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――羅克韋爾自動化控制系統核心理念解析

孫軍凱

1  引言

    當今，現場總線技術和產品正處于一個方興未艾的時期。各種現場總線技術層出不窮，而基于現場總線的所謂現場總線控制系統FCS也正日益成為業界討論的熱點。各大主流廠商也都在不遺余力地推廣自己所推崇的總線技術，咨詢機構、行業用戶在選擇適合自己行業應用的解決方案時也不可避免地面臨這種“亂花漸欲迷人眼”的局面。那么，什么是這種現象背后的巨大的驅動力量？用戶又如何區分，做出適合自己應用需求的選擇呢？本文力圖從分析現場總線技術中的一些基本概念出發，來闡述羅克韋爾自動化公司的開放現場總線體系NetLinx的核心理念，并說明其在集成架構（Integrated Architecture）中的地位和作用，以及這一開創性架構能夠為行業用戶帶來的價值。

2  現場總線技術發展的核心驅動力

    傳統的自動化技術今天正面臨著前所未有的挑戰。國際知名研究機構Forrester Research在2000年針對50家全球運作的企業的調查結果顯示，在回答“什么是你全球經營最大的問題”時，38％的企業將“工廠生產缺乏透明度”列為第一位，其次分別是“需求預測的不準確性”（36％）和“缺乏溝通和交流”（24％）。很顯然，企業所反應出來的主要問題都與有效獲取生產過程中的相關信息有關。人們自然的估計是，這至少與企業內部生產控制中的網絡系統，主要是現場總線技術的應用水平有關。今天，你很難預期一個在生產系統上尚處于“設備孤島”階段的企業達到高效率的數據共享。
    不過嚴格說來，生產數據在企業內部以及企業成員單位之間的有效共享，則應當是依賴于一個涵蓋了控制平臺、網絡通訊、以可視化為代表的數據共享機制的完整的自動化基礎設施，即所謂的集成架構（Integrated Architecture）。但是勿庸置疑，現場總線技術在其中發揮著十分重要的作用。大家在隨后的例子中就會發現，現場總線的基本理念，會滲透到控制系統設計中，并給整個系統的性能帶來很大的不同。

3  現場總線網絡服務解析

    盡管總線產品的類型多種多樣，但是歸根到底必須要根據總線自身的特點，結合到具體控制系統，結合到具體的行業和應用要求，實現特定的功能。撇開各種總線的具體的技術規范，考慮這樣的一個問題：今天，人們究竟在利用現場總線實現什么樣的功能？事實上，總線的應用不外乎如下幾種情況：
  連接網絡I/O，
  連接智能現場設備，
  上位監控HMI，
  底層設備診斷，
  網絡瀏覽、設備定位，
  程序上載、下載，
  系統和設備組態。
    實際上，所有這些功能都可以用三個“C”來概括，即Control（實時控制）、Collect（數據采集）和Configure（系統組態）。
    Control：典型的包括遠程I/O控制、智能型設備如變頻器實時網絡控制、控制器之間通過網絡實現的互鎖功能等。典型特點是：數據成組，數據塊大小有限但是強調快速、可重復、確定性的通訊。典型地開關量信號5~10毫秒、模擬量40~200毫秒刷新等。某些通過實時總線連接的就地操作員（EOI）站也可歸為這一類通訊。
Collect：通過網絡完成的數據采集和發送。如上位HMI完成數據采集和監視控制（SCADA），同時也包括系統診斷信息的提取等。典型特點是數據通訊量大，要求周期性或者應系統需要實現通訊，典型刷新時間500~1 000毫秒。
    Configure：通過網絡完成就地和遠程設備以及系統的設置、組態，程序的上載、下載等任務，包括提供路由支持，實現網絡設備的定位或者狀態瀏覽功能。典型特點是通訊任務為人為型、突發型，數據傳送量非常大（最新的控制器程序大小多為幾百K甚至數兆字節），任務完成時間從幾十秒到數分鐘甚至更長的時間。

