隨著(zhù)IT技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化系統的不斷完善，使得當前從事自動(dòng)化技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員面臨著(zhù)一個(gè)問(wèn)題：是否剛剛進(jìn)入中國的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將會(huì )被以太網(wǎng)技術(shù)所代替？是否Ethernet技術(shù)就是現場(chǎng)總線(xiàn)的未來(lái)呢？目前為止，我們對于這個(gè)問(wèn)題還不能給予一個(gè)簡(jiǎn)單的回答，但是通過(guò)采用以太網(wǎng)技術(shù)將會(huì )帶來(lái)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的新的革新，這一事實(shí)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(mǎn)足了現場(chǎng)總線(xiàn)通訊的要求，而且由于以太網(wǎng)技術(shù)的成熟和普及帶來(lái)的制造成本的降低以及協(xié)議本身的標準化,使得采用以太網(wǎng)技術(shù)的場(chǎng)合越來(lái)越多。TCP/IP的協(xié)議已能在各種計算機操作系統上運行。因此以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域已成為當今搞控制系統的工程師一個(gè)重要的課題。采用Internet的技術(shù)將會(huì )使目前所謂集中型自動(dòng)化系統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代控制系統正在形成. 但是要解決以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議用在控制系統的通訊問(wèn)題，必須了解什么是控制系統通訊的要求。

1. 控制系統通訊的基本要求

    對現有存在的工業(yè)通訊系統進(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(wú)疑可以用于工業(yè)控制系統，但是其系統復雜，而且昂貴。另一些系統雖然比較經(jīng)濟，但是又不能滿(mǎn)足工業(yè)控制系統提出的全部要求（如Ethernet技術(shù)）。那么用于控制系統的通訊技術(shù)究竟必須滿(mǎn)足怎么樣的要求呢？一般可以用四點(diǎn)話(huà)來(lái)概括。

    a)對于過(guò)程外部設備的信號必須能夠迅速和簡(jiǎn)單地進(jìn)行采集，同時(shí)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(diǎn)。
    b)必須能夠傳輸現場(chǎng)安全信號，及時(shí)地避免和防止傷害人體安全的誤動(dòng)作，以保證控制系統的高度安全性。
    c)為了實(shí)現分散性控制系統，系統的各驅動(dòng)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)現場(chǎng)控制的通訊必須簡(jiǎn)單、方便地進(jìn)行。協(xié)議的轉換必須直接明了。

2. 現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)

    為了滿(mǎn)足以上四個(gè)基本要求, 近二十多年來(lái), 越來(lái)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)以現場(chǎng)總線(xiàn)為代表的工業(yè)通信技術(shù), 它是針對工業(yè)控制系統通信需求的特點(diǎn),專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的通信方法, IEC61158就是專(zhuān)門(mén)為此制訂的通信標準.
    (2)基于以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)通信方法, 它是對現有的以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善而形成,目前成為工業(yè)控制系統通信技術(shù)的一個(gè)亮點(diǎn)
    這兩種工業(yè)通信方法進(jìn)入控制系統有前有后, 現場(chǎng)總線(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中以得到了很廣泛的應用,充分體現了其在控制系統現場(chǎng)層的數據傳輸強大的優(yōu)越性, 工業(yè)以太網(wǎng)以它的價(jià)格優(yōu)勢,技術(shù)成熟,易于與控制系統管理層數據的傳送和集合,也越來(lái)越多得到了人們的重視. 但是這兩者之間到底有什么區別呢. 我們可以用下面的評估方法來(lái)分析：

圖1 .現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)
圖2 .工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)

