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1  自動化技術發展的新需求

    的控制系統主要有四層結構：第一層I/O層（傳感器和執行器），完成物理量的測量和控制命令的執行；第二層控制器層，完成信息的集中處理；第三層人機接口層；第四層企業信息系統層;除在第三層、第四層之間采用以太網外，其他層都是專用網絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統維護、升級帶來不便。隨著現代生產的規模的擴大，要求對企業的各種信息（如生產過程信息、銷售信息、財務信息以及重點設備實時監控信息）及時全面的了解，這就要求把過程控制網絡、實時操作網絡和工廠信息網絡融為一體，構成統一的網絡平臺。另一方面，希望控制系統采用開放性、標準化，流行的硬件、操作系統、網絡技術，盡可能使用各種計算機技術，有效地減少對專用產品的依賴，減少備品備件的數量，降低運行、維護成本。因此，“開放系統”、“現場總線”成為在現代測控領域頻繁出現的兩個詞。

2  現場總線控制系統的發展狀況

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

    ①系統的開放性；

    ②互可操作性與可用性；

    ③現場設備的智能化與功能自治性；

    ④系統結構的高度分散性；

    ⑤對現場環境的適應性。FCS不僅需要控制系統設備制造商的支持，更主要的是得到分散在現場的傳感器及執行設備的支持，以取代DCS的數字/模擬混合技術成為全數字式系統。這樣的系統才會比DCS有更大的技術、成本優勢。經過20年的發展，共產生了60多個數字通信網絡標準以連接傳感器、現場設備及控制級網絡，有5000多種支持這些網絡的產品。因此，迫切需要一個統一的標準。統一的現場總線標準是開放的現場總線控制系統必備的技術條件。但當今的現場總線(Fieldbus)出現了群雄割據的狀況，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。這些現場總線各有特色，各有其發展背景。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，現場總線網絡至今還無法妥協出一個共同國際標準。不同的總線產品無法實現互連、互換、通一組態以及互操作。

    歷史的經驗告訴我們，一個新的標準或產品僅僅技術上先進是不夠的，例如MAP協議，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，現場總線設備只能作為傳統DCS的有益補充，在短期內是無法取代DCS的。

3  以太網技術的迅猛發展

    70年代出現的以太網主要應用于辦公自動化(OA)領域，從實時控制要求來看，以太網有許多缺點，其中最重要的是以太網采用CSMA/CD協議是一種非確定性(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產品。國際半導體協會SEMI所訂定半導體設備標準通訊協議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)。而美國一家專業自動化公司SISCO也將MAP應用層通訊協議MMS (Manufacturing Message Specification)改建立在Ethernet TCP/IP之上。更隨著Internet、家庭網絡、信息家電等的快速發展，包括辦公室自動化(OA)、工廠自動化(FA)、大樓自動化(BA)、社區自動化(CA)以及家庭自動化(HA)，上至通訊網路，下至各類現場設備，TCP/IP網絡將一統天下。

4 以太網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通訊協議所具備的非確定性。傳統的以太網結構使用總線將各個節點連在一起，允許同時將數據發送到網上，這樣就發生了沖撞，必須采用重發機制以達到相對高的成功率。這種機制導致非確定性，而控制系統需要確定性。以太網技術的發展增強了其通信的確定性，首先，在網絡拓撲結構上，采用星形連接及交換式Hub，交換式Hub提供數據緩沖及具有確定接收數據的網段智能，使數據沖撞及重發機會最小化；其次，快速以太網的發展及網絡冗余技術使以太網更適應于實時應用；并且改進的通信協議克服了TCP/IP協議中的緩沖器滿再發送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。

(2)  穩定性

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

(3)  通用性 

    TCP／IP是一套定義各計算機如何通過網絡進行通訊的協議。TCP傳輸控制協議對應于ISO／OSI模型中的傳輸層，負責將數據消息分組成將被IP層傳輸的數據包，以及將從IP層接收的數據包重新組合為完整的消息并進行校驗的協議。TCP可提供在連至網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網際協議對應于ISO／OSI模型中的網絡層，負責將數據消息拆分為包，并將這些包從發送者按一定路徑傳輸到目的網絡或站點，然后在目的地將包重新組合成原始的數據消息。TCP／IP是目前所實現的最成功的網絡協議，是Internet互連網的基礎。對該通訊協議的支持內置于所有操作系統中。在數據鏈路中所用硬件對TCP／IP應用均是透明的。TCP／IP已經成為網絡(包括Internet)上進行數據傳輸的事實標準。具有TCP/IP接口的現場設備可以無需透過現場的計算機，直接連接Internet，實現遠程監控(Remote Control)或遠程維修(remote Diagnostics)的功能。

(4)  未來趨勢

    nternet/Intranet的發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。因此現正在發展電話線的Home PNA、無線、紅外以及電力載波等組網技術。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據，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議，即TCP/IP

5  TCP/IP 以太網在工廠中的應用

(1)  基于Ethernet控制系統

    傳統的控制器是由主CPU和子模塊通過內部的系統總線連接在一起。最近，德國JETTER AG公司推出了全新的控制系統JetWeb。它是融現場總線技術、100M以太網技術、PLC技術、可視化人機接口技術和全球化生產管理技術為一體的工業自動化控制系統。在JetWeb中，以太網是控制器的一部分并作為連接智能控制模塊的系統總線；內部和外部的數據通訊在此沒有區別，網絡就是控制器。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議的集成，確保了以太網的確定性和兼容性，排除了通訊的碰撞問題。以太網系統總線就是現場總線，可連接到每個獨立的控制模塊。整個過程或系統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。所有數據在網絡中僅表達1次，網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網。

(2)  Ethernet I/O

    以前，人們在做工業控制系統的設計時，總是用一些專用的控制設備來完成對現場設備的控制，然后再用一上位機和HMI軟件做監控；若需要將現場的設備狀態反映在企業的管理級網絡中，則將上位機連入企業網內。異地查看設備運行狀態也必須通過Internet、企業網，以及與現場控制器緊密相連的控制系統的I/O服務器取數據。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，對外提供以太網通訊接口，可以直接掛在Intranet或Internet網上，直接將現場數據提交到企業的本地或異地的管理網上。

(3)  基于TCP/IP數字視頻系統

    對于重要的設備/場合需要進行視頻監控的場合，以往的做法是通過NTSC/PAL模擬信號送至中央監控室，100個監控點需拉100根同軸電纜。再通過視頻卡數字化和視頻服務器實現視頻圖象在網上傳播。現在，臺灣上尚公司推出了基于TCP/IP全數字化攝像機，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據集成在一幅監控畫面中。

6  結語

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