現(xiàn)場總線技術標準化進程分析思考

一、現(xiàn)場總線技術的興起和市場動力

七十年代，微處理器技術的進步以及“集中管理、分散控制”的風險控制策略促成了基于微處理器芯片的集散控制系統(tǒng)開始進入市場，同時也將用于控制器之間和控制器與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊的計算機通訊網(wǎng)絡技術引入了工業(yè)自動化領域。但此時由于各自動化廠商的控制系統(tǒng)自成一體，網(wǎng)絡通訊只是其系統(tǒng)的內(nèi)部功能之一，無需與外界進行數(shù)據(jù)交換。八十年代以后，隨著微處理器芯片應用的不斷滲透，“智能化”的傳感器、開關、執(zhí)行機構等工業(yè)現(xiàn)場控制器件不斷涌現(xiàn)，但各廠商根據(jù)所生產(chǎn)的元器件的特點而開發(fā)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議也是五花八門、種類繁多，單個的元器件似乎充滿了“智能”，但與控制系統(tǒng)集成時仍然只能沿用傳統(tǒng)的電纜接線一對一接入I/O接口板，并不能真正體現(xiàn)其“智能化”的優(yōu)點。因此要將這些眾多不同廠商的“智能化”現(xiàn)場控制元器件集成為一個完全數(shù)字化的集散控制系統(tǒng)，公共開放的網(wