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現場總線、工業以太網到信息控制一體化
http://www.moduwu.com 2007-04-29 17:24 來源：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
隨著IT技術的迅速發展，工業自動化系統的不斷完善，使得當前從事自動化技術的專業人員面臨著一個問題：是否剛剛進入中國的現場總線技術將會被以太網技術所代替？是否Ethernet技術就是現場總線的未來呢？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協議的本身已能滿足了現場總線通訊的要求，而且由于以太網技術的成熟和普及帶來的制造成本的降低以及協議本身的標準化,使得采用以太網技術的場合越來越多。TCP/IP的協議已能在各種計算機操作系統上運行。因此以太網技術進入工業控制領域已成為當今搞控制系統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真正成為帶有分散型智能化的網絡控制，從而一種新型的具有信息控制一體化的現代控制系統正在形成. 但是要解決以太網的TCP/IP協議用在控制系統的通訊問題，必須了解什么是控制系統通訊的要求。
1. 控制系統通訊的基本要求
對現有存在的工業通訊系統進行分析，可以看到目前在通信工業上用的通訊方法（如ATM技術）無疑可以用于工業控制系統，但是其系統復雜，而且昂貴。另一些系統雖然比較經濟，但是又不能滿足工業控制系統提出的全部要求（如Ethernet技術）。那么用于控制系統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，以保證控制系統的高度安全性。
c)為了實現分散性控制系統，系統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)管理信息與生產現場控制的通訊必須簡單、方便地進行。協議的轉換必須直接明了。
2. 現場總線和工業以太網
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,一種工業通信技術發展非常迅速, 目前有兩種模式.。
(1)以現場總線為代表的工業通信技術, 它是針對工業控制系統通信需求的特點,專門開發的通信方法, IEC61158就是專門為此制訂的通信標準.
(2)基于以太網技術的工業通信方法, 它是對現有的以太網技術進行改進和完善而形成,目前成為工業控制系統通信技術的一個亮點
這兩種工業通信方法進入控制系統有前有后, 現場總線在工業生產實踐中以得到了很廣泛的應用,充分體現了其在控制系統現場層的數據傳輸強大的優越性, 工業以太網以它的價格優勢,技術成熟,易于與控制系統管理層數據的傳送和集合,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別呢. 我們可以用下面的評估方法來分析：
圖1 .現場總線的特點 圖2 .工業以太網的特點
圖3 控制系統的金字塔模型
圖4 是PAC 系統的結構圖
1. 控制系統通訊的基本要求
對現有存在的工業通訊系統進行分析，可以看到目前在通信工業上用的通訊方法（如ATM技術）無疑可以用于工業控制系統，但是其系統復雜，而且昂貴。另一些系統雖然比較經濟，但是又不能滿足工業控制系統提出的全部要求（如Ethernet技術）。那么用于控制系統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，以保證控制系統的高度安全性。
c)為了實現分散性控制系統，系統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)管理信息與生產現場控制的通訊必須簡單、方便地進行。協議的轉換必須直接明了。
2. 現場總線和工業以太網
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,一種工業通信技術發展非常迅速, 目前有兩種模式.。
(1)以現場總線為代表的工業通信技術, 它是針對工業控制系統通信需求的特點,專門開發的通信方法, IEC61158就是專門為此制訂的通信標準.
