控制网

    随着IT技术的迅速发展，工业自动化系统的不断完善，使得当前从事自动化技术的专业人员面临着一个问题：是否刚刚进入中国的现场总线技术将会被以太网技术所代替？是否Ethernet技术就是现场总线的未来呢？目前为止，我们对于这个问题还不能给予一个简单的回答，但是通过采用以太网技术将会带来自动化技术领域中的新的革新，这一事实将是不容置疑的。其原因并不是因为Ethernet-TCP/IP协议的本身已能满足了现场总线通讯的要求，而且由于以太网技术的成熟和普及带来的制造成本的降低以及协议本身的标准化,使得采用以太网技术的场合越来越多。TCP/IP的协议已能在各种计算机操作系统上运行。因此以太网技术进入工业控制领域已成为当今搞控制系统的工程师一个重要的课题。采用Internet的技术将会使目前所谓集中型自动化系统真正成为带有分散型智能化的网络控制，从而一种新型的具有信息控制一体化的现代控制系统正在形成. 但是要解决以太网的TCP/IP协议用在控制系统的通讯问题，必须了解什么是控制系统通讯的要求。

1. 控制系统通讯的基本要求

    对现有存在的工业通讯系统进行分析，可以看到目前在通信工业上用的通讯方法（如ATM技术）无疑可以用于工业控制系统，但是其系统复杂，而且昂贵。另一些系统虽然比较经济，但是又不能满足工业控制系统提出的全部要求（如Ethernet技术）。那么用于控制系统的通讯技术究竟必须满足怎么样的要求呢？一般可以用四点话来概括。

    a)对于过程外部设备的信号必须能够迅速和简单地进行采集，同时采集的方法必须具有便于操作和恒定、确定的采样周期的特点。
    b)必须能够传输现场安全信号，及时地避免和防止伤害人体安全的误动作，以保证控制系统的高度安全性。
    c)为了实现分散性控制系统，系统的各驱动单元不仅能独立工作，而且能非常精确的同步工作。
    d)管理信息与生产现场控制的通讯必须简单、方便地进行。协议的转换必须直接明了。

2. 现场总线和工业以太网

    为了满足以上四个基本要求, 近二十多年来, 越来越多的先进的通信方法进入了控制领域,一种工业通信技术发展非常迅速, 目前有两种模式.。

    (1)以现场总线为代表的工业通信技术, 它是针对工业控制系统通信需求的特点,专门开发的通信方法, IEC61158就是专门为此制订的通信标准.
    (2)基于以太网技术的工业通信方法, 它是对现有的以太网技术进行改进和完善而形成,目前成为工业控制系统通信技术的一个亮点
    这两种工业通信方法进入控制系统有前有后, 现场总线在工业生产实践中以得到了很广泛的应用,充分体现了其在控制系统现场层的数据传输强大的优越性, 工业以太网以它的价格优势,技术成熟,易于与控制系统管理层数据的传送和集合,也越来越多得到了人们的重视. 但是这两者之间到底有什么区别呢. 我们可以用下面的评估方法来分析：

图1 .现场总线的特点
图2 .工业以太网的特点

    图1、2分别表示了现场总线的特点和工业以太网的特点。由于现场总线是专门按照现场通讯的要求开发出来的，所以基本上满足现场信息传输的实时性,使用方便,诊断功能强和经济性的问题. 但是现场总线不能够完成大数量的管理数据的传输.同时多采用主从控制的方法,不能容易地实现控制系统第4点的传输的要求. 而今天以太网是IEEE802.3的国际标准，已在全世界得到了最广泛的应用。同时，采用IEEE802.3E和IEEE802.3Z的快速以太网和千兆以太网也得到了发展。TCP/IP协议不断普及化，使得几乎所有的操作系统都可以采用TCP/IP方法，它的多主站、通用性，同时能够通过采用不同速率来传输大数量信息的特点正好补充了现场总线的不足。完全满足了现场生产管理系统与OFFICE系统的通讯要求. 但是工业以太网采用CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的网络技术,不具备数据传输实时性和确定性的功能,大大限制了这种技术在现场层数据交换的应用.,如果要将以太网TCP/IP直接用于现场总线的通讯则需要进行相应的改革。如采用具有优先权的以太网网络，采用IP地址管理程序等的传输方法。. 因此 工业以太网能否取代现场总线技术成为统一的工业网络标准的预测是最艰难的事；现场总线是专为工业现场层设备通信设计，是为自动化量体裁衣的技术。以太网设计初衷是办公网，用于数据处理。从技术比较出发似乎很容易得出结论。但技术发展受社会政治、经济影响，市场因素很大程度左右技术走向。目前工业以太网在工厂自动化车间监控层及管理层将成为主要应用技术，特别是采用TCP/IP协议可与互连网Internet连接。在现场层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也可以有部分市场。在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之后，现场层也会选用工业以太网的技术。总之,按照目前控制系统金字塔的模型,工业以太网在自动化控制系统的应用应该区分为两个层面的问题，。一是在管理层:工厂自动化技术与IT技术结合，与ERP, MES 企业管理的结合,与互连网Internet技术结合，成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。另一个方面，即以太网在工业控制现场层的应用,也会成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准. 这些问题实为目前自动化行业专家们争论的热点.

