隨著IT技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化系統(tǒng)的不斷完善，使得當(dāng)前從事自動化技術(shù)的專業(yè)人員面臨著一個問題：是否剛剛進(jìn)入中國的現(xiàn)場總線技術(shù)將會被以太網(wǎng)技術(shù)所代替？是否Ethernet技術(shù)就是現(xiàn)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(wǎng)技術(shù)將會帶來自動化技術(shù)領(lǐng)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(xié)議的本身已能滿足了現(xiàn)場總線通訊的要求，而且由于以太網(wǎng)技術(shù)的成熟和普及帶來的制造成本的降低以及協(xié)議本身的標(biāo)準(zhǔn)化,使得采用以太網(wǎng)技術(shù)的場合越來越多。TCP/IP的協(xié)議已能在各種計算機(jī)操作系統(tǒng)上運行。因此以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域已成為當(dāng)今搞控制系統(tǒng)的工程師一個重要的課題。采用Internet的技術(shù)將會使目前所謂集中型自動化系統(tǒng)真正成為帶有分散型智能化的網(wǎng)絡(luò)控制，從而一種新型的具有信息控制一體化的現(xiàn)代控制系統(tǒng)正在形成. 但是要解決以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議用在控制系統(tǒng)的通訊問題，必須了解什么是控制系統(tǒng)通訊的要求。
1. 控制系統(tǒng)通訊的基本要求
對現(xiàn)有存在的工業(yè)通訊系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以看到目前在通信工業(yè)上用的通訊方法（如ATM技術(shù)）無疑可以用于工業(yè)控制系統(tǒng)，但是其系統(tǒng)復(fù)雜，而且昂貴。另一些系統(tǒng)雖然比較經(jīng)濟(jì)，但是又不能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)提出的全部要求（如Ethernet技術(shù)）。那么用于控制系統(tǒng)的通訊技術(shù)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(shè)備的信號必須能夠迅速和簡單地進(jìn)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(xiàn)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(tǒng)的高度安全性。
c)為了實現(xiàn)分散性控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的各驅(qū)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(chǎn)現(xiàn)場控制的通訊必須簡單、方便地進(jìn)行。協(xié)議的轉(zhuǎn)換必須直接明了。
2. 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)
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(jìn)的通信方法進(jìn)入了控制領(lǐng)域,一種工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展非常迅速, 目前有兩種模式.。
(1)以現(xiàn)場總線為代表的工業(yè)通信技術(shù), 它是針對工業(yè)控制系統(tǒng)通信需求的特點,專門開發(fā)的通信方法, IEC61158就是專門為此制訂的通信標(biāo)準(zhǔn).
(2)基于以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)通信方法, 它是對現(xiàn)有的以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善而形成,目前成為工業(yè)控制系統(tǒng)通信技術(shù)的一個亮點
這兩種工業(yè)通信方法進(jìn)入控制系統(tǒng)有前有后, 現(xiàn)場總線在工業(yè)生產(chǎn)實踐中以得到了很廣泛的應(yīng)用,充分體現(xiàn)了其在控制系統(tǒng)現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)傳輸強(qiáng)大的優(yōu)越性, 工業(yè)以太網(wǎng)以它的價格優(yōu)勢,技術(shù)成熟,易于與控制系統(tǒng)管理層數(shù)據(jù)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(qū)別呢. 我們可以用下面的評估方法來分析：
