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1  自動化技術發(fā)展的新需求

    的控制系統(tǒng)主要有四層結構：第一層I/O層（傳感器和執(zhí)行器），完成物理量的測量和控制命令的執(zhí)行；第二層控制器層，完成信息的集中處理；第三層人機接口層；第四層企業(yè)信息系統(tǒng)層;除在第三層、第四層之間采用以太網(wǎng)外，其他層都是專用網(wǎng)絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護、升級帶來不便。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的規(guī)模的擴大，要求對企業(yè)的各種信息（如生產(chǎn)過程信息、銷售信息、財務信息以及重點設備實時監(jiān)控信息）及時全面的了解，這就要求把過程控制網(wǎng)絡、實時操作網(wǎng)絡和工廠信息網(wǎng)絡融為一體，構成統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺。另一方面，希望控制系統(tǒng)采用開放性、標準化，流行的硬件、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術，盡可能使用各種計算機技術，有效地減少對專用產(chǎn)品的依賴，減少備品備件的數(shù)量，降低運行、維護成本。因此，“開放系統(tǒng)”、“現(xiàn)場總線”成為在現(xiàn)代測控領域頻繁出現(xiàn)的兩個詞。

2  現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況

    S(Fieldbus Control System)是基于現(xiàn)場總線，根據(jù)IEC標準及現(xiàn)場總線基金會的定義，即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。FCS具有以下技術特點：

    ①系統(tǒng)的開放性；

    ②互可操作性與可用性；

    ③現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性；

    ④系統(tǒng)結構的高度分散性；

    ⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。FCS不僅需要控制系統(tǒng)設備制造商的支持，更主要的是得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設備的支持，以取代DCS的數(shù)字/模擬混合技術成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比DCS有更大的技術、成本優(yōu)勢。經(jīng)過20年的發(fā)展，共產(chǎn)生了60多個數(shù)字通信網(wǎng)絡標準以連接傳感器、現(xiàn)場設備及控制級網(wǎng)絡，有5000多種支持這些網(wǎng)絡的產(chǎn)品。因此，迫切需要一個統(tǒng)一的標準。統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準是開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必備的技術條件。但當今的現(xiàn)場總線(Fieldbus)出現(xiàn)了群雄割據(jù)的狀況，以歐洲為主要市場的有InterBus-S、Profibus、CANbus等，以美國為主要市場的有LonWorks、BitBus、DeviceNet，以及分散全球各地采用RS-485接口的雜牌軍。這些現(xiàn)場總線各有特色，各有其發(fā)展背景。因此，在市場上各有其專攻的市場及擁護者。由于受集團利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡至今還無法妥協(xié)出一個共同國際標準。不同的總線產(chǎn)品無法實現(xiàn)互連、互換、通一組態(tài)以及互操作。

    歷史的經(jīng)驗告訴我們，一個新的標準或產(chǎn)品僅僅技術上先進是不夠的，例如MAP協(xié)議，70年代，美國GM(General Motor)提出了MAP (Manufac-turing Automation Protocol)的架構，符合OSI之ISO標準，涵蓋了通信協(xié)議所有7個層次。從技術觀點看，MAP面面俱到無懈可擊，但在實際開發(fā)中，卻因復雜度、成本較高，至今一直無法被市場所接受。因此，現(xiàn)場總線設備只能作為傳統(tǒng)DCS的有益補充，在短期內是無法取代DCS的。

3  以太網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展

    70年代出現(xiàn)的以太網(wǎng)主要應用于辦公自動化(OA)領域，從實時控制要求來看，以太網(wǎng)有許多缺點，其中最重要的是以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議是一種非確定性(Non-Determinism)通訊方式，即如果大家同時爭搶總線控制權發(fā)送信息時。該方式無法保證將其中的重要信息及時送達到指定設備。但由于其技術完全公開，很快被大家接受，通過不斷改進、提升，市場占有率越來越大，而成本就越來越低，進而變成主流。即使IBM力推Token Ring架構也已難擋此潮流

