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从开放现场总线技术NetLinx到集成架构
jiang_0514 发表于 2009/3/31 12:18:06 1095 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 引言
当今，现场总线技术和产品正处于一个方兴未艾的时期。各种现场总线技术层出不穷，而基于现场总线的所谓现场总线控制系统FCS也正日益成为业界讨论的热点。各大主流厂商也都在不遗余力地推广自己所推崇的总线技术，咨询机构、行业用户在选择适合自己行业应用的解决方案时也不可避免地面临这种“乱花渐欲迷人眼”的局面。那么，什么是这种现象背后的巨大的驱动力量？用户又如何区分，做出适合自己应用需求的选择呢？本文力图从分析现场总线技术中的一些基本概念出发，来阐述罗克韦尔自动化公司的开放现场总线体系NetLinx的核心理念，并说明其在集成架构（Integrated Architecture）中的地位和作用，以及这一开创性架构能够为行业用户带来的价值。
2 现场总线技术发展的核心驱动力
传统的自动化技术今天正面临着前所未有的挑战。国际知名研究机构Forrester Research在2000年针对50家全球运作的企业的调查结果显示，在回答“什么是你全球经营最大的问题”时，38％的企业将“工厂生产缺乏透明度”列为第一位，其次分别是“需求预测的不准确性”（36％）和“缺乏沟通和交流”（24％）。很显然，企业所反应出来的主要问题都与有效获取生产过程中的相关信息有关。人们自然的估计是，这至少与企业内部生产控制中的网络系统，主要是现场总线技术的应用水平有关。今天，你很难预期一个在生产系统上尚处于“设备孤岛”阶段的企业达到高效率的数据共享。
不过严格说来，生产数据在企业内部以及企业成员单位之间的有效共享，则应当是依赖于一个涵盖了控制平台、网络通讯、以可视化为代表的数据共享机制的完整的自动化基础设施，即所谓的集成架构（Integrated Architecture）。但是勿庸置疑，现场总线技术在其中发挥着十分重要的作用。大家在随后的例子中就会发现，现场总线的基本理念，会渗透到控制系统设计中，并给整个系统的性能带来很大的不同。
3 现场总线网络服务解析
尽管总线产品的类型多种多样，但是归根到底必须要根据总线自身的特点，结合到具体控制系统，结合到具体的行业和应用要求，实现特定的功能。撇开各种总线的具体的技术规范，考虑这样的一个问题：今天，人们究竟在利用现场总线实现什么样的功能？事实上，总线的应用不外乎如下几种情况：
? 连接网络I/O，
? 连接智能现场设备，
? 上位监控HMI，
? 底层设备诊断，
? 网络浏览、设备定位，
? 程序上载、下载，
? 系统和设备组态。
实际上，所有这些功能都可以用三个“C”来概括，即Control（实时控制）、Collect（数据采集）和Configure（系统组态）。
Control：典型的包括远程I/O控制、智能型设备如变频器实时网络控制、控制器之间通过网络实现的互锁功能等。典型特点是：数据成组，数据块大小有限但是强调快速、可重复、确定性的通讯。典型地开关量信号5~10毫秒、模拟量40~200毫秒刷新等。某些通过实时总线连接的就地操作员（EOI）站也可归为这一类通讯。
Collect：通过网络完成的数据采集和发送。如上位HMI完成数据采集和监视控制（SCADA），同时也包括系统诊断信息的提取等。典型特点是数据通讯量大，要求周期性或者应系统需要实现通讯，典型刷新时间500~1 000毫秒。
Configure：通过网络完成就地和远程设备以及系统的设置、组态，程序的上载、下载等任务，包括提供路由支持，实现网络设备的定位或者状态浏览功能。典型特点是通讯任务为人为型、突发型，数据传送量非常大（最新的控制器程序大小多为几百K甚至数兆字节），任务完成时间从几十秒到数分钟甚至更长的时间。
4 传统现场总线解决方案的局限性
事实上，上述三个“C”恰好可以完整描述人们对工业网络典型的功能要求。而且通常这三种功能是从顶层到底层，随时随地、贯穿始终的。很难想象，底层丰富的诊断数据如果不能方便地在整个网络架构中提取和共享，这种诊断的实际意义有多大。但是很显然，这三种网络功能（Services）在数据传送量、实时性要求、发生特性上都有着极大的区别，甚至可以说将其融合在一根总线上存在本质上的冲突和矛盾。如何解决这一矛盾？我们的问题是：