圖1 .現(xiàn)場總線的特點
圖2 .工業(yè)以太網(wǎng)的特點
圖1、2分別表示了現(xiàn)場總線的特點和工業(yè)以太網(wǎng)的特點。由于現(xiàn)場總線是專門按照現(xiàn)場通訊的要求開發(fā)出來的，所以基本上滿足現(xiàn)場信息傳輸?shù)膶崟r性,使用方便,診斷功能強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)性的問題. 但是現(xiàn)場總線不能夠完成大數(shù)量的管理數(shù)據(jù)的傳輸.同時多采用主從控制的方法,不能容易地實現(xiàn)控制系統(tǒng)第4點的傳輸?shù)囊? 而今天以太網(wǎng)是IEEE802.3的國際標(biāo)準(zhǔn)，已在全世界得到了最廣泛的應(yīng)用。同時，采用IEEE802.3E和IEEE802.3Z的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)也得到了發(fā)展。TCP/IP協(xié)議不斷普及化，使得幾乎所有的操作系統(tǒng)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(shù)量信息的特點正好補(bǔ)充了現(xiàn)場總線的不足。完全滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)管理系統(tǒng)與OFFICE系統(tǒng)的通訊要求. 但是工業(yè)以太網(wǎng)采用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),不具備數(shù)據(jù)傳輸實時性和確定性的功能,大大限制了這種技術(shù)在現(xiàn)場層數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用.,如果要將以太網(wǎng)TCP/IP直接用于現(xiàn)場總線的通訊則需要進(jìn)行相應(yīng)的改革。如采用具有優(yōu)先權(quán)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，采用IP地址管理程序等的傳輸方法。. 因此 工業(yè)以太網(wǎng)能否取代現(xiàn)場總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測是最艱難的事；現(xiàn)場總線是專為工業(yè)現(xiàn)場層設(shè)備通信設(shè)計，是為自動化量體裁衣的技術(shù)。以太網(wǎng)設(shè)計初衷是辦公網(wǎng)，用于數(shù)據(jù)處理。從技術(shù)比較出發(fā)似乎很容易得出結(jié)論。但技術(shù)發(fā)展受社會政治、經(jīng)濟(jì)影響，市場因素很大程度左右技術(shù)走向。目前工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動化車間監(jiān)控層及管理層將成為主要應(yīng)用技術(shù)，特別是采用TCP/IP協(xié)議可與互連網(wǎng)Internet連接。在現(xiàn)場層，在沒有嚴(yán)格的時間要求條件下，以太網(wǎng)也可以有部分市場。在以太網(wǎng)能夠真正解決實時性和確定性問題之后，現(xiàn)場層也會選用工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)。總之,按照目前控制系統(tǒng)金字塔的模型,工業(yè)以太網(wǎng)在自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)該區(qū)分為兩個層面的問題，。一是在管理層:工廠自動化技術(shù)與IT技術(shù)結(jié)合，與ERP, MES 企業(yè)管理的結(jié)合,與互連網(wǎng)Internet技術(shù)結(jié)合，成為未來可能的制造業(yè)電子商務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)雛形。另一個方面，即以太網(wǎng)在工業(yè)控制現(xiàn)場層的應(yīng)用,也會成為甚至取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn). 這些問題實為目前自動化行業(yè)專家們爭論的熱點.
圖3 控制系統(tǒng)的金字塔模型
如果Ethernet通信協(xié)議TCP/IP與現(xiàn)場總線技術(shù)能有機(jī)地結(jié)合起來，將會對現(xiàn)代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)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(xiàn)場總線通訊使得現(xiàn)場總線可以方便地與Internet技術(shù)連接起來。
3. 實現(xiàn)信息控制一體化的控制系統(tǒng).
