賈  青

1  概述
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，可編程控制器和工控機是人們不得不提的兩類(lèi)控制設備，它們是大多數自動(dòng)化系統的基礎設備?？删幊炭刂破骱凸た貦C的最新技術(shù)發(fā)展是工程師對設備應用性能要求的完美體現：控制器的硬件標準化，以及用戶(hù)的各種控制要求通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行改變。
可編程控制器就是一種利用計算機原理為順序控制專(zhuān)門(mén)設計的、通用的、使用方便的裝置。它采用了專(zhuān)用設計的硬件，而使用性能都是通過(guò)控制程序來(lái)確定的。
工控機則是利用了個(gè)人計算機的PCI總線(xiàn)和PC/104總線(xiàn)、采用功能板卡擴展控制I/O點(diǎn)來(lái)實(shí)現計算機控制的一種方便的控制設備。它具有工業(yè)現場(chǎng)應用特性，同時(shí)又極大地利用了PC機的軟件環(huán)境，用戶(hù)可以方便地選擇各制造商提供的產(chǎn)品。
PLC和工控機目前的技術(shù)發(fā)展水平已大大超過(guò)其出現時(shí)技術(shù)水平，并各自定位在不同的層面。PLC適合低成本自動(dòng)化項目和作為大型DCS系統的I/O站，工控機在中規模小范圍自動(dòng)化工程中有很好的性能價(jià)格比，當然這種定位也不是絕對的。據預測，2000年我國工業(yè)自動(dòng)化的市場(chǎng)規模達170億至207億人民幣，其中工控機占40億左右、PLC占30億左右，再加上DCS系統、FCS系統和NCC系統（占60億）中使用的PLC和工控機，可以看出其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中舉足輕重的作用。這兩類(lèi)控制設備在各領(lǐng)域的自動(dòng)化中扮演了不可缺少的角色。圖1給出了某自來(lái)水廠(chǎng)工業(yè)控制系統的典型結構圖，其中采用了PLC作為I/O控制站、工控機作為監控機。

圖1  工業(yè)控制系統的典型結構圖

目前，可編程控制器的主流廠(chǎng)商有A-B、Siemens和Modicon等。工控機的主流廠(chǎng)商有上?？堤┛?、北京康拓和研華、艾訊等。
PLC和工控機在其技術(shù)發(fā)展的歷程中，為了適合工業(yè)現場(chǎng)應用的需要和用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)的需要，都積極地發(fā)展高可靠性、網(wǎng)絡(luò )化和高性能的用戶(hù)開(kāi)發(fā)軟件方面的技術(shù)性能。以下將重點(diǎn)介紹PLC和工控機在硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò )方面技術(shù)應用現狀和發(fā)展趨勢。
2  PLC和工控機的硬件技術(shù)現狀和發(fā)展
PLC和工控機的最終用戶(hù)為冶金、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車(chē)、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)，其主要的用途為：
?  順序控制  順序控制是應用最廣泛的領(lǐng)域，它包括單機控制、多機群控制、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)控制，如注塑機、印刷機械、訂書(shū)機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配機械、包裝生產(chǎn)、電鍍流水線(xiàn)和電梯控制等。
?  運動(dòng)控制  應用在電力拖動(dòng)系統或伺服電機的單軸或多軸位置控制。
?  過(guò)程控制  采用模擬量模塊能控制物理參數，例如溫度、壓力、速度和流量等，并提供PID等閉環(huán)控制的功能。
?  數據處理  可以支持數控機床的控制和管理、多軸控制等。
由于自動(dòng)化系統的要求日益提高，傳統的提供I/O點(diǎn)服務(wù)的PLC和工控機已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足復雜的工藝要求。因此，PLC和工控機在硬件系統上有了根本的變化。
PLC系統在模塊上的技術(shù)發(fā)展有：