    圖1、2分別表示了現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)和工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)。由于現場(chǎng)總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)按照現場(chǎng)通訊的要求開(kāi)發(fā)出來(lái)的，所以基本上滿(mǎn)足現場(chǎng)信息傳輸的實(shí)時(shí)性,使用方便,診斷功能強和經(jīng)濟性的問(wèn)題. 但是現場(chǎng)總線(xiàn)不能夠完成大數量的管理數據的傳輸.同時(shí)多采用主從控制的方法,不能容易地實(shí)現控制系統第4點(diǎn)的傳輸的要求. 而今天以太網(wǎng)是IEEE802.3的國際標準，已在全世界得到了最廣泛的應用。同時(shí)，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都可以采用TCP/IP方法，它的多主站、通用性，同時(shí)能夠通過(guò)采用不同速率來(lái)傳輸大數量信息的特點(diǎn)正好補充了現場(chǎng)總線(xiàn)的不足。完全滿(mǎn)足了現場(chǎng)生產(chǎn)管理系統與OFFICE系統的通訊要求. 但是工業(yè)以太網(wǎng)采用CSMA/CD(載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù),不具備數據傳輸實(shí)時(shí)性和確定性的功能,大大限制了這種技術(shù)在現場(chǎng)層數據交換的應用.,如果要將以太網(wǎng)TCP/IP直接用于現場(chǎng)總線(xiàn)的通訊則需要進(jìn)行相應的改革。如采用具有優(yōu)先權的以太網(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)能否取代現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)成為統一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準的預測是最艱難的事；現場(chǎng)總線(xiàn)是專(zhuān)為工業(yè)現場(chǎng)層設備通信設計，是為自動(dòng)化量體裁衣的技術(shù)。以太網(wǎng)設計初衷是辦公網(wǎng)，用于數據處理。從技術(shù)比較出發(fā)似乎很容易得出結論。但技術(shù)發(fā)展受社會(huì )政治、經(jīng)濟影響，市場(chǎng)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(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間監控層及管理層將成為主要應用技術(shù)，特別是采用TCP/IP協(xié)議可與互連網(wǎng)Internet連接。在現場(chǎng)層，在沒(méi)有嚴格的時(shí)間要求條件下，以太網(wǎng)也可以有部分市場(chǎng)。在以太網(wǎng)能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題之后，現場(chǎng)層也會(huì )選用工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)?？傊?按照目前控制系統金字塔的模型,工業(yè)以太網(wǎng)在自動(dòng)化控制系統的應用應該區分為兩個(gè)層面的問(wèn)題，。一是在管理層:工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)結合，與ERP, MES 企業(yè)管理的結合,與互連網(wǎng)Internet技術(shù)結合，成為未來(lái)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(gè)方面，即以太網(wǎng)在工業(yè)控制現場(chǎng)層的應用,也會(huì )成為甚至取代現有的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)成為統一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準. 這些問(wèn)題實(shí)為目前自動(dòng)化行業(yè)專(zhuān)家們爭論的熱點(diǎn).

圖3 控制系統的金字塔模型

    如果Ethernet通信協(xié)議TCP/IP與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)能有機地結合起來(lái)，將會(huì )對現代工業(yè)自動(dòng)化控制系統的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。其中基于WEB的TCP/IP管理（Web-based-Management簡(jiǎn)稱(chēng)WBM）用于現場(chǎng)總線(xiàn)通訊使得現場(chǎng)總線(xiàn)可以方便地與Internet技術(shù)連接起來(lái)。

3. 實(shí)現信息控制一體化的控制系統.

    由此可見(jiàn), 通過(guò)對通信技術(shù)拓撲結構的簡(jiǎn)化,形成了能滿(mǎn)足控制系統通信需要的現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)通信技術(shù),使的控制系統數字化,網(wǎng)絡(luò )化和智能化成為可能. 目前工業(yè)自動(dòng)化控制系統的網(wǎng)絡(luò )結構發(fā)展越來(lái)越分散化，同時(shí)系統越來(lái)越復雜，內部的連接越來(lái)越高速化緊密化。更多的是系統細分成了獨立的控制孤島。對驅動(dòng)器和用戶(hù)接口的需求越來(lái)越多。而目前的控制系統金字塔的模型已不適合系統拓撲結構的分散化需求。

