新自动化之我见(下)

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aasevenl 发表于 2006/4/27 19:33:07 1548 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]

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新自动化的开放性：大地的光辉

谈到开放，我们似乎就不能回避曾经风光无限、也大有依旧笑傲江湖之势的现场总线。现场总线为现场设备之间的通信而做出的杰出贡献在于，一根总线即可取代从前千头万绪、牵牵绊绊的通信线缆，而且实时性更强，安全性更高，传输速度更快，更为经济，的确为工厂自动化带来了一场深层次技术革命。但是，众所周知，早期的计算机控制系统一般不提供与外部的接口，即使有的控制系统具有外部通信接口，亦不公布其通信协议或通信速度很慢，其原因可能是为了保证系统的安全性，亦可能是为了获取技术垄断利润。因而，闻名世界的现场总线尽管林林总总，彼此间却互不兼容，使受困于协议鸿沟而导致的“自动化孤岛”现象日益凸显。为了实现自动化设备和计算机网络的互联，工业以太网作为更加开放性的标准以及更加经济的选择才得以开始流行。所以说，工业以太网挺进自动化领域，事实上是技术与市场发展的必然结果。

我们的世界变化太快了。中国制造业正在跑步进入信息化时代。这种说法似乎并不为过。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机控制系统的大规模推广应用，系统集成已经成为制造业信息化的核心组成部分，于是对自动化系统的开放性提出了非常迫切的需求。数字化、网络化制造不但要求现场设备层内部血脉相连，还要求现场设备层与制造执行层畅通无阻，更要求制造执行层与资源管理层之间无缝集成。目前，开放性接口已成为计算机控制系统的基本功能模块。有些计算机控制系统提供了标准串行接口、DDE服务器或TCP/IP网络接口等；特别是随着国际OPC基金会的成立和发展，主流型计算机集散控制系统、现场总线控制系统、PLC等一般均支持OPC接口，提供OPC服务器，为高速数据通信提供了标准接口。当然，对于基于关系数据库的各种管理信息系统，目前对开放性的要求和可以提供的开放性技术亦日趋提高和成熟，尤其是中间件技术的提出和快速发展，为异构系统的互连和集成提供了有效途径。随着工厂自动化系统走向分布化、智能化实时控制的发展趋势，当通信成为关键，对统一的通信协议和网络的要求日益迫切，以及Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，从现场控制层到管理层必须实现全面无缝信息集成具备了现实的可能。

罗克韦尔自动化控制与信息产品经理孙军凯先生在接受本刊采访时，总结工业以太网的实现条件时说，以太网技术发展速度很快，从商业领域逐渐进入工业现场，以太网技术的端口冲突问题、冗余问题的研究已经为以太网技术在工业控制中的应用奠定了强大的基础，以太网在向底层控制渗透的过程中，在实现远程I/O控制、智能型设备、控制器之间的网络互锁功能，以及通过网络完成数据采集、监视控制、系统的设置、组态等方面都取得了相当的进展。所以，工业以太网进入工业自动化已经是不争的事实。我们已经看到关于它的宣传已经铺天盖地。一家关于工业以太网技术培训机构的广告词这样写到：“据业内权威统计，工业以太网技术在工业控制网络中的市场占有率以每年超过50％的高速度增长。工业以太网以其无可比拟的技术优势已经成为工业控制网络中信息层和控制层中的主流技术，并迅速向现场设备层延伸。在这种市场背景下，工业自动化工程师必须尽快掌握工业以太网技术，以适应工业控制网络技术日新月异的变化，从而在激烈的市场竞争中立于不败之地。而反观我国工业自动化领域现状，绝大部分自动化工程师对工业以太网技术了解程度不够，缺乏全面系统的培训，因此，普及工业以太网技术已经成为我国工业自动化领域一项当务之急的任务。”