?  處理器模塊  配備大容量?jì)却?，為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求而優(yōu)化設計，除了一般的I/O掃描和控制、遠程數據交換外，支持大型的集成控制、通訊、并行運算、處理器獨立后臺程序和處理器輸入中斷等功能。如A-B公司的ControlLogix處理器模塊在它的內核中設計有通信功能，借助于它的無(wú)源數據總線(xiàn)，系統的瓶頸得以消除。這種靈活的結構允許多個(gè)處理器、網(wǎng)絡(luò )以及I/O在一個(gè)機架中搭配使用而沒(méi)有限制。
?  信息協(xié)處理器模塊  讀取主處理器的數據表和狀態(tài)文件，或通過(guò)高級語(yǔ)言程序將數據寫(xiě)入主處理器，程序可以在實(shí)時(shí)多任務(wù)環(huán)境下以及獨立于PLC處理器的方法，單獨在協(xié)處理器中運行。
?  高級語(yǔ)言協(xié)處理器  通過(guò)C和Basic的接口來(lái)進(jìn)行復雜的計算和算法實(shí)現。
?  網(wǎng)絡(luò )適配模塊  在現場(chǎng)總線(xiàn)與處理器之間提供通訊接口，以便PLC處理器和I/O模塊進(jìn)行遠程的數據交換。
?  具有特殊功能的I/O模塊  如A-B公司在其產(chǎn)品中提供了智能變送器模塊、溫度控制模塊、稱(chēng)重模塊、開(kāi)環(huán)速度控制模塊、塑料制造模塊、力矩控制模塊、絕對編碼模塊、可組態(tài)流量計模塊、電流同步模塊等。這些模塊的設計考慮了特殊行業(yè)的需要，使得復雜的控制功能以模塊化的方式得以解決，提高了可靠性和專(zhuān)業(yè)水平。
同樣，工控機也從I/O板卡的基礎上飛速向前發(fā)展，大規模集成電路和計算機本身的革命性發(fā)展給工控機提供了舞臺。工控機系列產(chǎn)品除了全系列的I/O板卡外，還發(fā)展了一體化工作站、帶電子盤(pán)的工控機、遠程RTU、適用于儀表行業(yè)的微型工控機、適用于視頻和多媒體行業(yè)的工控機、適用于通訊行業(yè)的帶監控液晶屏的工控機、與PLC合一的特殊工控機以及防爆型工控機。
工業(yè)現場(chǎng)的應用環(huán)境要求PLC和工控機具有很高的可靠性，而可靠性是靠電磁兼容特性（EMC）和容錯技術(shù)來(lái)保證的。PLC和工控機要經(jīng)過(guò)嚴格的電磁兼容檢測，如輻射敏感度檢測、諧波/電壓波動(dòng)/電壓驟降檢測、靜電/快速脈沖/雷擊檢測、電磁干擾檢測等。EMC保證了設備在本質(zhì)上的抗干擾特性。但是，要保證控制設備不出故障是不可能的。因此，采用容錯設計的系統對要求不能停機、不能失控的高可靠系統是十分重要的。目前重要的容錯設計技術(shù)有Watchdog和雙機熱備（包括主機、模塊和通訊介質(zhì)的熱備）。熱備系統的工作對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是透明的：即當故障發(fā)生時(shí)，所有對故障點(diǎn)的切除和數據的備份都是在最短的控制周期內自動(dòng)完成的。此項技術(shù)的完成包括了設備硬件和軟件二個(gè)方面。圖2給出了PLC雙機冗余系統的結構。

圖2  PLC雙機冗余系統結構

3  PLC和工控機的軟件特性
PLC、工控機和現場(chǎng)總線(xiàn)為工業(yè)自動(dòng)化提供了很好的底層控制硬件基礎。隨著(zhù)軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，控制軟件不再是單調的數字和菜單操作界面，而是圖形化的人機交互工具。好的工控軟件包括了從底層的數據采集、數據庫、控制邏輯運算到高層的人機圖形界面(MMI)。這里，我們從工控軟件體系結構而不是個(gè)別軟件功能的角度介紹PLC和工控機的應用軟件應該具備的特性。
微軟為制造業(yè)的分布式網(wǎng)絡(luò )結構提出了一個(gè)功能強大的概念，它包括了企業(yè)資源規劃（ERP）和制造資源規劃（MRP）的主要功能、控制、人機界面與數據采集和監控（SCADA）、制造執行系統（MES）、批量控制與設備界面等，但它們同時(shí)增加了用戶(hù)成本以及共享數據的難度。
因此，在1998年，微軟公司引入了Windows分布式互連網(wǎng)絡(luò )應用的概念，簡(jiǎn)稱(chēng)Windows DNA。它是在企業(yè)內將各種商業(yè)應用軟件進(jìn)行無(wú)縫連接的一種結構。這種結構可以使制造業(yè)的軟件開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)出強壯的、具有多種特性的產(chǎn)品，并使最終用戶(hù)將其各自獨立的制造和商業(yè)軟件應用集成到一個(gè)數字神經(jīng)系統中去。