    Ethernet也從OA領域逐漸擴展至FA領域。現(xiàn)在所有國際自動化廠商的控制器皆提供Ethernet TCP/IP接口，美國最大的測控儀器廠商National Instrument(NI)和OPTO22，最近也推出了Ethernet I/O產(chǎn)品。國際半導體協(xié)會SEMI所訂定半導體設備標準通訊協(xié)議SECS(SEMI Equipment Communication Standard) 也從RS-232實體層改建立在Ethernet TCP/IP之上，稱之為HSMS(High Speed Message Specification)。而美國一家專業(yè)自動化公司SISCO也將MAP應用層通訊協(xié)議MMS (Manufacturing Message Specification)改建立在Ethernet TCP/IP之上。更隨著Internet、家庭網(wǎng)絡、信息家電等的快速發(fā)展，包括辦公室自動化(OA)、工廠自動化(FA)、大樓自動化(BA)、社區(qū)自動化(CA)以及家庭自動化(HA)，上至通訊網(wǎng)路，下至各類現(xiàn)場設備，TCP/IP網(wǎng)絡將一統(tǒng)天下。

4 以太網(wǎng)應用于工廠自動化的可行性

(1)  實時性

    學術上Ethernet用于自動控制的致命弱點是CSMA/CD通訊協(xié)議所具備的非確定性。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結構使用總線將各個節(jié)點連在一起，允許同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，這樣就發(fā)生了沖撞，必須采用重發(fā)機制以達到相對高的成功率。這種機制導致非確定性，而控制系統(tǒng)需要確定性。以太網(wǎng)技術的發(fā)展增強了其通信的確定性，首先，在網(wǎng)絡拓撲結構上，采用星形連接及交換式Hub，交換式Hub提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機會最小化；其次，快速以太網(wǎng)的發(fā)展及網(wǎng)絡冗余技術使以太網(wǎng)更適應于實時應用；并且改進的通信協(xié)議克服了TCP/IP協(xié)議中的緩沖器滿再發(fā)送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。

(2)  穩(wěn)定性

    Ethernet介質從同軸電纜，至雙絞線，一直到光纖。尤其是光纖網(wǎng)絡已逐漸從電訊的主干網(wǎng)絡，延伸到終端設備，即所謂的光纖到桌面。光纖不受噪聲干擾，適合使用在實時監(jiān)控的高噪聲現(xiàn)場環(huán)境。另一方面，利用標準的SNMP網(wǎng)絡管理工具，可以有效地管理網(wǎng)絡。

(3)  通用性 

    TCP／IP是一套定義各計算機如何通過網(wǎng)絡進行通訊的協(xié)議。TCP傳輸控制協(xié)議對應于ISO／OSI模型中的傳輸層，負責將數(shù)據(jù)消息分組成將被IP層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，以及將從IP層接收的數(shù)據(jù)包重新組合為完整的消息并進行校驗的協(xié)議。TCP可提供在連至網(wǎng)絡上不同計算機上運行的進程間的可靠、面向連接的通訊。IP網(wǎng)際協(xié)議對應于ISO／OSI模型中的網(wǎng)絡層，負責將數(shù)據(jù)消息拆分為包，并將這些包從發(fā)送者按一定路徑傳輸?shù)侥康木W(wǎng)絡或站點，然后在目的地將包重新組合成原始的數(shù)據(jù)消息。TCP／IP是目前所實現(xiàn)的最成功的網(wǎng)絡協(xié)議，是Internet互連網(wǎng)的基礎。對該通訊協(xié)議的支持內置于所有操作系統(tǒng)中。在數(shù)據(jù)鏈路中所用硬件對TCP／IP應用均是透明的。TCP／IP已經(jīng)成為網(wǎng)絡(包括Internet)上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖聦崢藴省＞哂蠺CP/IP接口的現(xiàn)場設備可以無需透過現(xiàn)場的計算機，直接連接Internet，實現(xiàn)遠程監(jiān)控(Remote Control)或遠程維修(remote Diagnostics)的功能。

