――羅克韋爾自動(dòng)化控制系統核心理念解析

孫軍凱

1  引言

    當今，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品正處于一個(gè)方興未艾的時(shí)期。各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)層出不窮，而基于現場(chǎng)總線(xiàn)的所謂現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS也正日益成為業(yè)界討論的熱點(diǎn)。各大主流廠(chǎng)商也都在不遺余力地推廣自己所推崇的總線(xiàn)技術(shù)，咨詢(xún)機構、行業(yè)用戶(hù)在選擇適合自己行業(yè)應用的解決方案時(shí)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(dòng)力量？用戶(hù)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)中的一些基本概念出發(fā)，來(lái)闡述羅克韋爾自動(dòng)化公司的開(kāi)放現場(chǎng)總線(xiàn)體系NetLinx的核心理念，并說(shuō)明其在集成架構（Integrated Architecture）中的地位和作用，以及這一開(kāi)創(chuàng )性架構能夠為行業(yè)用戶(hù)帶來(lái)的價(jià)值。

2  現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展的核心驅動(dòng)力

    傳統的自動(dòng)化技術(shù)今天正面臨著(zhù)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(yè)的調查結果顯示，在回答“什么是你全球經(jīng)營(yíng)最大的問(wèn)題”時(shí)，38％的企業(yè)將“工廠(chǎng)生產(chǎn)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(yè)所反應出來(lái)的主要問(wèn)題都與有效獲取生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)信息有關(guān)。人們自然的估計是，這至少與企業(yè)內部生產(chǎn)控制中的網(wǎng)絡(luò )系統，主要是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用水平有關(guān)。今天，你很難預期一個(gè)在生產(chǎn)系統上尚處于“設備孤島”階段的企業(yè)達到高效率的數據共享。
    不過(guò)嚴格說(shuō)來(lái)，生產(chǎn)數據在企業(yè)內部以及企業(yè)成員單位之間的有效共享，則應當是依賴(lài)于一個(gè)涵蓋了控制平臺、網(wǎng)絡(luò )通訊、以可視化為代表的數據共享機制的完整的自動(dòng)化基礎設施，即所謂的集成架構（Integrated Architecture）。但是勿庸置疑，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在其中發(fā)揮著(zhù)十分重要的作用。大家在隨后的例子中就會(huì )發(fā)現，現場(chǎng)總線(xiàn)的基本理念，會(huì )滲透到控制系統設計中，并給整個(gè)系統的性能帶來(lái)很大的不同。

3  現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)解析

    盡管總線(xiàn)產(chǎn)品的類(lèi)型多種多樣，但是歸根到底必須要根據總線(xiàn)自身的特點(diǎn)，結合到具體控制系統，結合到具體的行業(yè)和應用要求，實(shí)現特定的功能。撇開(kāi)各種總線(xiàn)的具體的技術(shù)規范，考慮這樣的一個(gè)問(wèn)題：今天，人們究竟在利用現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現什么樣的功能？事實(shí)上，總線(xiàn)的應用不外乎如下幾種情況：
  連接網(wǎng)絡(luò )I/O，
  連接智能現場(chǎng)設備，
  上位監控HMI，
  底層設備診斷，
  網(wǎng)絡(luò )瀏覽、設備定位，
  程序上載、下載，
  系統和設備組態(tài)。
    實(shí)際上，所有這些功能都可以用三個(gè)“C”來(lái)概括，即Control（實(shí)時(shí)控制）、Collect（數據采集）和Configure（系統組態(tài)）。
    Control：典型的包括遠程I/O控制、智能型設備如變頻器實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )控制、控制器之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的互鎖功能等。典型特點(diǎn)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(kāi)關(guān)量信號5~10毫秒、模擬量40~200毫秒刷新等。某些通過(guò)實(shí)時(shí)總線(xiàn)連接的就地操作員（EOI）站也可歸為這一類(lèi)通訊。
Collect：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )完成的數據采集和發(fā)送。如上位HMI完成數據采集和監視控制（SCADA），同時(shí)也包括系統診斷信息的提取等。典型特點(diǎn)是數據通訊量大，要求周期性或者應系統需要實(shí)現通訊，典型刷新時(shí)間500~1 000毫秒。
    Configure：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )完成就地和遠程設備以及系統的設置、組態(tài)，程序的上載、下載等任務(wù)，包括提供路由支持，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )設備的定位或者狀態(tài)瀏覽功能。典型特點(diǎn)是通訊任務(wù)為人為型、突發(fā)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(wù)完成時(shí)間從幾十秒到數分鐘甚至更長(cháng)的時(shí)間。