各個(gè)控制設備生產(chǎn)廠(chǎng)家如羅克韋爾自動(dòng)化公司，通過(guò)其產(chǎn)品和與微軟的合作，正在將Windows DNA結構引入制造業(yè)。這些公司在制造業(yè)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有自己的策略框架，如羅克韋爾互聯(lián)網(wǎng)應用結構，或稱(chēng)RNA，就是與微軟提出的為企業(yè)定義的DNA結構緊密平行的一種。
建立在微軟的Windows NT和Windows 9X操作系統和用戶(hù)接受的微軟Office套件、微軟BackOffice工具的基礎上，微軟公司于1998年引入了DNA結構。Windows DNA立刻被采納為連接在一個(gè)單獨的企業(yè)分布式大系統中多種產(chǎn)品的策略結構。
DNA包含了傳統的計算機系統并允許組成可變結構的Client/Sever系統，該系統可以提高技術(shù)等級以及進(jìn)行應用革新。Windows DNA的關(guān)鍵元素包括工具、集成存儲、商務(wù)過(guò)程、用戶(hù)界面和導航。
更詳細地說(shuō)，DNA具有如下特征：
?  公共的操作系統和網(wǎng)絡(luò )；
?  公共數據訪(fǎng)問(wèn)；
?  BackOffice工具和服務(wù)；
?  公共的應用底層結構；
?  與微軟的Office應用集成；
?  強有力的開(kāi)發(fā)工具；
?  可遺傳的系統集成工具；
正如微軟定義的那樣，制造業(yè)的Windows DNA包含了企業(yè)資源規劃/制造資源規劃，控制(不論其為分布式、基于PC的或PLC)、人機接口和SCADA，制造執行系統、批處理和設備接口。沒(méi)有制造業(yè)的DNA，那么在這些應用功能之間的鴻溝只能由用戶(hù)界面和驅動(dòng)設備來(lái)填補。這將會(huì )使業(yè)主系統的成本增加，并且由于數據格式問(wèn)題而很難共享數據。
早在80年代中期，羅克韋爾自動(dòng)化在其CIM版本中首先確定了將工廠(chǎng)底層與上位計算機系統連接的需求。但是，直到現在實(shí)現以上概念的軟件和硬件的核心技術(shù)才成熟，它們包括商業(yè)方面的應用如數據采集和監控、人機界面（HMI）、批量控制（Batch）、MES、ERP接口、基于PC總線(xiàn)的控制和通訊。
以RNA結構為例，它包括了：
(1)  操作系統平臺
包括了從最早的Win3.1環(huán)境的人機界面和編程軟件到Windows NT開(kāi)發(fā)全功能人機界面。隨著(zhù)Windows CE的到來(lái)，一些公司正計劃提供基于CE的全套的PLC編程、人機界面和控制軟件。
(2)  COM和DCOM
建立COM（組件對象模型）和DCOM（分布式組件對象模型）使得產(chǎn)品具有互操作性、擴展性和靈活性。COM與其它工控軟件產(chǎn)品的結合增加了提供集成套裝軟件（ProcessPak和ControlPak）的能力，還增加了各獨立軟件的模塊化程度和促進(jìn)某公司產(chǎn)品與其它廠(chǎng)家產(chǎn)品的集成能力。例如，羅克韋爾軟件RS SQL是一個(gè)數據登入和傳送處理的系統，采用COM技術(shù)提供連接控制系統和企業(yè)數據庫系統的雙向聯(lián)系，是支持制造業(yè)DNA數據庫環(huán)境的版本。
(3)  Visual Basic的應用
微軟認為VB是在DNA框架內實(shí)現內部集成的關(guān)鍵技術(shù)。VBA為DNA結構提供了三大益處，首先，它為最終用戶(hù)提供不需要學(xué)習特定語(yǔ)言而能編制自己的實(shí)際應用程序的標準方法；其次，VBA提供了多個(gè)應用間共享數據或集成功能的方法，例如，它允許人機界面軟件可以利用微軟的Excel表格的功能，這是一個(gè)系統模型公司的產(chǎn)品，具有計算功能和生產(chǎn)計劃功能；最后，最終用戶(hù)如將內嵌VBA產(chǎn)品集成到基于DNA的制造信息系統，它能夠使目前工業(yè)界眾多使用VB作為系統快速開(kāi)發(fā)工具的工程師們提升其軟件產(chǎn)品。
(4)  ActiveX
ActiveX技術(shù)的應用日益廣泛，許多廠(chǎng)商推出的產(chǎn)品都支持ActiveX。羅克韋爾軟件公司首先為制造工業(yè)的應用軟件引入了ActiveX技術(shù)，并且是第一個(gè)授權的軟件開(kāi)發(fā)商，同時(shí)能將VBA嵌入到核心產(chǎn)品中去。
