现场总线作为控制工程界和仪表自动化界的新一代技术,已有多年的发展历史。目前除了看到越来越多的厂家推出了一个又一个新系统、新产品外,对于人们所期待的开放性,即多厂家产品可以互连、互通、互操作方面仍然没有看到突破性的进展。当然,目前有不少厂家推出了可以将多种现场总线连接在一起的网关类产品,但这只能解决不同现场总线之间的信息互通问题,远未达到可互操作的程度。而且,依靠网关实现转换,对于使用者来说还不是很方便的,从用户的角度看,用转换器或网关连接不同的产品,肯定不如直接连接更方便,更能保证功能和性能。造成这种情况的根本原因,不是因为现场总线的产品太多了,而是由于现场总线的标准太多了。多个标准的存在阻碍了开放性目标的实现,而开放性又是影响现场总线技术得到广泛应用并推动仪表数字化进程的关键因素。
在历史上,测量与控制有一个从单个设备到构成系统的质变过程,实现这种质变的关键因素是通信。在仪表控制时代,是4~20mA这样的信号传输技术使单个的仪表控制设备连结在一起形成了仪表控制系统,而在计算机控制时代,则是计算机局域网使集中控制变成了分布控制。由于通信是一种将多台单个设备连接在一起的技术,因此它的最重要特性就是标准,也就是说,凡是要互连在一起的设备,必须遵循统一的通信规约,采用一样的通信设备,接在同样的物理线路之上,才能够实现通信功能。因此,任何通信设备的开发都是从标准的制定开始的。当然,为了开发通信产品而制定的标准,一般都是厂家自己制定的,是围绕该厂家自有的技术和产品而制定的各种内部规范。而不论哪个厂家,开发出产品都是为了扩大应用,打开市场,在这个时期,标准又成了拓展市场提高竞争力的有力工具。
产品的标准有两类,一类是规定产品外部特性和对外接口的,这类标准在产品推向市场时就必须向社会公布,因为这是用户检验、使用相应设备时必须依据的文本。还有一类标准涉及产品的内部构造、内部技术规范、各组成部分之间的连接关系等,这类标准一般是企业的内部标准,并没有必要向社会公开,它只是企业在进行产品生产时作为形成生产工艺的依据,属企业自己的技术知识产权。对于后一类标准,绝大多数企业是作为技术知识产权严加保护的,但也有例外,其中最典型的例子就是IBM PC技术规范的公开。在IBM将其个人计算机的技术规范公开之后,计算机这个20世纪最伟大的发明就从神秘的实验室走进了办公室和普通人的家庭,其市场需求量产生了爆炸式的增长。IBM此举不仅没有损害自己的商业利益,相反,由于市场需求的激增,PC成了IBM的新的产业支柱,而且由PC数量的激增又带来了许多新兴产业。当然,在这种开放的环境中,IBM将面对多个厂家的竞争,在这个市场上将不再存在垄断利润,要在PC业务上有所发展,只能通过自身竞争力的提高才能实现。比较起来,在计算机产业中,小市场中的垄断利润并不比大市场中的竞争利润来得更大,因此,PC技术规范的开放是IBM利用开放标准扩大产业的一个成功案例。
为什么PC技术标准的公开会造成该产品需求量的爆炸式增长?这是应该认真研究的。首先,从技术上PC的体系结构适应了市场的需求,当时已有不少公司推出了基于微处理器的各种个人电脑产品,例如著名的苹果电脑,由于各家的个人电脑都没有足够大的销量,因此成本都相当高,这自然阻碍了个人电脑需求量的增长,而需求量上不去,产品的成本就下不来。这形成了一个死循环,而IBM决定公开其PC标准,就成了打破这个死循环的关键之举。PC技术标准的公开使得很多中小电子制造企业加入到了PC机部件的制造者行列,很多没有能力设计整机的公司,可以根据标准生产PC机的板卡部件,而利用标准的板卡和部件,可以很容易地组装成整机。这样,生产的批量上去了,产品的价格压下来了,同时也促使更多的人购买、使用PC机,原来的死循环变成了良性循环。因此PC机的市场猛增,把其它机种远远地甩在了后面。
这里有两个关键点必须强调。第一是PC机的开放标准规范了硬件的生产,而且这个标准是唯一的。电子产品硬件的生产涉及到很多生产设备、生产工艺、原材料等环节,这些必须用一个唯一的标准去规范,才能够进行规模化的批量生产,而用统一的标准生产的产品越多,批量越大、单件产品的成本就越低。可以设想一下,当初在IBM公开其PC机技术标准的同时,如果苹果公司也同时公布苹果机的技术标准,那么个人电脑的市场将会如何发展呢?结果不好预测。第二是PC机的开放标准是有限的,即该标准只涉及到PC机的硬件规范,其实最主要的就是PC总线的规范,当然还有电气连接、机械尺寸等规范。再上层的软件则只规定了访问硬件的接口,其余由软件公司去自由发挥。因此在标准的PC硬件之上,可以有DOS、Windows、Solaris、各种UNIX、LINUX等等多种操作系统。