1  自動(dòng)化技術(shù)發(fā)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(yè)信息系統層;除在第三層、第四層之間采用以太網(wǎng)外，其他層都是專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，控制設備及軟件也是專(zhuān)用的，開(kāi)放程度不夠，給系統維護、升級帶來(lái)不便。隨著(zhù)現代生產(chǎn)的規模的擴大，要求對企業(yè)的各種信息（如生產(chǎn)過(guò)程信息、銷(xiāo)售信息、財務(wù)信息以及重點(diǎn)設備實(shí)時(shí)監控信息）及時(shí)全面的了解，這就要求把過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )、實(shí)時(shí)操作網(wǎng)絡(luò )和工廠(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò )融為一體，構成統一的網(wǎng)絡(luò )平臺。另一方面，希望控制系統采用開(kāi)放性、標準化，流行的硬件、操作系統、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，盡可能使用各種計算機技術(shù)，有效地減少對專(zhuān)用產(chǎn)品的依賴(lài)，減少備品備件的數量，降低運行、維護成本。因此，“開(kāi)放系統”、“現場(chǎng)總線(xiàn)”成為在現代測控領(lǐng)域頻繁出現的兩個(gè)詞。

2  現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的發(fā)展狀況

    S(Fieldbus Control System)是基于現場(chǎng)總線(xiàn)，根據IEC標準及現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )的定義，即現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )。FCS具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

    ①系統的開(kāi)放性；

    ②互可操作性與可用性；

    ③現場(chǎng)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(chǎng)環(huán)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(chǎng)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(shù)成為全數字式系統。這樣的系統才會(huì )比DCS有更大的技術(shù)、成本優(yōu)勢。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，共產(chǎn)生了60多個(gè)數字通信網(wǎng)絡(luò )標準以連接傳感器、現場(chǎng)設備及控制級網(wǎng)絡(luò )，有5000多種支持這些網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)品。因此，迫切需要一個(gè)統一的標準。統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準是開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統必備的技術(shù)條件。但當今的現場(chǎng)總線(xiàn)(Fieldbus)出現了群雄割據的狀況，以歐洲為主要市場(chǎng)的有InterBus-S、Profibus、CANbus等，以美國為主要市場(chǎng)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(chǎng)總線(xiàn)各有特色，各有其發(fā)展背景。因此，在市場(chǎng)上各有其專(zhuān)攻的市場(chǎng)及擁護者。由于受集團利益的限制，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )至今還無(wú)法妥協(xié)出一個(gè)共同國際標準。不同的總線(xiàn)產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現互連、互換、通一組態(tài)以及互操作。

    歷史的經(jīng)驗告訴我們，一個(gè)新的標準或產(chǎn)品僅僅技術(shù)上先進(jìn)是不夠的，例如MAP協(xié)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(xié)議所有7個(gè)層次。從技術(shù)觀(guān)點(diǎn)看，MAP面面俱到無(wú)懈可擊，但在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，卻因復雜度、成本較高，至今一直無(wú)法被市場(chǎng)所接受。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)設備只能作為傳統DCS的有益補充，在短期內是無(wú)法取代DCS的。