(5)  OPC－過(guò)程控制OLE
DDE是微軟為front-office應用開(kāi)發(fā)的共享小量相對不變的數據的技術(shù)。與DDE不同，過(guò)程控制OLE技術(shù)面向制造環(huán)境的控制性能、結構和可靠性而設計。微軟的制造業(yè)DNA確定了設備、控制應用和商業(yè)應用間應該具有開(kāi)放性和互操作性接口特征（OPC）。羅克韋爾是OPC組織制定者和主要開(kāi)發(fā)者。OPC負責建立基于COM技術(shù)的應用規范，它允許所有的應用程序采用同樣的基于COM技術(shù)的接口去訪(fǎng)問(wèn)數據，簡(jiǎn)化了數據的采集和共享方法。
根據以上要求采用了制造業(yè)DNA的許多技術(shù)后，羅克韋爾還提供面向企業(yè)和工業(yè)的集成軟件包，如用于批量控制的RSBatch、RSView32、RSLogix等可用于對功能框圖進(jìn)行編程。它們也利用COM集成、VBA和OPC為應用間提供互操作性和與企業(yè)的其它層連接?？刂栖浖€為連接I/O、PC總線(xiàn)的控制、編程、VBA和COM對象提供相同的互操作性。
制造業(yè)信息技術(shù)的最高境界是采用無(wú)縫連接、投資有效、規模靈活和兼顧未來(lái)的發(fā)展的思想并在企業(yè)內共享從工廠(chǎng)底層采集的數據。RNA的技術(shù)保證了其用戶(hù)用他們的現有軟件去實(shí)現基于DNA的環(huán)境。只有當企業(yè)能夠得到足夠的信息以制定更好的決策、將其供應渠道和運作結合起來(lái)，才能使其整個(gè)系統更接近用戶(hù)。雖然計算機硬件和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已有很大發(fā)展，在軟件領(lǐng)域仍還有很多的工作要做。

4  PLC和工控機的網(wǎng)絡(luò )特性
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化最深刻變革之一。PLC和工控機采用現場(chǎng)總線(xiàn)后可方便地作為I/O站和監控站連接在DCS系統中?，F場(chǎng)總線(xiàn)是一種取代4～20mA標準，用于連接智能現場(chǎng)設備和控制設備的雙向數字通訊技術(shù)，現場(chǎng)總線(xiàn)具有開(kāi)放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到現場(chǎng)設備中。
現場(chǎng)總線(xiàn)還可以處理復雜的事情：本質(zhì)安全、危險場(chǎng)合、多變量的過(guò)程以及法規要求嚴格的環(huán)境。PLC和工控機采用現場(chǎng)總線(xiàn)有以下益處：
(1)  互操作性  互操作性定義為在沒(méi)有任何功能損失的條件下，不同廠(chǎng)家的多個(gè)設備可以工作在一個(gè)系統中，互操作性允許工廠(chǎng)工程師可在相同的現場(chǎng)總線(xiàn)中集成不同廠(chǎng)家的設備，也允許工程師用別的廠(chǎng)家的設備來(lái)替換一臺現場(chǎng)總線(xiàn)設備。
(2)  更低的安裝費用  現場(chǎng)總線(xiàn)將極大地降低工廠(chǎng)最初的費用，包括簡(jiǎn)化接線(xiàn)、更少的接線(xiàn)端子排和簡(jiǎn)化了的儀表選型。此外，減少的費用還有：簡(jiǎn)化了圖紙、簡(jiǎn)化了控制系統的工程實(shí)施、減少了用于連線(xiàn)、接線(xiàn)柜和接線(xiàn)盒的費用。通過(guò)把控制功能轉移到現場(chǎng)，控制系統的費用也降低了：減少了DCS所需的空間，減少了控制系統的I/O點(diǎn)數，減少了機柜的空間和I/O接線(xiàn)端子排?，F場(chǎng)總線(xiàn)將能提供在線(xiàn)的遠方數字通訊，可用來(lái)實(shí)現更快的調試、更快的診斷，降低安裝和調試設備的人工費用。
(3)  更低的維護費用  現場(chǎng)總線(xiàn)將擴大操作人員觀(guān)察整個(gè)過(guò)程的視角，這樣，可以方便和有效地進(jìn)行維護和過(guò)程管理，加快查找和消除故障的速度?，F場(chǎng)總線(xiàn)可以實(shí)現在線(xiàn)診斷，更方便的標定和預測維護性。
(4)  改進(jìn)性能  隨著(zhù)控制功能從DCS轉移到單獨的控制回路，由于就地控制更快，更準確，系統的集成度和可靠性也增加了?，F場(chǎng)總線(xiàn)還能充分利用具有多傳感器設備的優(yōu)點(diǎn)，因為在一對導線(xiàn)上允許多個(gè)信息流動(dòng)。
由于現場(chǎng)總線(xiàn)使得更容易從現場(chǎng)獲取設備信息，工廠(chǎng)操作員和管理人員能夠對其過(guò)程進(jìn)行更嚴格的控制，從而改進(jìn)性能、增加過(guò)程的可用性和一致性。
現場(chǎng)總線(xiàn)不僅是一種信號通訊協(xié)議，還是一種全新的控制過(guò)程的方法。目前，在PLC和工控中使用的主流現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議有西門(mén)子的ProfiBus，羅克韋爾自動(dòng)化的ControlNet和DeviceNet以及基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF等。以下以ControlNet和DeviceNet為例介紹工業(yè)自動(dòng)化中的網(wǎng)絡(luò )體系結構和通訊技術(shù)。
控制網(wǎng)（ControlNet）是近年來(lái)推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時(shí)間關(guān)鍵性I/O數據和報文數據，包括程序的上載/下載，組態(tài)數據和點(diǎn)對點(diǎn)的報文傳遞等通訊支持，是具有高度確定性、可重復的高速控制和數據采集的網(wǎng)絡(luò )，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統網(wǎng)絡(luò )有較大提高。
ControlNet是基于生產(chǎn)者/消費者（Producer/ Consumer）模式的網(wǎng)絡(luò )，允許在同一鏈路上有多個(gè)主控制器共存，支持輸入數據或點(diǎn)對點(diǎn)信息的多路發(fā)送，大大減少了網(wǎng)絡(luò )上的交通量，提高了網(wǎng)絡(luò )效率和網(wǎng)絡(luò )性能。
ControlNet 是高度確定性、可重復的網(wǎng)絡(luò )。所謂確定性就是預見(jiàn)數據何時(shí)能夠可靠傳輸到目標的能力，而可重復性則是指數據的傳輸時(shí)間不受網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)添加/刪除情況或網(wǎng)絡(luò )繁忙狀況影響而保持恒定的能力。在實(shí)際應用中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )組態(tài)時(shí)選擇性設定有計劃I/O分組或互鎖時(shí)間，這些要求能得到更進(jìn)一步的保證。因此，ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系有復雜關(guān)聯(lián)，要求控制信息同步、協(xié)調實(shí)時(shí)控制、數據傳輸速度要求較高的應用場(chǎng)合。如協(xié)同工作的驅動(dòng)系統，焊接控制，運動(dòng)控制，視覺(jué)系統，復雜的批次控制，有大量數據傳送要求的過(guò)程控制系統，有多個(gè)控制器和人機界面共存的系統等。對于有多個(gè)基于PC的控制器之間，不同PLC之間或PLC和DCS之間存在通訊要求的場(chǎng)合， ControlNet非常適用。 ControlNet允許多個(gè)各自擁有自己獨立或共享的I/O的控制器之間相互通訊或以靈活的互鎖方式組織。由于其突出的實(shí)時(shí)性、確定性、可選的本征安全等特性，越來(lái)越多地應用于過(guò)程控制等要求較高的應用場(chǎng)合。
ControlNet是開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)，截止1999年底在全世界范圍內已經(jīng)擁有包括Rockwell Autom-ation、ABB、Honeywell等近70家著(zhù)名廠(chǎng)商組成的成員單位，由獨立國際組織――控制網(wǎng)國際（ControlNet International）負責管理，該組織旨在維護和發(fā)行ControlNet技術(shù)規范，管理成員單位的共同的市場(chǎng)推廣工作。同時(shí)提供各個(gè)廠(chǎng)商產(chǎn)品之間的一致性和互操作性測試服務(wù)，保證 ControlNet的開(kāi)放性。
