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羅 安
現場總線作為控制工程界和儀表自動化界的新一代技術，已有多年的發展歷史。目前除了看到越來越多的廠家推出了一個又一個新系統、新產品外，對于人們所期待的開放性，即多廠家產品可以互連、互通、互操作方面仍然沒有看到突破性的進展。當然，目前有不少廠家推出了可以將多種現場總線連接在一起的網關類產品，但這只能解決不同現場總線之間的信息互通問題，遠未達到可互操作的程度。而且，依靠網關實現轉換，對于使用者來說還不是很方便的，從用戶的角度看，用轉換器或網關連接不同的產品，肯定不如直接連接更方便，更能保證功能和性能。造成這種情況的根本原因，不是因為現場總線的產品太多了，而是由于現場總線的標準太多了。多個標準的存在阻礙了開放性目標的實現，而開放性又是影響現場總線技術得到廣泛應用并推動儀表數字化進程的關鍵因素。
在歷史上，測量與控制有一個從單個設備到構成系統的質變過程，實現這種質變的關鍵因素是通信。在儀表控制時代，是4~20mA這樣的信號傳輸技術使單個的儀表控制設備連結在一起形成了儀表控制系統，而在計算機控制時代，則是計算機局域網使集中控制變成了分布控制。由于通信是一種將多臺單個設備連接在一起的技術，因此它的最重要特性就是標準，也就是說，凡是要互連在一起的設備，必須遵循統一的通信規約，采用一樣的通信設備，接在同樣的物理線路之上，才能夠實現通信功能。因此，任何通信設備的開發都是從標準的制定開始的。當然，為了開發通信產品而制定的標準，一般都是廠家自己制定的，是圍繞該廠家自有的技術和產品而制定的各種內部規范。而不論哪個廠家，開發出產品都是為了擴大應用，打開市場，在這個時期，標準又成了拓展市場提高競爭力的有力工具。
產品的標準有兩類，一類是規定產品外部特性和對外接口的，這類標準在產品推向市場時就必須向社會公布，因為這是用戶檢驗、使用相應設備時必須依據的文本。還有一類標準涉及產品的內部構造、內部技術規范、各組成部分之間的連接關系等，這類標準一般是企業的內部標準，并沒有必要向社會公開，它只是企業在進行產品生產時作為形成生產工藝的依據，屬企業自己的技術知識產權。對于后一類標準，絕大多數企業是作為技術知識產權嚴加保護的，但也有例外，其中最典型的例子就是IBM PC技術規范的公開。在IBM將其個人計算機的技術規范公開之后，計算機這個20世紀最偉大的發明就從神秘的實驗室走進了辦公室和普通人的家庭，其市場需求量產生了爆炸式的增長。IBM此舉不僅沒有損害自己的商業利益，相反，由于市場需求的激增，PC成了IBM的新的產業支柱，而且由PC數量的激增又帶來了許多新興產業。當然，在這種開放的環境中，IBM將面對多個廠家的競爭，在這個市場上將不再存在壟斷利潤，要在PC業務上有所發展，只能通過自身競爭力的提高才能實現。比較起來，在計算機產業中，小市場中的壟斷利潤并不比大市場中的競爭利潤來得更大，因此，PC技術規范的開放是IBM利用開放標準擴大產業的一個成功案例。
為什么PC技術標準的公開會造成該產品需求量的爆炸式增長？這是應該認真研究的。首先，從技術上PC的體系結構適應了市場的需求，當時已有不少公司推出了基于微處理器的各種個人電腦產品，例如著名的蘋果電腦，由于各家的個人電腦都沒有足夠大的銷量，因此成本都相當高，這自然阻礙了個人電腦需求量的增長，而需求量上不去，產品的成本就下不來。這形成了一個死循環，而IBM決定公開其PC標準，就成了打破這個死循環的關鍵之舉。PC技術標準的公開使得很多中小電子制造企業加入到了PC機部件的制造者行列，很多沒有能力設計整機的公司，可以根據標準生產PC機的板卡部件，而利用標準的板卡和部件，可以很容易地組裝成整機。這樣，生產的批量上去了，產品的價格壓下來了，同時也促使更多的人購買、使用PC機，原來的死循環變成了良性循環。因此PC機的市場猛增，把其它機種遠遠地甩在了后面。
這里有兩個關鍵點必須強調。第一是PC機的開放標準規范了硬件的生產，而且這個標準是唯一的。電子產品硬件的生產涉及到很多生產設備、生產工藝、原材料等環節，這些必須用一個唯一的標準去規范，才能夠進行規模化的批量生產，而用統一的標準生產的產品越多，批量越大、單件產品的成本就越低。可以設想一下，當初在IBM公開其PC機技術標準的同時，如果蘋果公司也同時公布蘋果機的技術標準，那么個人電腦的市場將會如何發展呢？結果不好預測。第二是PC機的開放標準是有限的，即該標準只涉及到PC機的硬件規范，其實最主要的就是PC總線的規范，當然還有電氣連接、機械尺寸等規范。再上層的軟件則只規定了訪問硬件的接口，其余由軟件公司去自由發揮。因此在標準的PC硬件之上，可以有DOS、Windows、Solaris、各種UNIX、LINUX等等多種操作系統。而在應用軟件方面，則更多達成千上萬種。無疑，豐富的軟件是促進PC機大量應用的又一個關鍵因素。但是，軟件的極大豐富不是用軟件的有關標準規范出來的，相反，這是在統一的硬件標準之上通過自由發展而形成的。由于軟件是直接面向應用的產品，而應用的需求是千差萬別的，也是隨著時間的發展不斷發展變化的。我們不可能用標準去規定或固化應用，但應用的基礎平臺，即硬件應該是標準的。這樣針對不同應用開發出來的軟件才能有共同的平臺，才能夠在不同的應用之間實現信息的互通和共享。