3  以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展

    70年代出現的以太網(wǎng)主要應用于辦公自動(dòng)化(OA)領(lǐng)域，從實(shí)時(shí)控制要求來(lái)看，以太網(wǎng)有許多缺點(diǎn)，其中最重要的是以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議是一種非確定性(Non-Determinism)通訊方式，即如果大家同時(shí)爭搶總線(xiàn)控制權發(fā)送信息時(shí)。該方式無(wú)法保證將其中的重要信息及時(shí)送達到指定設備。但由于其技術(shù)完全公開(kāi)，很快被大家接受，通過(guò)不斷改進(jìn)、提升，市場(chǎng)占有率越來(lái)越大，而成本就越來(lái)越低，進(jìn)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(lǐng)域逐漸擴展至FA領(lǐng)域?，F在所有國際自動(dòng)化廠(chǎng)商的控制器皆提供Ethernet TCP/IP接口，美國最大的測控儀器廠(chǎng)商National Instrument(NI)和OPTO22，最近也推出了Ethernet I/O產(chǎn)品。國際半導體協(xié)會(huì )SEMI所訂定半導體設備標準通訊協(xié)議SECS(SEMI Equipment Communication Standard) 也從RS-232實(shí)體層改建立在Ethernet TCP/IP之上，稱(chēng)之為HSMS(High Speed Message Specification)。而美國一家專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化公司SISCO也將MAP應用層通訊協(xié)議MMS (Manufacturing Message Specification)改建立在Ethernet TCP/IP之上。更隨著(zhù)Internet、家庭網(wǎng)絡(luò )、信息家電等的快速發(fā)展，包括辦公室自動(dòng)化(OA)、工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)、大樓自動(dòng)化(BA)、社區自動(dòng)化(CA)以及家庭自動(dòng)化(HA)，上至通訊網(wǎng)路，下至各類(lèi)現場(chǎng)設備，TCP/IP網(wǎng)絡(luò )將一統天下。

4 以太網(wǎng)應用于工廠(chǎng)自動(dòng)化的可行性

(1)  實(shí)時(shí)性

    學(xué)術(shù)上Ethernet用于自動(dòng)控制的致命弱點(diǎn)是CSMA/CD通訊協(xié)議所具備的非確定性。傳統的以太網(wǎng)結構使用總線(xiàn)將各個(gè)節點(diǎn)連在一起，允許同時(shí)將數據發(fā)送到網(wǎng)上，這樣就發(fā)生了沖撞，必須采用重發(fā)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(wǎng)技術(shù)的發(fā)展增強了其通信的確定性，首先，在網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)段智能，使數據沖撞及重發(fā)機會(huì )最小化；其次，快速以太網(wǎng)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò )冗余技術(shù)使以太網(wǎng)更適應于實(shí)時(shí)應用；并且改進(jìn)的通信協(xié)議克服了TCP/IP協(xié)議中的緩沖器滿(mǎn)再發(fā)送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點(diǎn)。

(2)  穩定性

    Ethernet介質(zhì)從同軸電纜，至雙絞線(xiàn)，一直到光纖。尤其是光纖網(wǎng)絡(luò )已逐漸從電訊的主干網(wǎng)絡(luò )，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(shí)時(shí)監控的高噪聲現場(chǎng)環(huán)境。另一方面，利用標準的SNMP網(wǎng)絡(luò )管理工具，可以有效地管理網(wǎng)絡(luò )。

(3)  通用性 

    TCP／IP是一套定義各計算機如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊的協(xié)議。TCP傳輸控制協(xié)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(jìn)行校驗的協(xié)議。TCP可提供在連至網(wǎng)絡(luò )上不同計算機上運行的進(jìn)程間的可靠、面向連接的通訊。IP網(wǎng)際協(xié)議對應于ISO／OSI模型中的網(wǎng)絡(luò )層，負責將數據消息拆分為包，并將這些包從發(fā)送者按一定路徑傳輸到目的網(wǎng)絡(luò )或站點(diǎn)，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(shí)現的最成功的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，是Internet互連網(wǎng)的基礎。對該通訊協(xié)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(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )(包括Internet)上進(jìn)行數據傳輸的事實(shí)標準。具有TCP/IP接口的現場(chǎng)設備可以無(wú)需透過(guò)現場(chǎng)的計算機，直接連接Internet，實(shí)現遠程監控(Remote Control)或遠程維修(remote Diagnostics)的功能。

(4)  未來(lái)趨勢

    nternet/Intranet的發(fā)展趨勢已從辦公自動(dòng)化(OA)、工廠(chǎng)自動(dòng)化(FA)、樓宇自動(dòng)化(BA)，正向家庭自動(dòng)化(HA)領(lǐng)域擴展。在HA領(lǐng)域一個(gè)最大的困難便是布線(xiàn)。因此現正在發(fā)展電話(huà)線(xiàn)的Home PNA、無(wú)線(xiàn)、紅外以及電力載波等組網(wǎng)技術(shù)。而這些技術(shù)由于廣大市場(chǎng)的推動(dòng)，技術(shù)快速提升，成本則相對下降，未來(lái)勢必在反向推動(dòng)至BA、FA、OA領(lǐng)域。不久的將來(lái)，我們將可以看到工廠(chǎng)的現場(chǎng)，除了UTP/光纖的Ethernet外，還有許多需移動(dòng)的設備皆采用無(wú)線(xiàn)方式或在電力線(xiàn)上傳輸數據，雖然傳輸介質(zhì)不同，但可以肯定的是他們都采用同一通訊協(xié)議，即TCP/IP