4  傳統現場總線解決方案的局限性

    事實上，上述三個“C”恰好可以完整描述人們對工業網絡典型的功能要求。而且通常這三種功能是從頂層到底層，隨時隨地、貫穿始終的。很難想象，底層豐富的診斷數據如果不能方便地在整個網絡架構中提取和共享，這種診斷的實際意義有多大。但是很顯然，這三種網絡功能（Services）在數據傳送量、實時性要求、發生特性上都有著極大的區別，甚至可以說將其融合在一根總線上存在本質上的沖突和矛盾。如何解決這一矛盾？我們的問題是：
    (1)  是否可以通過提高總線波特率解決這些矛盾？
    (2)  三層網絡本身存在縱向集成問題，如何跨越不同的網絡層次完整集成這些功能？
    (3)  是否可以使用某種代理（Proxy）或者網關來實現這些功能？
    (4)  什么是真正可行的解決方案？
    是否可以通過提高網絡波特率解決這些問題呢？答案是否定的。其根本原因在于，影響網絡吞吐量（Throughput）的三個要素中，除了波特率，還包括協議的效率和通訊的模式。用以太網（典型1 500字節長）去處理位元（bit）信息顯然效率不高。其實核心的要素是網絡通訊模式對網絡帶寬的使用效率和不同網絡服務的優先級處理問題。畢竟，網絡波特率即便大幅提升，終究有一定限制，是有限的資源。
此外，如何跨越不同層次的網絡實現集成的通訊服務？現在大家普遍認同的一點，就是典型的三層網絡結構，即信息層、控制層、設備層。如何實現從信息層到底層工業設備的透明訪問？傳統的控制系統很難實現這一要求，其原因在于：
    (1)  三層網絡沒有通用的路由服務支持，必須借助于控制器或者網關設備完成不同層次之間的信息傳遞；
    (2)  傳統的主從模式的網絡是基于輪詢或者主從掃描方式工作的，控制器必須要占用其寶貴的處理能力來管理通訊，同時用戶必須調用相應的功能塊，或編寫特定的路由表來完成通訊的任務。這樣不僅加重了處理器的負荷，影響系統實時控制性能，而且非專業人員很難達到底層的深度透明訪問。這也就是傳統系統只能提供有限診斷，甚至網絡的瀏覽也只能限定在靜態訪問的原因。

    5  NetLinx解決方案核心技術分析

    羅克韋爾自動化則基于用戶需求，創新性地解決了這些問題，從而使網絡通訊和數據共享提升到了一個全新的境界。其中的關鍵技術包括：
    (1)  采用創新的、效率和實時性更高的Producer/Consumer（生產者/消費者）模式來取代傳統的主從Source/Destination（源/目的）模式。開放現場總線技術EtherNet/IP（IEEE 802.3）、ControlNet（IEC61158，EN50170）、DeviceNet（IEC62026，EN 50325，中國國標 GB/T 1858.3）、FF（IEC61158，EN50173）都是采用生產者/消費者技術的典型代表。羅克韋爾自動化現場總線體系結構就構筑在這些開放總線產品的基礎之上，如圖1所示。 

圖1  羅克韋爾自動化開放現場總線結構示意圖

    (2)  各層總線采用同一個應用層協議CIP（Common Industrial Protocol，通用工業協議，又稱“控制與信息協議”），其結構如圖2所示。CIP協議的控制部分用以進行實時I/O數據傳送和互鎖。信息處理部分用以進行報文信息的交換，如對等的通訊、報警、組態、操作員顯示站以及故障診斷等。CIP 協議突出網絡效率，可在同一介質上實現實時控制、設備組態以及數據采集等工作（完美集成三個“C”的功能），而這一切即便在今天，在其它的通訊系統中仍是不可想象的。另外，CIP是一個與介質無關的技術，這使得人們未來在其他的底層通訊技術之上很容易加載這種通訊協議。

 圖2  基于CIP協議的開放現場總線體系示意圖

    (3)  創新的控制系統設計。羅克韋爾自動化全新集成控制和通訊平臺ControlLogix系統創新性地將Producer/Consumer技術引入到其底板ControlBus的設計中，構造了獨特的透明底板技術，即在任何一點，以任何方式（點對點串口、以太網、ControlNet、撥號網絡、無線接入等）只要接入系統，就可以訪問到從頂層（以太網）到底層（DeviceNet網絡）的任何一點、任何一臺設備完整的控制、組態和診斷信息，即完整的通訊功能實現，而且所有這一切無需處理器參與，無需任何編程，而且對系統正常的實時控制不會造成任何影響，可以具體到控制系統模塊中的每一個點，深入到車間現場任何一臺智能總線設備，實現完全動態、實時的、完整的信息訪問。圖3給出了一個全透明系統訪問的實例，即一個實際的飲料生產企業，過程處理、包裝和倉儲管理子系統通過以太網相連。現在工程師在中控室打開RSLinx網絡通訊軟件，即可透明訪問到系統中任何一個節點設備，包括現場連接在DeviceNet網絡上的伺服控制器、I/O、變頻器等所有設備，可以方便地實現包括系統診斷、組態、控制調節等完整的網絡功能。大大提高了系統調試、運行和維護的效率。
    (4)  利用羅克韋爾軟件強大的軟件實力，采用創新的FacktoryTalk技術，通過公共的數據名空間（NameSpace），方便地在整個企業的范圍內共享實時、診斷信息等數據，同時提供成熟的實時數據庫和企業關系型數據庫事務管理軟件RSSQL，在企業生產管理層面提供模塊化的MES（制造業執行系統）軟件，完成從生產排程管理，設備效率分析，物料跟蹤，批次處理到流程仿真等全過程的生產管理，并且能夠和企業ERP系統方便地接口，真正實現企業范圍內的完整數據共享方案。 