4  傳統現場(chǎng)總線(xiàn)解決方案的局限性

    事實(shí)上，上述三個(gè)“C”恰好可以完整描述人們對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò )架構中提取和共享，這種診斷的實(shí)際意義有多大。但是很顯然，這三種網(wǎng)絡(luò )功能（Services）在數據傳送量、實(shí)時(shí)性要求、發(fā)生特性上都有著(zhù)極大的區別，甚至可以說(shuō)將其融合在一根總線(xiàn)上存在本質(zhì)上的沖突和矛盾。如何解決這一矛盾？我們的問(wèn)題是：
    (1)  是否可以通過(guò)提高總線(xiàn)波特率解決這些矛盾？
    (2)  三層網(wǎng)絡(luò )本身存在縱向集成問(wèn)題，如何跨越不同的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現這些功能？
    (4)  什么是真正可行的解決方案？
    是否可以通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò )波特率解決這些問(wèn)題呢？答案是否定的。其根本原因在于，影響網(wǎng)絡(luò )吞吐量（Throughput）的三個(gè)要素中，除了波特率，還包括協(xié)議的效率和通訊的模式。用以太網(wǎng)（典型1 500字節長(cháng)）去處理位元（bit）信息顯然效率不高。其實(shí)核心的要素是網(wǎng)絡(luò )通訊模式對網(wǎng)絡(luò )帶寬的使用效率和不同網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的優(yōu)先級處理問(wèn)題。畢竟，網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )實(shí)現集成的通訊服務(wù)？現在大家普遍認同的一點(diǎn)，就是典型的三層網(wǎng)絡(luò )結構，即信息層、控制層、設備層。如何實(shí)現從信息層到底層工業(yè)設備的透明訪(fǎng)問(wèn)？傳統的控制系統很難實(shí)現這一要求，其原因在于：
    (1)  三層網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有通用的路由服務(wù)支持，必須借助于控制器或者網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò )是基于輪詢(xún)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(lái)管理通訊，同時(shí)用戶(hù)必須調用相應的功能塊，或編寫(xiě)特定的路由表來(lái)完成通訊的任務(wù)。這樣不僅加重了處理器的負荷，影響系統實(shí)時(shí)控制性能，而且非專(zhuān)業(yè)人員很難達到底層的深度透明訪(fǎng)問(wèn)。這也就是傳統系統只能提供有限診斷，甚至網(wǎng)絡(luò )的瀏覽也只能限定在靜態(tài)訪(fǎng)問(wèn)的原因。

    5  NetLinx解決方案核心技術(shù)分析

    羅克韋爾自動(dòng)化則基于用戶(hù)需求，創(chuàng )新性地解決了這些問(wèn)題，從而使網(wǎng)絡(luò )通訊和數據共享提升到了一個(gè)全新的境界。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：
    (1)  采用創(chuàng )新的、效率和實(shí)時(shí)性更高的Producer/Consumer（生產(chǎn)者/消費者）模式來(lái)取代傳統的主從Source/Destination（源/目的）模式。開(kāi)放現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)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(chǎn)者/消費者技術(shù)的典型代表。羅克韋爾自動(dòng)化現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構就構筑在這些開(kāi)放總線(xiàn)產(chǎn)品的基礎之上，如圖1所示。 