控制網(wǎng)的通訊是基于一種全新的通訊模式：生產(chǎn)者/消費者通訊模式。工業(yè)控制要求控制網(wǎng)絡(luò )提供越來(lái)越高的生產(chǎn)率、更高的系統性能，同時(shí)又提供確定性的、可重復的、可估計的設備間通訊。單純提高波特率或單純提高協(xié)議效率，都不能從根本上解決問(wèn)題。傳統的網(wǎng)絡(luò )通訊模型是源/目的型或者稱(chēng)點(diǎn)到點(diǎn)的通訊方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是通訊的內容和形式都十分明確，在傳送的報文中都包含了明確的源和地址信息，但是在源/目的網(wǎng)絡(luò )模式下，當同一數據源上的數據向網(wǎng)絡(luò )上其它多個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，必須經(jīng)過(guò)多次才能實(shí)現，這就大大增加了網(wǎng)絡(luò )的負擔，降低了通訊的效率。另外，由于數據到達不同網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的時(shí)間可能因網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)數目的不同而變化，不同節點(diǎn)之間的同步就變得困難，通訊的實(shí)時(shí)性不能得到保障。
不同于以往的通訊模式，生產(chǎn)者/消費者模式允許網(wǎng)絡(luò )上的不同節點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源的數據。在生產(chǎn)者/消費者模式下，數據被分配一個(gè)唯一的標識，根據具體的標識，網(wǎng)絡(luò )上多個(gè)不同的節點(diǎn)可以接收到來(lái)自同一發(fā)送者的數據，其結果是，數據的傳輸更為經(jīng)濟，每個(gè)數據源一次性把數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )，其它節點(diǎn)選擇性的收取這些數據，不浪費帶寬，提高了系統生產(chǎn)率，通訊效率提高，數據只須產(chǎn)生一次，不管有多少個(gè)節點(diǎn)需要接收這個(gè)數據。數據經(jīng)過(guò)同樣的時(shí)間傳送到不同的節點(diǎn)，可以實(shí)現通訊的精確同步。
DeviceNet是一種用于連接工業(yè)設備(如限位開(kāi)關(guān)、光電傳感器、閥門(mén)、電動(dòng)機啟動(dòng)器、過(guò)程傳感器、條型碼讀入器、變頻器、屏幕顯示和操作界面等)與網(wǎng)絡(luò )的現場(chǎng)總線(xiàn)，其特點(diǎn)是成本低、開(kāi)發(fā)容易、支持的廠(chǎng)家多并且不需要昂貴的連接線(xiàn)路。
DeviceNet是一個(gè)開(kāi)放式的協(xié)議，它最初是由美國羅克韋爾自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)應用。目前，DeviceNet技術(shù)屬“開(kāi)放DeviceNet廠(chǎng)商協(xié)會(huì )”歸ODVA組織(Open DeviceNet Vendor Associaiton)所有和推廣。ODVA在世界范圍擁有300多家著(zhù)名自動(dòng)化設備廠(chǎng)商的會(huì )員（如羅克韋爾自動(dòng)化、ABB、歐姆龍）。中國的ODVA組織由上海電器科學(xué)研究所牽頭成立，目前正積極推廣該技術(shù)。設備廠(chǎng)商只要參加ODVA組織，就可以得到有關(guān)DeviceNet協(xié)議標準，還可以加入產(chǎn)品討論組來(lái)得到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的幫助。DeviceNet產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)并不復雜。設備DeviceNet是基于CAN的技術(shù)。作為一種串行通訊技術(shù)，CAN是80年代中后期適應汽車(chē)控制網(wǎng)絡(luò )化要求而產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來(lái)的，并已成為開(kāi)放的國際標準通訊協(xié)議（ISO 11898），在包括工業(yè)自動(dòng)化在內的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
