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上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司教授級(jí)高級(jí)工程師、PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席彭瑜教授

毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)場(chǎng)層在工業(yè)通信中最為特殊，連接的設(shè)備數(shù)量最多，連接的信號(hào)形形色色。從工業(yè)數(shù)字通信發(fā)展的歷史看，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始研究，到大規(guī)模投入應(yīng)用幾乎花了二十年的時(shí)間，形成的局面卻是幾十種互不兼容的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)在爭(zhēng)奪市場(chǎng)，列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158中就有二十余種。于是為了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成和互操作還需要專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)像FDT、EDDL這樣的規(guī)范，使控制系統(tǒng)在需要集成多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)/工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)能夠支持相互間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)只有接受這樣的現(xiàn)實(shí)，沒(méi)有別的選擇。

2018年OPC基金會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)層高調(diào)宣稱(chēng)，OPC UA將在Pub/Sub機(jī)制的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)延伸至現(xiàn)場(chǎng)層，把設(shè)備I/O、運(yùn)動(dòng)控制、安全等要求的通信全部納入，成為一種從云到現(xiàn)場(chǎng)通信的互操作平臺(tái)（見(jiàn)下圖）。這招致全球工業(yè)界一片叫好聲。在基金會(huì)公布的路線(xiàn)圖中，2019~2020年重點(diǎn)的任務(wù)是：解決OPC UA通信的確定性（將UA的Pub/Sub的傳輸映射到TSN中）以及解決流程工業(yè)和工廠(chǎng)自動(dòng)化要求的現(xiàn)場(chǎng)通信。為此還專(zhuān)門(mén)成立了現(xiàn)場(chǎng)通信指導(dǎo)委員會(huì)（Field Level Communication Steering，F(xiàn)LC），參加委員會(huì)的包括各主要工業(yè)自動(dòng)化的廠(chǎng)商。

實(shí)際的進(jìn)展如何呢？在2019年將近年底的時(shí)候，德國(guó)一本專(zhuān)業(yè)的工業(yè)通信雜志刊登了曾擔(dān)任EtherCAT技術(shù)開(kāi)發(fā)組織執(zhí)行主任17年的Martin Rostan先生撰寫(xiě)的文章，詰問(wèn)“現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束了嗎？”他指出，到目前為止OPC UA只能支持控制器之間的通信，從控制器到現(xiàn)場(chǎng)的通信還要依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)/工業(yè)以太網(wǎng)。倍福和庫(kù)卡一直持這樣的立場(chǎng)，西門(mén)子、羅克韋爾自動(dòng)化和三菱電機(jī)自動(dòng)化也主張相同的路徑。他絕對(duì)不能想象這些公司會(huì)把他們的系統(tǒng)架構(gòu)倒置，把他們的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)PROFINET、EtherNet/IP和CC-Link IE作為犧牲放置在FLC的祭壇上。他還說(shuō)，OPC TSN的方法基于7個(gè)IEEE 802.1的標(biāo)準(zhǔn)，由此又產(chǎn)生了7個(gè)附加的標(biāo)準(zhǔn)，僅僅IEEE 802.1Q這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就有2000頁(yè)。如果OPC UA延伸到現(xiàn)場(chǎng)通信，那么將來(lái)所有的有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品在測(cè)試時(shí)都要符合這7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。相比起來(lái)，現(xiàn)在的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)要精益的多。言下之意是即使在技術(shù)上可行，但測(cè)試成本居高不下，產(chǎn)品也很難在市場(chǎng)上推廣。

我們知道把以太網(wǎng)單對(duì)雙絞線(xiàn)電纜延伸到現(xiàn)場(chǎng)層始于2011年汽車(chē)工業(yè)的推動(dòng)。接著在流程行業(yè)中，在幾個(gè)最終用戶(hù)組織的催促鼓動(dòng)下，由若干個(gè)解決方案供應(yīng)商組成的小組開(kāi)始了技術(shù)研究，目標(biāo)是研發(fā)一種以太網(wǎng)先進(jìn)物理層，既能適用于所有工業(yè)通信協(xié)議，又可解決長(zhǎng)距離傳送，并可用于化工、石化等工業(yè)的易爆易燃的危險(xiǎn)區(qū)。經(jīng)過(guò)5年的研究證實(shí)了這一解決方案的可行性。接著在2018年，在FieldComm組織聯(lián)合ODVA、PI等組織的推動(dòng)下，西門(mén)子、ABB、羅克韋爾自動(dòng)化、橫河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等一些儀表供應(yīng)商和其他相關(guān)的廠(chǎng)商，組織了一個(gè)將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)劃，推動(dòng)了制定工業(yè)級(jí)的基于IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。其首要目的是將現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)傳感器/執(zhí)行器及各種現(xiàn)場(chǎng)儀表和儀表裝置與基于IP的互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)接。目前進(jìn)度是2019年IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)已經(jīng)正式批準(zhǔn)，接下來(lái)的工作重心轉(zhuǎn)移到IEC，要在2020年和2021年完成在危險(xiǎn)區(qū)防護(hù)方法等標(biāo)準(zhǔn)和一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)在2022年即可投入使用。實(shí)際上德國(guó)P+F等公司已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的樣機(jī)和系統(tǒng)，就等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布和進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間構(gòu)筑這一技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)正在形成，囊括了從標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)部署的電纜和接插件，到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的試制到測(cè)試規(guī)范等，最終到在各行各業(yè)中應(yīng)用，所有有關(guān)的項(xiàng)目都在緊鑼密鼓地進(jìn)行中。

上述兩項(xiàng)與現(xiàn)場(chǎng)層通信相關(guān)的重要技術(shù)，在OSI 7層模型中后者是物理層，前者為應(yīng)用層，都是為了適應(yīng)智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的急迫需求在迅速發(fā)展中。不過(guò)從工作的進(jìn)展和有效性來(lái)說(shuō)，OPC UA over TSN延伸到現(xiàn)場(chǎng)顯然還差火候，還需要做許多的工作。特別是如果不能找到技術(shù)的可行性和未來(lái)相關(guān)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，其市場(chǎng)前景還是難以預(yù)料的。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年5月刊