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作者：刘磅
单位：深圳达实智能股份有限公司
1 自动化技术发展的新需求
传统的控制系统主要有四层结构 :第一层是 I/ O层（传感器和执行器），完成物理量的测量和控制命令的执行；第二层是控制器层，完成信息的集中处理；第三层是人机接口层；第四层是企业信息系统层。除在第三层、第四层之间采用以太网外 ,其他都是专用网络 ,控制设备及软件也是专用的 ,开放程度不够 ,给系统维护及升级带来不便。随着现代生产的规模的扩大和复杂，要求对企业的各种信息（如生产过程信息、销售信息、财务信息以及重点设备实时监控信息）及时全面的了解，这就要求把过程控制网络、实时操作网络和工厂信息网络融为一体，构成统一的网络平台。另一方面，希望控制系统采用开放性、标准化、流行的硬件／操作系统／网络技术，尽可能利用广泛使用的各种计算机技术，有效地减少对专用产品的依赖，减少备品备件数量，降低运行和维护成本。因此， “开放系统”、“现场总线”成为在现代测控领域频繁出现的两个词。
2 FCS现场总线控制系统发展状况
FCS(Fieldbus Control System)顾名思义基于现场总线 ,根据 IEC标准及现场总线基金会的定义 :现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线系统应具有以下技术特点 :1系统的开放性 ;2互可操作性与可用性 ;3现场设备的智能化与功能自治性 ;4系统结构的高度分散性 ;5对现场环境的适应性。现场总线控制系统不仅需要控制系统设备制造商的支持 ,更主要的是要得到分散在现场的传感器及执行设备的支持 ,以取代 DCS的数字 /模拟混合技术 ,成为全数字式系统。这样的系统才会比 DCS有很大的技术及成本优势。经过20年的发展，共产生了 60多个数字通信网络标准以连接传感器、现场设备及控制级网络 ,有 5000多种支持这些网络的产品。这一方面说明网络技术应用的广泛 ,另一方面说明迫切需要一个统一的标准。统一的现场总线标准是开放的现场总线控制系统必备的技术条件。但事实上今天的现场总线(Field Bus)出现了群雄割据的状况，以欧洲为主要市场的有InterBus-S ，Profibus ，CAN Bus …等等,以美国为主要市场的有LonWorks，BitBus，DeviceNet，以及分散全球各地采用RS-485接口的杂牌军。这些现场总线各有特色，各有其发展背景。因此，在市场上各有其专攻的市场及拥护者。由于受集团利益的限制 ,现场总线网络本身至今还无法妥协出一个共同国际标准。不同的总线产品既不能互连，也不能互换，更不能通一组态，也就不能实现互操作。
历史的经验告诉我们，一个新的标准/产品仅仅技术上先进是不够的，MAP协议就是一个很好的例子。70年代，美国GM（General Motor）提出了MAP(Manufacturing Automation Protocol)的架构，符合OSI之ISO标准，涵盖了通信协议所有7个层次(7 Layers of Communication Protocol)。从技术观点，MAP可说是面面俱到无懈可击，全球学界、工业界无不如火如荼投入研发，然而也正因为在实际开发中，复杂度高，成本居高不下，至今一直无法被市场所接受。因此，现场总线设备只能作为传统DCS系统的有益补充，期待其在短期内取代DCS系统是不现实的。
3 以太网技术的迅猛发展
70年代出现的以太网主要应用于办公自动化(OA)领域，从实时控制要求，以太网有许多缺点，其中最重要的便是以太网采用CSMA/CD协议是一种非确定性(Non-Determinism)通讯方式，亦即是大家一起争抢总线控制权发送信息的方式无法保证一串重要信息，在一定的时间内能送达到指定的设备。但由于其技术完全公开，很快地被大家所接受，通过不断改进、提升，市场占有率越来越大，而成本就越来越低，进而变成主流。即使IBM力推Token Ring架构也已难挡此潮流。Ethernet 也从OA领域逐渐扩展至FA领域。现在所有国际自动化厂商的控制器皆提供Ethernet TCP/IP接口，美国最大的测控仪器厂商National Instrument(NI)和OPTO22，最近也推出了Ethernet I/O产品。国际半导体协会SEMI所订定半导体设备标准通讯协议SECS (SEMI Equipment Communication Standard)也从RS-232实体层改建立在Ethernet TCP/IP 之上,称之为HSMS(High Speed Message Specification)。而美国一家专业自动化公司SISCO也将MAP应用层通讯协议 MMS (Manufacturing Message Specification)改建立在Ethernet TCP/IP之上。更随着Internet、家庭网络(Home-Networking)、信息家电IA(Information Appliance)..等快速发展，我们可以很肯定地说不论是办公室自动化(OA)、工厂自动化(FA)、大楼自动化 (BA)、社区自动化(CA)或是家庭自动化(HA)，上至通讯网路，下至各类现场设备，TCP/IP网络将一统天下。
4 以太网应用于工厂自动化的可行性
(1) 实时性
