場新的工業(yè)自動化控制技術的革新迫在眼前, 曾幾何時,我們也提出了所謂的”管控一體化” 的非常好的概念, 但是,它僅僅偏重于控制層和管理層之間的信息問題,而忽略了如何提高工業(yè)控制系統(tǒng)傳輸?shù)膶崟r性和確定性的問題. 很難想象,如果在控制系統(tǒng)中, 管理層在不能及時,正確地得到現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的時候如何作出正確的判斷. 因此,如果說, 機電一體化 是機械工程師提出的概念, ”管控一體化” 是IT工程師提出的概念,那么, 今天, 我們自動控制工程師提出了信息控制一體化的概念. 目前,我們中國的自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展還是太慢, 跟不上其它行業(yè),如. 而 信息控制一體化的提出正是我們趕超國際先進水平的一個有力的跳板.我們應該抓住工業(yè)自動控制系統(tǒng)的核心技術,利用我國計算機技術比較強的優(yōu)點,開發(fā)新型的控制器,并以此為基礎,開發(fā)工業(yè)的實時操作系統(tǒng).完成信息控制一體化的系統(tǒng), 與此同時,推出我們的現(xiàn)場總線以及適用于工業(yè)環(huán)境工作的以太網(wǎng)網(wǎng)絡.短期的幾年內(nèi),我們的工業(yè)自動化控制水平一定將會進入世界的先進行列.