5  TCP/IP 以太網(wǎng)在工廠(chǎng)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(guò)內部的系統總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、100M以太網(wǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)、可視化人機接口技術(shù)和全球化生產(chǎn)管理技術(shù)為一體的工業(yè)自動(dòng)化控制系統。在JetWeb中，以太網(wǎng)是控制器的一部分并作為連接智能控制模塊的系統總線(xiàn)；內部和外部的數據通訊在此沒(méi)有區別，網(wǎng)絡(luò )就是控制器。集線(xiàn)器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過(guò)分配地址空間把內部通訊從外部通訊中分離開(kāi)來(lái)。集線(xiàn)器技術(shù)及底層協(xié)議的集成，確保了以太網(wǎng)的確定性和兼容性，排除了通訊的碰撞問(wèn)題。以太網(wǎng)系統總線(xiàn)就是現場(chǎng)總線(xiàn)，可連接到每個(gè)獨立的控制模塊。整個(gè)過(guò)程或系統被看作為一個(gè)邏輯單元，甚至是一個(gè)獨立的控制器。不需考慮網(wǎng)絡(luò )的各層概念，而只形成為一個(gè)層，去除了CPU的瓶頸效應。所有數據在網(wǎng)絡(luò )中僅表達1次，網(wǎng)絡(luò )扮演真正的服務(wù)器。從傳感器到Internet的通訊開(kāi)放。從傳感器到管理層的直接通訊。與IT和Office辦公軟件兼容?？蛇M(jìn)行整個(gè)工廠(chǎng)的聯(lián)網(wǎng)。

(2)  Ethernet I/O

    以前，人們在做工業(yè)控制系統的設計時(shí)，總是用一些專(zhuān)用的控制設備來(lái)完成對現場(chǎng)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(chǎng)的設備狀態(tài)反映在企業(yè)的管理級網(wǎng)絡(luò )中，則將上位機連入企業(yè)網(wǎng)內。異地查看設備運行狀態(tài)也必須通過(guò)Internet、企業(yè)網(wǎng)，以及與現場(chǎng)控制器緊密相連的控制系統的I/O服務(wù)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(gè)前端智能I/O系統，對外提供以太網(wǎng)通訊接口，可以直接掛在Intranet或Internet網(wǎng)上，直接將現場(chǎng)數據提交到企業(yè)的本地或異地的管理網(wǎng)上。

(3)  基于TCP/IP數字視頻系統

    對于重要的設備/場(chǎng)合需要進(jìn)行視頻監控的場(chǎng)合，以往的做法是通過(guò)NTSC/PAL模擬信號送至中央監控室，100個(gè)監控點(diǎn)需拉100根同軸電纜。再通過(guò)視頻卡數字化和視頻服務(wù)器實(shí)現視頻圖象在網(wǎng)上傳播?，F在，臺灣上尚公司推出了基于TCP/IP全數字化攝像機，用戶(hù)通過(guò)Internet/Intranet可以直接操控攝像機或者將實(shí)時(shí)視頻圖像和過(guò)程數據集成在一幅監控畫(huà)面中。

6  結語(yǔ)

    綜上所述，由于以太網(wǎng)技術(shù)充分考慮了今后的發(fā)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(wú)需考慮網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，集線(xiàn)器的應用可不考慮網(wǎng)絡(luò )的擴展，集線(xiàn)器技術(shù)確保了數據傳輸的確定性。因此，在所有的網(wǎng)絡(luò )中，TCP/IP以太網(wǎng)是至今最理想的選擇。