(4)  未來趨勢

    nternet/Intranet的發(fā)展趨勢已從辦公自動化(OA)、工廠自動化(FA)、樓宇自動化(BA)，正向家庭自動化(HA)領域擴展。在HA領域一個最大的困難便是布線。因此現(xiàn)正在發(fā)展電話線的Home PNA、無線、紅外以及電力載波等組網(wǎng)技術。而這些技術由于廣大市場的推動，技術快速提升，成本則相對下降，未來勢必在反向推動至BA、FA、OA領域。不久的將來，我們將可以看到工廠的現(xiàn)場，除了UTP/光纖的Ethernet外，還有許多需移動的設備皆采用無線方式或在電力線上傳輸數(shù)據(jù)，雖然傳輸介質不同，但可以肯定的是他們都采用同一通訊協(xié)議，即TCP/IP

5  TCP/IP 以太網(wǎng)在工廠中的應用

(1)  基于Ethernet控制系統(tǒng)

    傳統(tǒng)的控制器是由主CPU和子模塊通過內部的系統(tǒng)總線連接在一起。最近，德國JETTER AG公司推出了全新的控制系統(tǒng)JetWeb。它是融現(xiàn)場總線技術、100M以太網(wǎng)技術、PLC技術、可視化人機接口技術和全球化生產(chǎn)管理技術為一體的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。在JetWeb中，以太網(wǎng)是控制器的一部分并作為連接智能控制模塊的系統(tǒng)總線；內部和外部的數(shù)據(jù)通訊在此沒有區(qū)別，網(wǎng)絡就是控制器。集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間把內部通訊從外部通訊中分離開來。集線器技術及底層協(xié)議的集成，確保了以太網(wǎng)的確定性和兼容性，排除了通訊的碰撞問題。以太網(wǎng)系統(tǒng)總線就是現(xiàn)場總線，可連接到每個獨立的控制模塊。整個過程或系統(tǒng)被看作為一個邏輯單元，甚至是一個獨立的控制器。不需考慮網(wǎng)絡的各層概念，而只形成為一個層，去除了CPU的瓶頸效應。所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中僅表達1次，網(wǎng)絡扮演真正的服務器。從傳感器到Internet的通訊開放。從傳感器到管理層的直接通訊。與IT和Office辦公軟件兼容。可進行整個工廠的聯(lián)網(wǎng)。

(2)  Ethernet I/O

    以前，人們在做工業(yè)控制系統(tǒng)的設計時，總是用一些專用的控制設備來完成對現(xiàn)場設備的控制，然后再用一上位機和HMI軟件做監(jiān)控；若需要將現(xiàn)場的設備狀態(tài)反映在企業(yè)的管理級網(wǎng)絡中，則將上位機連入企業(yè)網(wǎng)內。異地查看設備運行狀態(tài)也必須通過Internet、企業(yè)網(wǎng)，以及與現(xiàn)場控制器緊密相連的控制系統(tǒng)的I/O服務器取數(shù)據(jù)。自從OPTO22公司推出Ethernet智能I/O模塊后，這一狀況得到了革命性的改變。利用OPTO22的Ethernet 智能板，配以各種各樣的I/O模塊，組成一個前端智能I/O系統(tǒng)，對外提供以太網(wǎng)通訊接口，可以直接掛在Intranet或Internet網(wǎng)上，直接將現(xiàn)場數(shù)據(jù)提交到企業(yè)的本地或異地的管理網(wǎng)上。

(3)  基于TCP/IP數(shù)字視頻系統(tǒng)

    對于重要的設備/場合需要進行視頻監(jiān)控的場合，以往的做法是通過NTSC/PAL模擬信號送至中央監(jiān)控室，100個監(jiān)控點需拉100根同軸電纜。再通過視頻卡數(shù)字化和視頻服務器實現(xiàn)視頻圖象在網(wǎng)上傳播。現(xiàn)在，臺灣上尚公司推出了基于TCP/IP全數(shù)字化攝像機，用戶通過Internet/Intranet可以直接操控攝像機或者將實時視頻圖像和過程數(shù)據(jù)集成在一幅監(jiān)控畫面中。

6  結語

    綜上所述，由于以太網(wǎng)技術充分考慮了今后的發(fā)展需要，具有高傳輸速率（目前到100Mbps），高傳輸安全性和可靠性，無需考慮網(wǎng)絡的拓撲結構，集線器的應用可不考慮網(wǎng)絡的擴展，集線器技術確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。因此，在所有的網(wǎng)絡中，TCP/IP以太網(wǎng)是至今最理想的選擇。