(2)基于以太網技術的工業通信方法, 它是對現有的以太網技術進行改進和完善而形成,目前成為工業控制系統通信技術的一個亮點
這兩種工業通信方法進入控制系統有前有后, 現場總線在工業生產實踐中以得到了很廣泛的應用,充分體現了其在控制系統現場層的數據傳輸強大的優越性, 工業以太網以它的價格優勢,技術成熟,易于與控制系統管理層數據的傳送和集合,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別呢. 我們可以用下面的評估方法來分析：
圖1 .現場總線的特點 圖2 .工業以太網的特點
圖1、2分別表示了現場總線的特點和工業以太網的特點。由于現場總線是專門按照現場通訊的要求開發出來的，所以基本上滿足現場信息傳輸的實時性,使用方便,診斷功能強和經濟性的問題. 但是現場總線不能夠完成大數量的管理數據的傳輸.同時多采用主從控制的方法,不能容易地實現控制系統第4點的傳輸的要求. 而今天以太網是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的快速以太網和千兆以太網也得到了發展。TCP/IP協議不斷普及化，使得幾乎所有的操作系統都可以采用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量信息的特點正好補充了現場總線的不足。完全滿足了現場生產管理系統與OFFICE系統的通訊要求. 但是工業以太網采用CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測)的網絡技術,不具備數據傳輸實時性和確定性的功能,大大限制了這種技術在現場層數據交換的應用.,如果要將以太網TCP/IP直接用于現場總線的通訊則需要進行相應的改革。如采用具有優先權的以太網網絡，采用IP地址管理程序等的傳輸方法。. 因此 工業以太網能否取代現場總線技術成為統一的工業網絡標準的預測是最艱難的事；現場總線是專為工業現場層設備通信設計，是為自動化量體裁衣的技術。以太網設計初衷是辦公網，用于數據處理。從技術比較出發似乎很容易得出結論。但技術發展受社會政治、經濟影響，市場因素很大程度左右技術走向。目前工業以太網在工廠自動化車間監控層及管理層將成為主要應用技術，特別是采用TCP/IP協議可與互連網Internet連接。在現場層，在沒有嚴格的時間要求條件下，以太網也可以有部分市場。在以太網能夠真正解決實時性和確定性問題之后，現場層也會選用工業以太網的技術。總之,按照目前控制系統金字塔的模型,工業以太網在自動化控制系統的應用應該區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 企業管理的結合,與互連網Internet技術結合，成為未來可能的制造業電子商務技術、網絡制造技術雛形。另一個方面，即以太網在工業控制現場層的應用,也會成為甚至取代現有的現場總線技術成為統一的工業網絡標準. 這些問題實為目前自動化行業專家們爭論的熱點.
圖3 控制系統的金字塔模型
如果Ethernet通信協議TCP/IP與現場總線技術能有機地結合起來，將會對現代工業自動化控制系統的發展產生重大的影響。其中基于WEB的TCP/IP管理（Web-based-Management簡稱WBM）用于現場總線通訊使得現場總線可以方便地與Internet技術連接起來。
3. 實現信息控制一體化的控制系統.
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通信需要的現場總線和工業以太網的工業通信技術,使的控制系統數字化,網絡化和智能化成為可能. 目前工業自動化控制系統的網絡結構發展越來越分散化，同時系統越來越復雜，內部的連接越來越高速化緊密化。更多的是系統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。而目前的控制系統金字塔的模型已不適合系統拓撲結構的分散化需求。
從傳感器到主控制器，數據的傳輸必須經過控制層的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中任意其它的一個控制器進行數據通訊是不可能的。無論是單一的主從式還是令牌總線式結構系統，在這兩種系統中，實時高速的數據傳輸不能達到，更不必談及編程開發與維護了。最困難的是組合的垂直與水平的數據通訊。例如: 控制器A從與控制器B相連的遠程I/O獲得數據，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，而數據交換僅以一定的速度進行。每個控制器管理一束獨立的數據，全球的數據不存在。上面的闡述說明傳統經典的控制技術已不適合控制系統的發展。即使是像工業PC, OPC和以太網技術，只要它們被鑲嵌在傳統的系統結構中，也只能是對系統的功能作些邊緣性的提高。傳統的PLC編程語言已不能適合現行的控制系統的要求，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(PAC)的概念也不斷的引起重視. 那么什么是PAC系統呢?
1)在一個開發平臺上只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數和控制功能的中央數據庫
軟件工具能夠同時開發,調試和安裝多個機械設備和系統單元
2)這種開放的模塊式的結構是面向生產應用的.從工廠中的機械設計一直到系統設備的企業部門
3)支持事實上的網絡接口和語言(比方. TCP/IP, OPC, XML 和 SQL), 使得各種生產廠家在聯網系統中的數據交換成為可能
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。
3. 實現信息控制一體化的控制系統.