    從傳感器到主控制器，數據的傳輸必須經(jīng)過(guò)控制層的CPU和驅動(dòng)軟件，其結果是傳輸速度低，缺乏透明度，軟件和維護費用高。任何時(shí)候一個(gè)控制器與系統中任意其它的一個(gè)控制器進(jìn)行數據通訊是不可能的。無(wú)論是單一的主從式還是令牌總線(xiàn)式結構系統，在這兩種系統中，實(shí)時(shí)高速的數據傳輸不能達到，更不必談及編程開(kāi)發(fā)與維護了。最困難的是組合的垂直與水平的數據通訊。例如: 控制器A從與控制器B相連的遠程I/O獲得數據，通常這對于實(shí)時(shí)通訊的控制幾乎是不可能的。對于若干個(gè)控制器的集成，通常沒(méi)有一個(gè)廣泛的邏輯上的實(shí)體單元。所有控制器孤島獨立的運行，而數據交換僅以一定的速度進(jìn)行。每個(gè)控制器管理一束獨立的數據，全球的數據不存在。上面的闡述說(shuō)明傳統經(jīng)典的控制技術(shù)已不適合控制系統的發(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的系統結構中，也只能是對系統的功能作些邊緣性的提高。傳統的PLC編程語(yǔ)言已不能適合現行的控制系統的要求，其結果是對軟件需求的增長(cháng)。

    在這種情況下,控制系統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(PAC)的概念也不斷的引起重視. 那么什么是PAC系統呢?

    1)在一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺上只需要一個(gè)公共的變量定義和一個(gè)存放所有參數和控制功能的中央數據庫
軟件工具能夠同時(shí)開(kāi)發(fā),調試和安裝多個(gè)機械設備和系統單元
    2)這種開(kāi)放的模塊式的結構是面向生產(chǎn)應用的.從工廠(chǎng)中的機械設計一直到系統設備的企業(yè)部門(mén)
    3)支持事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò )接口和語(yǔ)言(比方. TCP/IP, OPC, XML 和 SQL), 使得各種生產(chǎn)廠(chǎng)家在聯(lián)網(wǎng)系統中的數據交換成為可能
    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 系統的結構圖

    PAC系統集合了PLC,DCS,MC系統的優(yōu)點(diǎn), 不僅將多個(gè)控制系統的元素集中在一個(gè)平臺上,同時(shí)更多地考慮與應用者之間的聯(lián)系,特別是行業(yè)專(zhuān)家們的溝通和交流,從而將系統集成時(shí)間減少到最小.當然目前集成化將化成零的設想還是一個(gè)夢(mèng)想,但是我們自動(dòng)控制領(lǐng)域的工程師們一直在努力地去實(shí)現這個(gè)目標. 一個(gè)新型的自動(dòng)化控制系統的機構PAC 正是走向這個(gè)夢(mèng)想的第一步.

4. 信息控制一體化是工業(yè)自動(dòng)控制發(fā)展的必然趨勢

    在上世紀70年代初,日本提出了”機電一體化”(Mechatronics)的概念, 它將機電產(chǎn)品的五大類(lèi): 機械部分,傳感器,執行器,計算機以及動(dòng)力部分有機地集合成一體, 從而對機電工程師的思維方式起了一場(chǎng)革新,甚至已影響了生活的各個(gè)領(lǐng)域. 同時(shí),由于日本提出了這個(gè)新的概念也大大推動(dòng)了日本國的工業(yè)的迅猛發(fā)展. 使的日本在短短的數年已成為機械制造的強國. 今天,隨著(zhù)IT ,計算機的高速發(fā)展, 一場(chǎng)新的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的革新迫在眼前, 曾幾何時(shí),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(wèn)題,而忽略了如何提高工業(yè)控制系統傳輸的實(shí)時(shí)性和確定性的問(wèn)題. 很難想象,如果在控制系統中, 管理層在不能及時(shí),正確地得到現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據的時(shí)候如何作出正確的判斷. 因此,如果說(shuō), 機電一體化 是機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(dòng)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(dòng)化控制系統的發(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(gè)有力的跳板.我們應該抓住工業(yè)自動(dòng)控制系統的核心技術(shù)，利用我國計算機技術(shù)比較強的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新型的控制器，并以此為基礎，開(kāi)發(fā)工業(yè)的實(shí)時(shí)操作系統．完成信息控制一體化的系統, 與此同時(shí),推出我們的現場(chǎng)總線(xiàn)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，我們的工業(yè)自動(dòng)化控制水平一定將會(huì )進(jìn)入世界的先進(jìn)行列．