圖1  羅克韋爾自動(dòng)化開(kāi)放現場(chǎng)總線(xiàn)結構示意圖

    (2)  各層總線(xiàn)采用同一個(gè)應用層協(xié)議CIP（Common Industrial Protocol，通用工業(yè)協(xié)議，又稱(chēng)“控制與信息協(xié)議”），其結構如圖2所示。CIP協(xié)議的控制部分用以進(jìn)行實(shí)時(shí)I/O數據傳送和互鎖。信息處理部分用以進(jìn)行報文信息的交換，如對等的通訊、報警、組態(tài)、操作員顯示站以及故障診斷等。CIP 協(xié)議突出網(wǎng)絡(luò )效率，可在同一介質(zhì)上實(shí)現實(shí)時(shí)控制、設備組態(tài)以及數據采集等工作（完美集成三個(gè)“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(gè)與介質(zhì)無(wú)關(guān)的技術(shù)，這使得人們未來(lái)在其他的底層通訊技術(shù)之上很容易加載這種通訊協(xié)議。

 圖2  基于CIP協(xié)議的開(kāi)放現場(chǎng)總線(xiàn)體系示意圖

    (3)  創(chuàng )新的控制系統設計。羅克韋爾自動(dòng)化全新集成控制和通訊平臺ControlLogix系統創(chuàng )新性地將Producer/Consumer技術(shù)引入到其底板ControlBus的設計中，構造了獨特的透明底板技術(shù)，即在任何一點(diǎn)，以任何方式（點(diǎn)對點(diǎn)串口、以太網(wǎng)、ControlNet、撥號網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)接入等）只要接入系統，就可以訪(fǎng)問(wèn)到從頂層（以太網(wǎng)）到底層（DeviceNet網(wǎng)絡(luò )）的任何一點(diǎn)、任何一臺設備完整的控制、組態(tài)和診斷信息，即完整的通訊功能實(shí)現，而且所有這一切無(wú)需處理器參與，無(wú)需任何編程，而且對系統正常的實(shí)時(shí)控制不會(huì )造成任何影響，可以具體到控制系統模塊中的每一個(gè)點(diǎn)，深入到車(chē)間現場(chǎng)任何一臺智能總線(xiàn)設備，實(shí)現完全動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的、完整的信息訪(fǎng)問(wèn)。圖3給出了一個(gè)全透明系統訪(fǎng)問(wèn)的實(shí)例，即一個(gè)實(shí)際的飲料生產(chǎn)企業(yè)，過(guò)程處理、包裝和倉儲管理子系統通過(guò)以太網(wǎng)相連?，F在工程師在中控室打開(kāi)RSLinx網(wǎng)絡(luò )通訊軟件，即可透明訪(fǎng)問(wèn)到系統中任何一個(gè)節點(diǎn)設備，包括現場(chǎng)連接在DeviceNet網(wǎng)絡(luò )上的伺服控制器、I/O、變頻器等所有設備，可以方便地實(shí)現包括系統診斷、組態(tài)、控制調節等完整的網(wǎng)絡(luò )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(shí)力，采用創(chuàng )新的FacktoryTalk技術(shù)，通過(guò)公共的數據名空間（NameSpace），方便地在整個(gè)企業(yè)的范圍內共享實(shí)時(shí)、診斷信息等數據，同時(shí)提供成熟的實(shí)時(shí)數據庫和企業(yè)關(guān)系型數據庫事務(wù)管理軟件RSSQL，在企業(yè)生產(chǎn)管理層面提供模塊化的MES（制造業(yè)執行系統）軟件，完成從生產(chǎn)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(guò)程的生產(chǎn)管理，并且能夠和企業(yè)ERP系統方便地接口，真正實(shí)現企業(yè)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(fǎng)問(wèn)