DeviceNet在1994年問(wèn)世，1995年成為開(kāi)放協(xié)議，并由ODVA負責推廣，在北美及亞太地區都有日益廣泛的應用。DeviceNet網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)可采用五線(xiàn)制電纜，它包括了二條信號線(xiàn)，二條24V電源線(xiàn)和一條屏蔽線(xiàn)。DeviceNet設備可以從網(wǎng)絡(luò )上直接獲得電源，并能在線(xiàn)地從網(wǎng)絡(luò )上連接和切下設備。
DeviceNet的應用優(yōu)點(diǎn)有：
?  它是一種支持多方廠(chǎng)家產(chǎn)品互操作的開(kāi)放式通訊標準；
?  能快速方便地安裝；
?  是一種考慮未來(lái)的設計，能根據擴展和變化需要來(lái)方便地增加功能；
?  由設備內部的智能機制提高運行效率；
?  通過(guò)數據生成源/消費源通訊結構提供高效的帶寬；
?  可不斷電地在線(xiàn)對設備組態(tài)和增加設備。
現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)、智能化設備儀表的發(fā)展，不可避免地影響著(zhù)DCS的體系結構，現在可以看到的一個(gè)明顯的趨勢是DCS的進(jìn)一步分散化。傳統的DCS，在I/O控制站這一層仍然是一個(gè)集中式的結構，有些系統出于成本或其它方面的考慮，將I/O控制站的規模做得很大。這種考慮包括：高性能CPU的價(jià)格己降得很低，為了充分發(fā)揮CPU的能力，可以將一個(gè)I/O控制站的點(diǎn)數、回路數擴充，以降低成本。但是這種設計提高了危險性的集中度，如果為了提高可靠性增加冗余措施，系統成本仍然會(huì )上升，因此并不是一個(gè)理想的解決方案。從當前的發(fā)展趨勢看，利用現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)和智能化設備、智能化儀表，加上通用的工控機完全可以組成一個(gè)小型的DCS，這就對傳統的DCS提出了挑戰，因為基于現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)的DCS具有很多優(yōu)越性，無(wú)論從系統的成本上、可靠性上，安裝使用、維護的方便性及可擴充性上都有很大的優(yōu)勢。那么，傳統的DCS將如何發(fā)展才能接受這個(gè)挑戰呢？
答案是明確的，只有在I/O控制站這一層進(jìn)一步分散化，采用現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)技術(shù)，形成以現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)基礎的、以智能I/O模塊構成的分布式控制站。也就是說(shuō)，將過(guò)去DCS中集中式的I/O控制站變成分布式的控制站，在傳統DCS網(wǎng)絡(luò )的下一層再引入一層現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，形成設備級網(wǎng)絡(luò )、控制級網(wǎng)絡(luò )和管理級網(wǎng)絡(luò )這樣三層網(wǎng)絡(luò )結構，以此來(lái)滿(mǎn)足不斷提高的應用需求。
DCS在形成了三層網(wǎng)絡(luò )結構以后，基本控制單元深入到了設備控制這一級，向上，DCS的功能延伸到管理控制級，逐步形成了一個(gè)較完整的控制、管理一體化的體系結構。
圖3給出了一個(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化系統的三層網(wǎng)絡(luò )結構，其低層是以DeviceNet現場(chǎng)總線(xiàn)將設備、PLC的遠程I/O點(diǎn)連接在一起的設備層、中間是以ControlNet（或DH+、DH485等）將PLC、工控機以及操作員界面連接在一起的控制層網(wǎng)絡(luò )，而上層的Ethernet以PC或工作站為主完成管理和信息服務(wù)任務(wù)。三層網(wǎng)絡(luò )各司其職，代表了工業(yè)控制的典型結構。

圖3  典型工業(yè)自動(dòng)化系統的網(wǎng)絡(luò )結構

5  結論
隨者微機的軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了革命性的技術(shù)進(jìn)步。而PLC及工控機作為工業(yè)控制的設備基礎，通過(guò)技術(shù)的不斷革新，在工業(yè)控制中的地位日益加強，并且成為實(shí)現工業(yè)控制技術(shù)進(jìn)步的主要工具。