图3 控制系统的金字塔模型

    如果Ethernet通信协议TCP/IP与现场总线技术能有机地结合起来，将会对现代工业自动化控制系统的发展产生重大的影响。其中基于WEB的TCP/IP管理（Web-based-Management简称WBM）用于现场总线通讯使得现场总线可以方便地与Internet技术连接起来。

3. 实现信息控制一体化的控制系统.

    由此可见, 通过对通信技术拓扑结构的简化,形成了能满足控制系统通信需要的现场总线和工业以太网的工业通信技术,使的控制系统数字化,网络化和智能化成为可能. 目前工业自动化控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的连接越来越高速化紧密化。更多的是系统细分成了独立的控制孤岛。对驱动器和用户接口的需求越来越多。而目前的控制系统金字塔的模型已不适合系统拓扑结构的分散化需求。

    从传感器到主控制器，数据的传输必须经过控制层的CPU和驱动软件，其结果是传输速度低，缺乏透明度，软件和维护费用高。任何时候一个控制器与系统中任意其它的一个控制器进行数据通讯是不可能的。无论是单一的主从式还是令牌总线式结构系统，在这两种系统中，实时高速的数据传输不能达到，更不必谈及编程开发与维护了。最困难的是组合的垂直与水平的数据通讯。例如: 控制器A从与控制器B相连的远程I/O获得数据，通常这对于实时通讯的控制几乎是不可能的。对于若干个控制器的集成，通常没有一个广泛的逻辑上的实体单元。所有控制器孤岛独立的运行，而数据交换仅以一定的速度进行。每个控制器管理一束独立的数据，全球的数据不存在。上面的阐述说明传统经典的控制技术已不适合控制系统的发展。即使是像工业PC, OPC和以太网技术，只要它们被镶嵌在传统的系统结构中，也只能是对系统的功能作些边缘性的提高。传统的PLC编程语言已不能适合现行的控制系统的要求，其结果是对软件需求的增长。

    在这种情况下,控制系统中控制层的改革也提到了议事日程, 所谓的可编控制器控制系统(PAC)的概念也不断的引起重视. 那么什么是PAC系统呢?

    1)在一个开发平台上只需要一个公共的变量定义和一个存放所有参数和控制功能的中央数据库
软件工具能够同时开发,调试和安装多个机械设备和系统单元
    2)这种开放的模块式的结构是面向生产应用的.从工厂中的机械设计一直到系统设备的企业部门
    3)支持事实上的网络接口和语言(比方. TCP/IP, OPC, XML 和 SQL), 使得各种生产厂家在联网系统中的数据交换成为可能
    4)PAC的集成平台既可以是基于PLC的硬件平台也可以是基于PC的软件平台。

图4 是PAC 系统的结构图

    PAC系统集合了PLC,DCS,MC系统的优点, 不仅将多个控制系统的元素集中在一个平台上,同时更多地考虑与应用者之间的联系,特别是行业专家们的沟通和交流,从而将系统集成时间减少到最小.当然目前集成化将化成零的设想还是一个梦想,但是我们自动控制领域的工程师们一直在努力地去实现这个目标. 一个新型的自动化控制系统的机构PAC 正是走向这个梦想的第一步.

4. 信息控制一体化是工业自动控制发展的必然趋势

    在上世纪70年代初,日本提出了”机电一体化”(Mechatronics)的概念, 它将机电产品的五大类: 机械部分,传感器,执行器,计算机以及动力部分有机地集合成一体, 从而对机电工程师的思维方式起了一场革新,甚至已影响了生活的各个领域. 同时,由于日本提出了这个新的概念也大大推动了日本国的工业的迅猛发展. 使的日本在短短的数年已成为机械制造的强国. 今天,随着IT ,计算机的高速发展, 一场新的工业自动化控制技术的革新迫在眼前, 曾几何时,我们也提出了所谓的”管控一体化” 的非常好的概念, 但是,它仅仅偏重于控制层和管理层之间的信息问题,而忽略了如何提高工业控制系统传输的实时性和确定性的问题. 很难想象,如果在控制系统中, 管理层在不能及时,正确地得到现场实时数据的时候如何作出正确的判断. 因此,如果说, 机电一体化 是机械工程师提出的概念, ”管控一体化” 是IT工程师提出的概念,那么, 今天, 我们自动控制工程师提出了信息控制一体化的概念. 目前,我们中国的自动化控制系统的发展还是太慢, 跟不上其它行业,如. 而 信息控制一体化的提出正是我们赶超国际先进水平的一个有力的跳板.我们应该抓住工业自动控制系统的核心技术，利用我国计算机技术比较强的优点，开发新型的控制器，并以此为基础，开发工业的实时操作系统．完成信息控制一体化的系统, 与此同时,推出我们的现场总线以及适用于工业环境工作的以太网网络．短期的几年内，我们的工业自动化控制水平一定将会进入世界的先进行列．