然而，工业以太网并非完美绝伦。客观而言，工业以太网并不是非常成熟的技术，正处在重大的成长关键时期。实时性与安全性一直是工业以太网的软肋。实时性有硬件问题也有软件的问题。针对这一点，许多公司已经推出了各自的解决方案，例如罗克韦尔自动化采用创新的、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）模式解决实时性的问题，采用软件实时监控全厂设备的运行情况、设立多层密码，将工控网和厂级管理网与外部网络分开来解决安全问题。贝加莱则宣称，在高动态、高精度的控制环境中，Ethernet Powerlink 是目前针对高速实时通信的绝妙选择；为实现通信安全性，Ethernet Powerlink把在现场中的实时通信和现场与上位以及办公室环境的非实时通信分成两个域，这两个域被严格分开，在非实时通信域（TCP／IP）受到干扰时，实时通信域照常工作，这样有效阻止了外界网络对工业现场网络的干扰。同时，这两个域之间的相互通信是不受限制的。西门子最新发布的REAL-TIME技术也是针对实时性提出的最新解决方案。德国倍福的ETHERCAT也是最新推出的实时以太网技术。德国倍福电气有限公司北京代表处技术支持刘卫列先生这样评价众多的以太网实时技术，他认为各家推出的产品及技术都各具优势和特点。从另一个角度来讲，这无疑正说明了工业以太网有着充满前景的未来以及更为激烈的撕杀。

与现有的各类现场总线相比，它更具有强大的开放性，能更方便地与管理系统进行集成。无论从工业以太网本身的技术发展程度，还是从目前的应用趋势而言，尽管各界还存在着诸多顾虑，工业以太网时代的到来已势不可挡。但我们还可以预见的是，现场总线的硝烟尚未散去，工业以太网的烽火已经点燃。谁将引领工业以太网的未来，似乎还需要我们拭目以待。西门子（中国）有限公司工业通讯网络及MES系统部门经理陈海东有一句话，我印象深刻。他说，工业以太网事实上仿佛正处在当初互联网的烧钱时代。对于中国广大制造企业而言，现场总线级的解决方案还存在众多盲区，工业以太网就开放性而言，的确是新自动化不可逆转的发展趋势，然而技术的展览需要时间的积累以及大量资金的投入，目前只有那些具备技术研发实力和海量资金投入的机构才能担当此任。所以，我们认为，工业以太网的未来虽然美丽，然而目前，我们最好还是谨慎观望。

新自动化的智能性：走向开放的源头

当PLM、MES、ERP、CRM、SCM等复杂系统的应用不断扩展，工厂自动化技术根本没有回避的余地。海量数据传输呼唤万兆网络时代的到来，随时随地接入互联网的需求正掀起一场工业网络的建设高潮。所有这些炙手可热的技术将给人们带来完全不可想象的新体验。纵观以太网30年发展史，未来的以太网是智能化网络，它帮助企业通过简便、有效地集成数据、业务流程和应用将合作伙伴、供应商和客户紧密地连接在一起。智能信息网络能把数据、语音和视频集成到一个综合的、单一的、基于IP的通信网络中。高智能的产品将使网络更加易于管理和高效运作，更快速的产品将满足持续增长的带宽需求。更持久的产品将通过提供可兼容的设备和部件，来保护客户的设备投资，并避免繁琐的、昂贵的、大规模的网络更新。

交换式以太网技术的应运而生，致使以太网交换技术的发展逐步走向智能化，并成为一种应用的发展趋势。对于工业以太网而言，自动化元器件有智能化无疑是实现其智能化的重要基础及手段。

集成现代物理、电子学、控制科学、计算机科学和计量科学于一体，完成信息提取、转换、传递与处理功能的自动化元器件正在走向智能化的终极，在自动控制系统的信息检测及信息处理技术过程中，包括传感器、变送器、控制器、执行机构等自动装置化的集成化、智能化、网络化及可靠性等技术，已经成为市场的热点。毫无疑问，智能化的自动化元器件正在成为新自动化的源头。

成千上万种自动化元器件，传统意义上只是控制器的执行者，然而在信息时代，这些看似简单的元器件通过集成一块特殊算法或者具备更高技术水平处理系统的小小芯片以后，变成了工业网络上一个功能模块，具备了计算机或者控制器的某些功能，成为工业网络的智能细胞，他们自己即可实现某些自动检测、自动诊断、自动开关、自动转换、自动报警甚至信号处理的模块功能，通过自动化的神经枢纽即以太网或者其他的总线路径，使垂直集成成为现实的可能，从而令自动化通向一网到底的理想梦想成真。