由此可見, 通過對通信技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化,形成了能滿足控制系統(tǒng)通信需要的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術(shù),使的控制系統(tǒng)數(shù)字化,網(wǎng)絡(luò)化和智能化成為可能. 目前工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展越來越分散化，同時系統(tǒng)越來越復(fù)雜，內(nèi)部的連接越來越高速化緊密化。更多的是系統(tǒng)細(xì)分成了獨立的控制孤島。對驅(qū)動器和用戶接口的需求越來越多。而目前的控制系統(tǒng)金字塔的模型已不適合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分散化需求。
從傳感器到主控制器，數(shù)據(jù)的傳輸必須經(jīng)過控制層的CPU和驅(qū)動軟件，其結(jié)果是傳輸速度低，缺乏透明度，軟件和維護(hù)費用高。任何時候一個控制器與系統(tǒng)中任意其它的一個控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊是不可能的。無論是單一的主從式還是令牌總線式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在這兩種系統(tǒng)中，實時高速的數(shù)據(jù)傳輸不能達(dá)到，更不必談及編程開發(fā)與維護(hù)了。最困難的是組合的垂直與水平的數(shù)據(jù)通訊。例如: 控制器A從與控制器B相連的遠(yuǎn)程I/O獲得數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)交換僅以一定的速度進(jìn)行。每個控制器管理一束獨立的數(shù)據(jù)，全球的數(shù)據(jù)不存在。上面的闡述說明傳統(tǒng)經(jīng)典的控制技術(shù)已不適合控制系統(tǒng)的發(fā)展。即使是像工業(yè)PC, OPC和以太網(wǎng)技術(shù)，只要它們被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，也只能是對系統(tǒng)的功能作些邊緣性的提高。傳統(tǒng)的PLC編程語言已不能適合現(xiàn)行的控制系統(tǒng)的要求，其結(jié)果是對軟件需求的增長。
在這種情況下,控制系統(tǒng)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(tǒng)(PAC)的概念也不斷的引起重視. 那么什么是PAC系統(tǒng)呢?
1)在一個開發(fā)平臺上只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數(shù)和控制功能的中央數(shù)據(jù)庫
軟件工具能夠同時開發(fā),調(diào)試和安裝多個機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)單元
2)這種開放的模塊式的結(jié)構(gòu)是面向生產(chǎn)應(yīng)用的.從工廠中的機(jī)械設(shè)計一直到系統(tǒng)設(shè)備的企業(yè)部門
3)支持事實上的網(wǎng)絡(luò)接口和語言(比方. TCP/IP, OPC, XML 和 SQL), 使得各種生產(chǎn)廠家在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
PAC系統(tǒng)集合了PLC,DCS,MC系統(tǒng)的優(yōu)點, 不僅將多個控制系統(tǒng)的元素集中在一個平臺上,同時更多地考慮與應(yīng)用者之間的聯(lián)系,特別是行業(yè)專家們的溝通和交流,從而將系統(tǒng)集成時間減少到最小.當(dāng)然目前集成化將化成零的設(shè)想還是一個夢想,但是我們自動控制領(lǐng)域的工程師們一直在努力地去實現(xiàn)這個目標(biāo). 一個新型的自動化控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)PAC 正是走向這個夢想的第一步.
4. 信息控制一體化是工業(yè)自動控制發(fā)展的必然趨勢
在上世紀(jì)70年代初,日本提出了”機(jī)電一體化”(Mechatronics)的概念, 它將機(jī)電產(chǎn)品的五大類: 機(jī)械部分,傳感器,執(zhí)行器,計算機(jī)以及動力部分有機(jī)地集合成一體, 從而對機(jī)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(lǐng)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(yè)的迅猛發(fā)展. 使的日本在短短的數(shù)年已成為機(jī)械制造的強(qiáng)國. 今天,隨著IT ,計算機(jī)的高速發(fā)展, 一場新的工業(yè)自動化控制技術(shù)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(yè)控制系統(tǒng)傳輸?shù)膶崟r性和確定性的問題. 很難想象,如果在控制系統(tǒng)中, 管理層在不能及時,正確地得到現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的時候如何作出正確的判斷. 因此,如果說, 機(jī)電一體化 是機(jī)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(tǒng)的發(fā)展還是太慢, 跟不上其它行業(yè),如. 而 信息控制一體化的提出正是我們趕超國際先進(jìn)水平的一個有力的跳板.我們應(yīng)該抓住工業(yè)自動控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，利用我國計算機(jī)技術(shù)比較強(qiáng)的優(yōu)點，開發(fā)新型的控制器，并以此為基礎(chǔ)，開發(fā)工業(yè)的實時操作系統(tǒng)．完成信息控制一體化的系統(tǒng), 與此同時,推出我們的現(xiàn)場總線以及適用于工業(yè)環(huán)境工作的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)．短期的幾年內(nèi)，我們的工業(yè)自動化控制水平一定將會進(jìn)入世界的先進(jìn)行列．