可以用圖1表明不同的應用與基礎平臺之間的關系。假設有A、B、C三個應用，其中有一部分是各個應用都需要的共性部分，在邏輯上被表示為A&B&C，這個共性部分即為應用平臺，由硬件及固化的軟件組成。在圖1中，需要標準化的是平臺，即A&B&C，而其余部分則需要根據應用的需求自由發展。
圖1 多種應用與基礎平臺的關系
通過以上的論述，應該對當前在現場總線技術領域中出現的多標準局面有一個較明確的認識。在IEC的多個現場總線標準中，絕大多數都包含了OSI層次模型中的物理層、數據鏈路層和應用層等內容，有些標準還在應用層之上增加了更高層次用戶層。如果說OSI模型中的底層（指傳輸層以下各層，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層）是可以滿足各種不同應用需求的基礎網絡平臺，那么其高層，包括應用層和用戶層，就是與具體應用關系密切的部分。在同一個標準中將基礎平臺和應用捆綁在一起，將很難兼顧標準的普遍適用性和滿足不同應用的多樣性，必然要做出某種犧牲。事實上，多種現場總線即使都是IEC通過的標準，但也有其不同的最佳應用領域，如FF之流程控制領域、DeviceNet之邏輯控制領域等。這實際上局限了標準的適用性，人們不會設想在制造行業的控制系統中使用FF現場總線，也不會設想在化工廠等流程控制系統中選用SwiftNet。在IEC 61158的多種現場總線標準中，不乏相當好的技術，作為底層的網絡通信支撐平臺，可以有相當廣闊的應用領域。但是一旦與高層協議捆綁，就阻礙了它的廣泛應用。人們不能設想在ProfiBus的物理層、數據鏈路層的協議平臺上跑FF的應用層協議，也不能設想在FF的H1線路上跑DeviceNet的高層協議。而作為底層支撐平臺的產品，一般都是以硬件以及固化軟件形態出現的，這類產品若不具備最廣泛的普適性，必然達不到生產的經濟批量，這將導致產品的成本居高不下，反過來又阻礙了產品的應用數量。目前，多標準的現場總線就處在這樣一種難堪的局面當中。
從上面的討論中知道，作為標準，唯一性或統一性是極為重要的，有了唯一的、統一的標準，才有可能形成巨大的應用量，或達到產業規模。而統一標準形成的必要條件，就是標準要盡量簡單，需要遵循的規定要盡量少。實際上，越是復雜的標準，各種規定越是繁雜的標準，就越不容易得到廣泛的采用和遵循。在儀表行業，4~20mA標準正是由于其簡單明了，得到了各家儀表企業和用戶的廣泛認同，成為了儀表界的統一標準。在此標準之下，任何一個廠家的儀表都可以和另一廠家的儀表共存于一個應用系統中，其信號的交換不存在任何障礙。而在模擬信號走向數字信息之后，由于技術比過去復雜了，而且，數字化技術大大地擴展了系統的功能。因此，數字化儀表控制系統的標準必然比4~20mA這樣簡單的模擬信號標準要復雜得多。面對這樣復雜的情況，充分利用OSI參考模型，按照不同的功能層次制定不同的標準，并按OSI模型的層次來規范層次間的接口關系，應該是將復雜問題簡單化的好方法，而不是像現在這樣，推出多個互相獨立、互不兼容、功能層次完整的標準。
目前處于關注焦點的工業以太網技術極有可能成為打破現場總線多標準并存的不利局面的轉折點，但是應該特別引起注意的是，務必不要使工業以太網成為第九個或第十一個現場總線類型，成為又一個將底層數據通信支撐平臺和高層應用捆綁在一起的非常復雜的標準。這樣的標準注定是很難得到廣泛認同和采用的，對推動儀表數字化進程、形成數字化儀控產業將起不到什么作用。人們希望的是在傳輸層以下形成一個統一的標準，這個標準將以通用的以太網和IP、TCP/UDP為基礎，增加數據實時通信能力，在工業環境下運行的防護能力、網絡供電能力、網絡冗余能力、防爆措施和與通用信息網段互連等各項與工業應用相關的規范。在應用層面，可以提供一個標準的接口或框架，在數據格式中預留大量的可根據應用需求定義的字段。至于具體的應用，完全可以根據需求去擴展，這完全是可以用軟件解決的問題，而在底層的基礎實現了統一標準后，應用軟件是不怕多的，越豐富越好，它必定對現場總線技術起到極大的推進作用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號