在学术上Ethernet用于自动控制的致命弱点，便是前面所提CSMA/CD通讯协议所具备的Non-determinism特性。传统的以太网结构使用总线将各个节点连在一起 ,允许同时将数据发送到网上 ,这样就发生了冲撞 ,必须采用重发机制以达到相对高的成功率。这种机制导致非确定性 (non-deterministic)，而控制系统需要确定性。以太网技术的发展增强了其通信的确定性 ,首先 ,在网络拓扑结构上 ,采用星形连接及交换式Hub,交换式 Hub提供数据缓冲及具有确定接收数据的网段智能 ,使数据冲撞及重发机会最小化 ;其次 ,快速以太网 (1 0 0 Mbit/ s,1 Gbit/ s)的发展及网络冗余技术使以太网更适应于实时应用 ;另外 ,改进的通信协议克服了 TCP/ IP协议中的缓冲器满再发送及冲撞控制中的允许“丢”包等缺点。
(2) 稳定性
Ethernet介质从同轴电缆(Coaxial Cable)，至双绞线(UTP)，一直到光纤(Optical Fiber)。尤其是光纤网络已逐渐从电讯的主干网络，延伸到终端设备，亦即所谓的光纤到桌面。光纤不受噪声干扰，适合使用在实时监控的高噪声现场环境。另一方面，利用标准的SNMP网络管理工具，可以有效地管理网络。
(3) 通用性
TCP／IP是一套定义各计算机如何通过网络进行通讯的协约。TCP传输控制协议对应于ISO／OSI模型中的传输层，负责将数据消息分组成将被IP层传输的数据包，以及将从IP层接收的数据包重新组合为完整的消息并进行校验的协议。TCP可提供在连至网络上不同计算机上运行的进程间的可靠、面向连接的通讯。IP网际协议对应于ISO／OSI模型中的网络层，负责将数据消息拆分为包，并将这些包从发送者按一定路径传输到目的网络或站点，然后在目的地将包重新组合成原始的数据消息。TCP／IP是目前所实现的最成功的网络协议，是Internet互连网的基础。对该通讯协约的支持内置于所有操作系统中。在数据链路中所用硬件对TCP／IP应用均是透明的。TCP／IP已经成为网络（包括Internet）上进行数据传输的事实标准。具有TCP/IP接口的现场设备(Field Device)可以无须透过现场的计算机，直接连接Internet，实现远程监控(Remote Control)或远程维修(remote Diagnostics)的功能。
(4) 未来趋势
Internet/Intranet的发展趋势已从办公自动化(OA)→工厂自动化(FA)→楼宇自动化(BA)，而现在正向家庭自动化(HA)领域扩展。在家庭自动化领域一个最大的困难便是布线。因此现正在发展电话线的Home PNA，无线，红外以及电力载波等组网技术。而这些技术由于广大市场的推动，技术快速提升，成本则相对下降，未来势必在反向推动至BA，FA，OA领域。不久的将来，我们将可以看到工厂的现场，除了UTP/光纤的Ethernet外，还有许多须移动的设备皆采用无线方式，或在电力线上传输数据，虽然传输介质不同，但可以肯定的是他们都采用同一通讯协议--TCP/IP。
5 TCP/IP 以太网在工厂中的应用
(1) 基于Ethernet控制系统
传统的控制器是由主CPU和子模块通过内部的系统总线连接在一起。最近，德国JETTER AG公司推出了全新的控制系统JetWeb。它是融现场总线技术,100M以太网技术,PLC技术，可视化人机接口技术和全球化生产管理技术为一体的工业自动化控制系统。在JetWeb中，以太网是控制器的一部分并作为连接智能控制模块的系统总线；内部和外部的数据通讯在此没有区别，网络就是控制器。集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间把内部通讯从外部通讯中分离开来。集线器技术及底层协议的集成，确保了以太网的确定性和兼容性，排除了通讯的碰撞问题。以太网系统总线就是现场总线，可连接到每个独立的控制模块。整个过程或系统被看作为一个逻辑单元，甚至是一个独立的控制器。不需考虑网络的各层概念，而只形成为一个层，去除了CPU的瓶颈效应。所有数据在网络中仅需表达一次，网络扮演真正的服务器。从传感器到Internet的通讯开放。从传感器到管理层的直接通讯。与IT 和 Office办公软件兼容。可进行整个工厂的联网。
(2) Ethernet I/O
以前，人们在做工业控制系统的设计时，总是用一些专用的控制设备来完成现场设备的控制，然后再用一上位机和HMI软件做监控；若需要将现场的设备状态反映在企业的管理级网络中，则将上位机连入企业网内。异地查看设备运行状态也必须通过INTERNET，到企业网，再到与现场控制器紧密相连的控制系统的I/O服务器取数据。自从OPTO22公司推出Ethernet智能I/O模块后，这一状况得到了革命性的改变。利用OPTO22的Ethernet 智能板，配以各种各样的I/O模块，组成一个前端智能I/O系统，对外提供以太网通讯接口，可以直接挂在INTRANET或INTERNET网上，直接将现场数据提交到企业的本地或异地的管理网上。
(3) 基于TCP/IP数字视频系统
对于重要的设备/场合需要进行视频监控的场合，以往的做法是通过NTSC/PAL模拟信号送至中央监控室，100个监控点需拉100条同轴电缆。再通过视频卡数字化和视频服务器实现视频图象在网上传播。现在，台湾上尚公司推出了基于TCP/IP全数字化摄像机，用户通过Internet/Intrnet可以直接操控摄像机或者将实时视频图像和过程数据集成在一幅监控画面中。
结论：由于以太网技术充分考虑今后的发展需要，具高传输速率（目前到100M/S），高传输安全性和可靠性，几乎不需考虑网络的拓扑结构，集线器的应用可不考虑网络的扩展，集线器技术确保了数据传输的确定性。因此，在所有的网络中，TCP/IP以太网是至今最理想的选择。