6  集成架構的優(yōu)勢

    從前邊的分析即可看出，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)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(zhù)控制系統的性能，甚至其設計理念。更為重要的是，總線(xiàn)體系不會(huì )在一夜之間形成，更不會(huì )在短時(shí)間內改變，而作為控制系統基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)一定會(huì )在更為深遠、更為長(cháng)期的意義上影響著(zhù)控制系統的性能與發(fā)展。羅克韋爾自動(dòng)化從1994年發(fā)明并公開(kāi)化DeviceNet技術(shù)開(kāi)始，將其對先進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的深刻理解貫徹到整個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)體系中，并創(chuàng )造性地運用到其集成控制平臺Logix技術(shù)上，造就了獨一無(wú)二的集成架構技術(shù)（Integrated Architecture）和優(yōu)越的系統性能。
    高效率透明三層網(wǎng)絡(luò )體系NetLinx技術(shù)提供了從互聯(lián)網(wǎng)到車(chē)間底層透明貫通的完整的數據通訊功能，結合創(chuàng )新的透明底板技術(shù)，系統網(wǎng)絡(luò )同一層次之間，跨越不同層次，任何一點(diǎn)接入，都可以實(shí)現無(wú)縫、透明的數據訪(fǎng)問(wèn)，用戶(hù)可以自如地對系統任何一個(gè)節點(diǎn)設備隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、數據采集、系統組態(tài)和遠程診斷。而且網(wǎng)絡(luò )性能可設定、可預知、可確保、可調節。
    同時(shí)，配合FactoryTalk企業(yè)實(shí)時(shí)數據交換技術(shù)，系統內的實(shí)時(shí)數據可以在企業(yè)內部一次定義，即可高效共享，為控制、診斷等實(shí)時(shí)數據在企業(yè)范圍內的透明共享奠定了基礎。成熟的數據庫事務(wù)管理軟件在實(shí)時(shí)數據庫和關(guān)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(kāi)放化的解決方案。
    由此看來(lái)，NetLinx、FactoryTalk，RSSQL三者在不同層面上環(huán)環(huán)相扣，構造了一個(gè)工廠(chǎng)和企業(yè)數據從底到頂，無(wú)縫集成，結構開(kāi)放、方便透明的一個(gè)企業(yè)數據訪(fǎng)問(wèn)基礎架構，完成了現代企業(yè)內部縱向的集成，解決了工廠(chǎng)生產(chǎn)不透明地問(wèn)題，使得企業(yè)在競爭中易于建立基礎優(yōu)勢。
    同時(shí)，在橫向層面上，羅克韋爾自動(dòng)化創(chuàng )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(gè)操作內核，統一的開(kāi)發(fā)軟件（Logix5000），覆蓋了順序控制（傳統PLC）、過(guò)程控制（傳統DCS）、批次處理（傳統DCS）、傳動(dòng)控制、運動(dòng)控制（配合集成驅動(dòng)技術(shù)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(shí)施、運行維護、人員培訓、系統集成、備件支持等環(huán)節上，都可以大大減少用戶(hù)成本，也因此被自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)先研究機構ARC譽(yù)為面向下一代的PAC（Programmable Automation Controller，可編程自動(dòng)化控制器）系統的典范。更為重要的是，羅克韋爾自動(dòng)化今天已經(jīng)基本完成了Logix技術(shù)的整合，是成熟的PAC系統技術(shù)。而且Logix系統的規模完全可伸縮，跨越從幾十點(diǎn)到數萬(wàn)點(diǎn)的系統，滿(mǎn)足用戶(hù)不同控制應用和預算的需求。
    與此相適應，羅克韋爾自動(dòng)化在界面技術(shù)方面進(jìn)一步整合，推出了全新可視化技術(shù)ViewAnyWare，即使用一個(gè)開(kāi)發(fā)軟件RSView Studio，可以完成企業(yè)級（RSView SE監控版）到車(chē)間級（RSView ME機器版）的組態(tài)，實(shí)現畫(huà)面、標簽的重用互換，并針對Logix平臺開(kāi)發(fā)了直接標簽引用（Direct Tag Referencing）技術(shù)，使得HMI系統可以直接引用Logix控制器中的標簽而無(wú)需繁雜的導入過(guò)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(lái)的錯誤。 

圖4  基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)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(gè)緊密集成、結構清晰而又開(kāi)放化的基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)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(yōu)勢，必將為自動(dòng)化系統帶來(lái)嶄新的面貌。