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通信需要的現場總線和工業以太網的工業通信技術,使的控制系統數字化,網絡化和智能化成為可能. 目前工業自動化控制系統的網絡結構發展越來越分散化，同時系統越來越復雜，內部的連接越來越高速化緊密化。更多的是系統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。而目前的控制系統金字塔的模型已不適合系統拓撲結構的分散化需求。
從傳感器到主控制器，數據的傳輸必須經過控制層的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中任意其它的一個控制器進行數據通訊是不可能的。無論是單一的主從式還是令牌總線式結構系統，在這兩種系統中，實時高速的數據傳輸不能達到，更不必談及編程開發與維護了。最困難的是組合的垂直與水平的數據通訊。例如: 控制器A從與控制器B相連的遠程I/O獲得數據，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，而數據交換僅以一定的速度進行。每個控制器管理一束獨立的數據，全球的數據不存在。上面的闡述說明傳統經典的控制技術已不適合控制系統的發展。即使是像工業PC, OPC和以太網技術，只要它們被鑲嵌在傳統的系統結構中，也只能是對系統的功能作些邊緣性的提高。傳統的PLC編程語言已不能適合現行的控制系統的要求，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(PAC)的概念也不斷的引起重視. 那么什么是PAC系統呢?
1)在一個開發平臺上只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數和控制功能的中央數據庫
軟件工具能夠同時開發,調試和安裝多個機械設備和系統單元
2)這種開放的模塊式的結構是面向生產應用的.從工廠中的機械設計一直到系統設備的企業部門
3)支持事實上的網絡接口和語言(比方. TCP/IP, OPC, XML 和 SQL), 使得各種生產廠家在聯網系統中的數據交換成為可能
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 系統的結構圖
PAC系統集合了PLC,DCS,MC系統的優點, 不僅將多個控制系統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系,特別是行業專家們的溝通和交流,從而將系統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這個目標. 一個新型的自動化控制系統的機構PAC 正是走向這個夢想的第一步.
4. 信息控制一體化是工業自動控制發展的必然趨勢
在上世紀70年代初,日本提出了”機電一體化”(Mechatronics)的概念, 它將機電產品的五大類: 機械部分,傳感器,執行器,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的迅猛發展. 使的日本在短短的數年已成為機械制造的強國. 今天,隨著IT ,計算機的高速發展, 一場新的工業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控制系統傳輸的實時性和確定性的問題. 很難想象,如果在控制系統中, 管理層在不能及時,正確地得到現場實時數據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的發展還是太慢, 跟不上其它行業,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.我們應該抓住工業自動控制系統的核心技術，利用我國計算機技術比較強的優點，開發新型的控制器，并以此為基礎，開發工業的實時操作系統．完成信息控制一體化的系統, 與此同時,推出我們的現場總線以及適用于工業環境工作的以太網網絡．短期的幾年內，我們的工業自動化控制水平一定將會進入世界的先進行列．
4. 信息控制一體化是工業自動控制發展的必然趨勢
在上世紀70年代初,日本提出了”機電一體化”(Mechatronics)的概念, 它將機電產品的五大類: 機械部分,傳感器,執行器,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的迅猛發展. 使的日本在短短的數年已成為機械制造的強國. 今天,隨著IT ,計算機的高速發展, 一場新的工業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控制系統傳輸的實時性和確定性的問題. 很難想象,如果在控制系統中, 管理層在不能及時,正確地得到現場實時數據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的發展還是太慢, 跟不上其它行業,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.我們應該抓住工業自動控制系統的核心技術，利用我國計算機技術比較強的優點，開發新型的控制器，并以此為基礎，開發工業的實時操作系統．完成信息控制一體化的系統, 與此同時,推出我們的現場總線以及適用于工業環境工作的以太網網絡．短期的幾年內，我們的工業自動化控制水平一定將會進入世界的先進行列．
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