我们以传感器为例。在新技术革命和信息社会的重要技术的感染下，传感器已经成为大脑发达的机器设备的灵动五官，而这种信息摄取装置正是基于其跟上了信息技术才得以获得发展，成为最具智能性的元器件之一。自动化元器件作为自动化系统当中最基本的单元，电子控制单元的软硬件、传感器、执行器、系统的可靠性和控制精度等方面，随着数字化、网络化制造的发展，在技术与制造等方面无疑将获得长足发展。

智能化的自动化元器件，是新自动化的源头，也是实现一网到底的自动化革命的基础，将为制造业带来一劳永逸的福音。虽然目前其成本较高，但基于其可观的性价比，不少专家认为智能性的自动化元器件必将成为市场的新宠。

新自动化的角色多元性：企业资产管理EAM

新自动化的第三个特征是角色多元性。现代企业不仅必须强化自身的制造能力，而且由于全球化或者区域化企业间联合制造模式的发展，都要求企业对于设备及生产线的控制必须做到全面的信息化。即新自动化的意义在于，对于企业内部而言，不仅惠及本身的制造环节，而且荫及企业资产管理如设备安全保护、生产质量控制甚至老设备改造等制造的外围环节；对于联邦制造的企业之间，一个企业中的设备可能和异地企业的设备组成制造系统，或者由异地企业来控制管理，所以研究设备的远程监控是实现全球化制造的重要课题。而这些对于现代企业而言，不但日益成为成本的重要组成部分，同时也是企业核心竞争力的重要组成部分。

然而，据统计，绝大部分企业的设备管理部门的工作效率在10%～40%之间，并且设备故障的70%都源于部门的管理上。许多企业管理者忽视企业设备管理与维护的重要性，导致企业竞争力和盈利能力的下降。从国外的情况看，通过实施企业资产管理，能够降低设备故障率、提高产能的目标，有些企业的生产能力甚至提高了20%。企业资产管理是建立在以CMMS为平台的基础之上的，并通过与ERP和自动化系统的集成，即只有实施企业资产管理信息化，能够实时管理设备情况。但实施企业资产管理信息化的前提，即是企业内部制造过程必须是一个高度开放而智能性的自动化系统。当图像视觉系统、传感器、光电开关、编码器、变送器、仪器仪表在这些方面发挥重要作用的时候，我们的资产管理走向信息化的时候，也许向管理要效益才会成为真正的现实。只有建立了这样的自动化系统，才能真正实现企业内部以及企业之间的资产管理信息化，才能真正提升企业的核心竞争力。而此，正是新自动化的新角色。

目前，企业的资产管理部门，往往独立于企业生产管理和车间生产之外，这种情况对于企业的资产管理造成了障碍。企业资产管理的目标主要表现在以下七个方面：(1)改善工人的安全保障，促进规程的执行，减少停产时间；(2)提高设备的利用率和可靠性指标；(3)控制维护及维修费用，延长设备的生命周期；(4)降低备件库存及备件成本；(5)提高采购效率；(6)更有效地配置生产设备、人员及其他资源；(7)帮助企业更好地贯彻行业和政府部门的法规。而实施企业资产管理信息化是解决这一问题的惟一有效途径。EAM的意义在于，它不但与ERP无缝集成，还必须与自动化系统紧密结合。与ERP的集成由于主要集中于管理层面，而与跟自动化系统的接口，由于从管理层一直必须贯彻到控制层与执行层，而基于自动化系统的标准及开放问题，而在信息化孤岛前出现断裂。因此，只有实现了新自动化的开放性，EAM才能得以有效的实施。