圖3  基于Logix和NetLinx的全透明系統訪問

6  集成架構的優勢

    從前邊的分析即可看出，現場總線技術對控制系統的影響不僅限于改變了系統拓撲的面貌，而且在更深入的層面上影響著控制系統的性能，甚至其設計理念。更為重要的是，總線體系不會在一夜之間形成，更不會在短時間內改變，而作為控制系統基礎的現場總線技術一定會在更為深遠、更為長期的意義上影響著控制系統的性能與發展。羅克韋爾自動化從1994年發明并公開化DeviceNet技術開始，將其對先進現場總線技術的深刻理解貫徹到整個現場總線技術體系中，并創造性地運用到其集成控制平臺Logix技術上，造就了獨一無二的集成架構技術（Integrated Architecture）和優越的系統性能。
    高效率透明三層網絡體系NetLinx技術提供了從互聯網到車間底層透明貫通的完整的數據通訊功能，結合創新的透明底板技術，系統網絡同一層次之間，跨越不同層次，任何一點接入，都可以實現無縫、透明的數據訪問，用戶可以自如地對系統任何一個節點設備隨時隨地進行實時控制、數據采集、系統組態和遠程診斷。而且網絡性能可設定、可預知、可確保、可調節。
    同時，配合FactoryTalk企業實時數據交換技術，系統內的實時數據可以在企業內部一次定義，即可高效共享，為控制、診斷等實時數據在企業范圍內的透明共享奠定了基礎。成熟的數據庫事務管理軟件在實時數據庫和關系型數據庫之間搭起了一座可靠的橋梁，為使用模塊化的MES系統RSBizWare套件，以及和ERP系統之間接口，提供了成熟、可靠、開放化的解決方案。
    由此看來，NetLinx、FactoryTalk，RSSQL三者在不同層面上環環相扣，構造了一個工廠和企業數據從底到頂，無縫集成，結構開放、方便透明的一個企業數據訪問基礎架構，完成了現代企業內部縱向的集成，解決了工廠生產不透明地問題，使得企業在競爭中易于建立基礎優勢。
    同時，在橫向層面上，羅克韋爾自動化創造性地將這種集成理念貫穿到其新一代控制平臺Logix系統的設計中，用同一個操作內核，統一的開發軟件（Logix5000），覆蓋了順序控制（傳統PLC）、過程控制（傳統DCS）、批次處理（傳統DCS）、傳動控制、運動控制（配合集成驅動技術Kinetix）、安全控制（SIL2 ESD系統等），完成了控制平臺的橫向集成，在系統設計、項目實施、運行維護、人員培訓、系統集成、備件支持等環節上，都可以大大減少用戶成本，也因此被自動化技術領先研究機構ARC譽為面向下一代的PAC（Programmable Automation Controller，可編程自動化控制器）系統的典范。更為重要的是，羅克韋爾自動化今天已經基本完成了Logix技術的整合，是成熟的PAC系統技術。而且Logix系統的規模完全可伸縮，跨越從幾十點到數萬點的系統，滿足用戶不同控制應用和預算的需求。
    與此相適應，羅克韋爾自動化在界面技術方面進一步整合，推出了全新可視化技術ViewAnyWare，即使用一個開發軟件RSView Studio，可以完成企業級（RSView SE監控版）到車間級（RSView ME機器版）的組態，實現畫面、標簽的重用互換，并針對Logix平臺開發了直接標簽引用（Direct Tag Referencing）技術，使得HMI系統可以直接引用Logix控制器中的標簽而無需繁雜的導入過程，并且和控制器中的標簽同步變化，避免了頻繁更改可能帶來的錯誤。 

圖4  基于現場總線技術的集成架構

    綜上所述，Logix/Kinetix、NetLinx、ViewAnyWare、FactoryTalk、RSBizWare，從橫向到縱向，構成了一個緊密集成、結構清晰而又開放化的基于現場總線技術的集成架構（如圖4所示），在性能、綜合成本、成熟性方面都存在巨大的優勢，必將為自動化系統帶來嶄新的面貌。