(1) 是否可以通过提高总线波特率解决这些矛盾？
(2) 三层网络本身存在纵向集成问题，如何跨越不同的网络层次完整集成这些功能？
(3) 是否可以使用某种代理（Proxy）或者网关来实现这些功能？
(4) 什么是真正可行的解决方案？
是否可以通过提高网络波特率解决这些问题呢？答案是否定的。其根本原因在于，影响网络吞吐量（Throughput）的三个要素中，除了波特率，还包括协议的效率和通讯的模式。用以太网（典型1 500字节长）去处理位元（bit）信息显然效率不高。其实核心的要素是网络通讯模式对网络带宽的使用效率和不同网络服务的优先级处理问题。毕竟，网络波特率即便大幅提升，终究有一定限制，是有限的资源。
此外，如何跨越不同层次的网络实现集成的通讯服务？现在大家普遍认同的一点，就是典型的三层网络结构，即信息层、控制层、设备层。如何实现从信息层到底层工业设备的透明访问？传统的控制系统很难实现这一要求，其原因在于：
(1) 三层网络没有通用的路由服务支持，必须借助于控制器或者网关设备完成不同层次之间的信息传递；
(2) 传统的主从模式的网络是基于轮询或者主从扫描方式工作的，控制器必须要占用其宝贵的处理能力来管理通讯，同时用户必须调用相应的功能块，或编写特定的路由表来完成通讯的任务。这样不仅加重了处理器的负荷，影响系统实时控制性能，而且非专业人员很难达到底层的深度透明访问。这也就是传统系统只能提供有限诊断，甚至网络的浏览也只能限定在静态访问的原因。
5 NetLinx解决方案核心技术分析
罗克韦尔自动化则基于用户需求，创新性地解决了这些问题，从而使网络通讯和数据共享提升到了一个全新的境界。其中的关键技术包括：
(1) 采用创新的、效率和实时性更高的Producer/Consumer（生产者/消费者）模式来取代传统的主从Source/Destination（源/目的）模式。开放现场总线技术EtherNet/IP（IEEE 802.3）、ControlNet（IEC61158，EN50170）、DeviceNet（IEC62026，EN 50325，中国国标 GB/T 1858.3）、FF（IEC61158，EN50173）都是采用生产者/消费者技术的典型代表。罗克韦尔自动化现场总线体系结构就构筑在这些开放总线产品的基础之上，如图1所示。
图1 罗克韦尔自动化开放现场总线结构示意图
(2) 各层总线采用同一个应用层协议CIP（Common Industrial Protocol，通用工业协议，又称“控制与信息协议”），其结构如图2所示。CIP协议的控制部分用以进行实时I/O数据传送和互锁。信息处理部分用以进行报文信息的交换，如对等的通讯、报警、组态、操作员显示站以及故障诊断等。CIP 协议突出网络效率，可在同一介质上实现实时控制、设备组态以及数据采集等工作（完美集成三个“C”的功能），而这一切即便在今天，在其它的通讯系统中仍是不可想象的。另外，CIP是一个与介质无关的技术，这使得人们未来在其他的底层通讯技术之上很容易加载这种通讯协议。
图2 基于CIP协议的开放现场总线体系示意图
(3) 创新的控制系统设计。罗克韦尔自动化全新集成控制和通讯平台ControlLogix系统创新性地将Producer/Consumer技术引入到其底板ControlBus的设计中，构造了独特的透明底板技术，即在任何一点，以任何方式（点对点串口、以太网、ControlNet、拨号网络、无线接入等）只要接入系统，就可以访问到从顶层（以太网）到底层（DeviceNet网络）的任何一点、任何一台设备完整的控制、组态和诊断信息，即完整的通讯功能实现，而且所有这一切无需处理器参与，无需任何编程，而且对系统正常的实时控制不会造成任何影响，可以具体到控制系统模块中的每一个点，深入到车间现场任何一台智能总线设备，实现完全动态、实时的、完整的信息访问。图3给出了一个全透明系统访问的实例，即一个实际的饮料生产企业，过程处理、包装和仓储管理子系统通过以太网相连。现在工程师在中控室打开RSLinx网络通讯软件，即可透明访问到系统中任何一个节点设备，包括现场连接在DeviceNet网络上的伺服控制器、I/O、变频器等所有设备，可以方便地实现包括系统诊断、组态、控制调节等完整的网络功能。大大提高了系统调试、运行和维护的效率。