实现全球化的制造不但要进行企业间管理信息层面的连接，有时还需要对远程设备进行监控与测试，信息的交换深入到设备层面，从而实现企业内部和企业之间全方位的融合。远程资产监控包括设备的远程数据采集、设备控制系统的远程调试和配置、设备的远程控制和设备的远程维护。实现设备远程管理不同于设备的本地控制，必须研究对不同设备控制的程度和深度。无论基于网络的资产管理，均要求设备本身的开放性、智能化必须达到非常高的自动化水平。而基于网络的资产管理是设备控制技术和通信技术相结合的产物，现场信息的实时性、甚至图像化要求非常之高，超大的信息量对通讯及网络的要求可想而知。因而，基于Internet以及工业以太网的远程资产管理更具有发展前景。

现场总线的未来：危机就是转机

工业以太网的到来，仿佛令现场总线陷入困境。一时间，业内业外，加之媒体的炒作以及供应商的渲染，工业以太网与现场总线之争弥漫业界。争论的焦点集中于工业以太网是否能够取代现场总线并且一网到底，成为工业通信乃至工业网络走向互联世界的惟一正途。关于这个问题，本刊记者采访了众多自动化供应商。

西门子（中国）有限公司工业通讯网络及MES系统部门经理陈海东认为，所谓网线之争，虽然不能说它是一种完全意义的市场炒作，但这种争论本身并没有太多的意义。陈海东说，大部分以太网产品供应商出身于IT，有着深刻的IT背景。IT的前途在于走向行业，这是不庸质疑的事实，以太网走向控制领域这一传统自动化地盘，事实上正是IT的工业转移。但是他们的不足在于他们缺少深刻的自动化背景，对于制造业自动化体系的更多理解缺少技术把握、行业基础和现场背景。而现场总线为工业经太网所取代，就目前而言，也并不现实。陈海东认为，首先，现场总线就目前的功能而言，在许多应用技术与功能方面强于工业以太网；其次，相对于工业以太网，现场总线不但是一种比较成熟的技术，而且具备相对成熟得多的社会培训体系、技术人才积累以及企业应用环境；再则，对于现场总线而言，产品线丰富而且成本较低，工业以太网产品目前在这个方面尚不能相比，产品的可选择度不高，而且成本相对较高。

罗克韦尔自动化控制与信息产品经理孙军凯先生认为，每种总线技术的产生和发展有其特定的技术和行业驱动背景，有它自己的适用范围和特色。就目前来看，确实没有哪一种单一的总线产品能够覆盖所有的应用，包括现在大家讨论比较热烈的工业以太网技术，其相应的标准也仍然在发展和制定过程中，还有一些技术问题有待解决。可以预期：今后较长一段时间内，用户仍需要组合多种总线去满足其特定的应用需求。所以说，用户选择现场总线时实际上是在选择总线系统，而非某种单一的总线产品。应当考虑的问题是，选择的不同总线组合，在集成性方面怎样？是否都开放、透明、高效？另外，从技术发展的观点判断，是否具有先进性和前瞻性？与未来工业以太网的兼容性如何？

但是我们从近两年自动化技术的发展来看，这场争论对于众多自动化供应商而言，最大的好处在于，工业以太网的出现恰恰为现有现场总线技术的发展趋势提出了新的要求，或者说是为现场总线的市场领域提供了新的出路。危机有的时候就是转机。值得关注的是，世界知名的自动化供应商正在推出或正在研发自己的工业以太网概念、产品以及能够集成第三方总线的解决方案，数得着的就有PROFINET、POWERLINK、MODBUSTCP/IP、MELSECNET、ETHERNET/IP等。西门子（中国）有限公司工业通讯网络及MES系统部门经理陈海东介绍说，由自动化供应商推出的工业以太网产品最大的不同在于，一则由于他们的工业以太网事实上是在其现场总线的基础上升级开发出来的，与原有的自动化系统能够实现真正的无缝集成；二则能够保护客户原有的投资，对于客户的工业以太网建设与企业的信息化而言，无疑是能够优化现有资源的较好方案；三则由于自动化供应商基于以太网的开放性进行工业以太网产品的开发，因而对于集成第三方现场总线的考虑尤其充分。而现场总线的未来呢？业界专家说过，事实上，就通信接口标准来讲，自动化系统一直是采用统一标准的，至少在硬件方面，

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