而在应用软件方面,则更多达成千上万种。无疑,丰富的软件是促进PC机大量应用的又一个关键因素。但是,软件的极大丰富不是用软件的有关标准规范出来的,相反,这是在统一的硬件标准之上通过自由发展而形成的。由于软件是直接面向应用的产品,而应用的需求是千差万别的,也是随着时间的发展不断发展变化的。我们不可能用标准去规定或固化应用,但应用的基础平台,即硬件应该是标准的。这样针对不同应用开发出来的软件才能有共同的平台,才能够在不同的应用之间实现信息的互通和共享。 可以用图1表明不同的应用与基础平台之间的关系。假设有A、B、C三个应用,其中有一部分是各个应用都需要的共性部分,在逻辑上被表示为A&B&C,这个共性部分即为应用平台,由硬件及固化的软件组成。在图1中,需要标准化的是平台,即A&B&C,而其余部分则需要根据应用的需求自由发展。

图1 多种应用与基础平台的关系
通过以上的论述,应该对当前在现场总线技术领域中出现的多标准局面有一个较明确的认识。在IEC的多个现场总线标准中,绝大多数都包含了OSI层次模型中的物理层、数据链路层和应用层等内容,有些标准还在应用层之上增加了更高层次用户层。如果说OSI模型中的底层(指传输层以下各层,包括物理层、数据链路层、网络层、传输层)是可以满足各种不同应用需求的基础网络平台,那么其高层,包括应用层和用户层,就是与具体应用关系密切的部分。在同一个标准中将基础平台和应用捆绑在一起,将很难兼顾标准的普遍适用性和满足不同应用的多样性,必然要做出某种牺牲。事实上,多种现场总线即使都是IEC通过的标准,但也有其不同的最佳应用领域,如FF之流程控制领域、DeviceNet之逻辑控制领域等。这实际上局限了标准的适用性,人们不会设想在制造行业的控制系统中使用FF现场总线,也不会设想在化工厂等流程控制系统中选用SwiftNet。在IEC 61158的多种现场总线标准中,不乏相当好的技术,作为底层的网络通信支撑平台,可以有相当广阔的应用领域。但是一旦与高层协议捆绑,就阻碍了它的广泛应用。人们不能设想在ProfiBus的物理层、数据链路层的协议平台上跑FF的应用层协议,也不能设想在FF的H1线路上跑DeviceNet的高层协议。而作为底层支撑平台的产品,一般都是以硬件以及固化软件形态出现的,这类产品若不具备最广泛的普适性,必然达不到生产的经济批量,这将导致产品的成本居高不下,反过来又阻碍了产品的应用数量。目前,多标准的现场总线就处在这样一种难堪的局面当中。
从上面的讨论中知道,作为标准,唯一性或统一性是极为重要的,有了唯一的、统一的标准,才有可能形成巨大的应用量,或达到产业规模。而统一标准形成的必要条件,就是标准要尽量简单,需要遵循的规定要尽量少。实际上,越是复杂的标准,各种规定越是繁杂的标准,就越不容易得到广泛的采用和遵循。在仪表行业,4~20mA标准正是由于其简单明了,得到了各家仪表企业和用户的广泛认同,成为了仪表界的统一标准。在此标准之下,任何一个厂家的仪表都可以和另一厂家的仪表共存于一个应用系统中,其信号的交换不存在任何障碍。而在模拟信号走向数字信息之后,由于技术比过去复杂了,而且,数字化技术大大地扩展了系统的功能。因此,数字化仪表控制系统的标准必然比4~20mA这样简单的模拟信号标准要复杂得多。面对这样复杂的情况,充分利用OSI参考模型,按照不同的功能层次制定不同的标准,并按OSI模型的层次来规范层次间的接口关系,应该是将复杂问题简单化的好方法,而不是像现在这样,推出多个互相独立、互不兼容、功能层次完整的标准。
目前处于关注焦点的工业以太网技术极有可能成为打破现场总线多标准并存的不利局面的转折点,但是应该特别引起注意的是,务必不要使工业以太网成为第九个或第十一个现场总线类型,成为又一个将底层数据通信支撑平台和高层应用捆绑在一起的非常复杂的标准。这样的标准注定是很难得到广泛认同和采用的,对推动仪表数字化进程、形成数字化仪控产业将起不到什么作用。人们希望的是在传输层以下形成一个统一的标准,这个标准将以通用的以太网和IP、TCP/UDP为基础,增加数据实时通信能力,在工业环境下运行的防护能力、网络供电能力、网络冗余能力、防爆措施和与通用信息网段互连等各项与工业应用相关的规范。在应用层面,可以提供一个标准的接口或框架,在数据格式中预留大量的可根据应用需求定义的字段。至于具体的应用,完全可以根据需求去扩展,这完全是可以用软件解决的问题,而在底层的基础实现了统一标准后,应用软件是不怕多的,越丰富越好,它必定对现场总线技术起到极大的推进作用。
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