(4) 利用罗克韦尔软件强大的软件实力，采用创新的FacktoryTalk技术，通过公共的数据名空间（NameSpace），方便地在整个企业的范围内共享实时、诊断信息等数据，同时提供成熟的实时数据库和企业关系型数据库事务管理软件RSSQL，在企业生产管理层面提供模块化的MES（制造业执行系统）软件，完成从生产排程管理，设备效率分析，物料跟踪，批次处理到流程仿真等全过程的生产管理，并且能够和企业ERP系统方便地接口，真正实现企业范围内的完整数据共享方案。
图3 基于Logix和NetLinx的全透明系统访问
6 集成架构的优势
从前边的分析即可看出，现场总线技术对控制系统的影响不仅限于改变了系统拓扑的面貌，而且在更深入的层面上影响着控制系统的性能，甚至其设计理念。更为重要的是，总线体系不会在一夜之间形成，更不会在短时间内改变，而作为控制系统基础的现场总线技术一定会在更为深远、更为长期的意义上影响着控制系统的性能与发展。罗克韦尔自动化从1994年发明并公开化DeviceNet技术开始，将其对先进现场总线技术的深刻理解贯彻到整个现场总线技术体系中，并创造性地运用到其集成控制平台Logix技术上，造就了独一无二的集成架构技术（Integrated Architecture）和优越的系统性能。
高效率透明三层网络体系NetLinx技术提供了从互联网到车间底层透明贯通的完整的数据通讯功能，结合创新的透明底板技术，系统网络同一层次之间，跨越不同层次，任何一点接入，都可以实现无缝、透明的数据访问，用户可以自如地对系统任何一个节点设备随时随地进行实时控制、数据采集、系统组态和远程诊断。而且网络性能可设定、可预知、可确保、可调节。
同时，配合FactoryTalk企业实时数据交换技术，系统内的实时数据可以在企业内部一次定义，即可高效共享，为控制、诊断等实时数据在企业范围内的透明共享奠定了基础。成熟的数据库事务管理软件在实时数据库和关系型数据库之间搭起了一座可靠的桥梁，为使用模块化的MES系统RSBizWare套件，以及和ERP系统之间接口，提供了成熟、可靠、开放化的解决方案。
由此看来，NetLinx、FactoryTalk，RSSQL三者在不同层面上环环相扣，构造了一个工厂和企业数据从底到顶，无缝集成，结构开放、方便透明的一个企业数据访问基础架构，完成了现代企业内部纵向的集成，解决了工厂生产不透明地问题，使得企业在竞争中易于建立基础优势。
同时，在横向层面上，罗克韦尔自动化创造性地将这种集成理念贯穿到其新一代控制平台Logix系统的设计中，用同一个操作内核，统一的开发软件（Logix5000），覆盖了顺序控制（传统PLC）、过程控制（传统DCS）、批次处理（传统DCS）、传动控制、运动控制（配合集成驱动技术Kinetix）、安全控制（SIL2 ESD系统等），完成了控制平台的横向集成，在系统设计、项目实施、运行维护、人员培训、系统集成、备件支持等环节上，都可以大大减少用户成本，也因此被自动化技术领先研究机构ARC誉为面向下一代的PAC（Programmable Automation Controller，可编程自动化控制器）系统的典范。更为重要的是，罗克韦尔自动化今天已经基本完成了Logix技术的整合，是成熟的PAC系统技术。而且Logix系统的规模完全可伸缩，跨越从几十点到数万点的系统，满足用户不同控制应用和预算的需求。
与此相适应，罗克韦尔自动化在界面技术方面进一步整合，推出了全新可视化技术ViewAnyWare，即使用一个开发软件RSView Studio，可以完成企业级（RSView SE监控版）到车间级（RSView ME机器版）的组态，实现画面、标签的重用互换，并针对Logix平台开发了直接标签引用（Direct Tag Referencing）技术，使得HMI系统可以直接引用Logix控制器中的标签而无需繁杂的导入过程，并且和控制器中的标签同步变化，避免了频繁更改可能带来的错误。
图4 基于现场总线技术的集成架构
综上所述，Logix/Kinetix、NetLinx、ViewAnyWare、FactoryTalk、RSBizWare，从横向到纵向，构成了一个紧密集成、结构清晰而又开放化的基于现场总线技术的集成架构（如图4所示），在性能、综合成本、成熟性方面都存在巨大的优势，必将为自动化系统带来崭新的面貌。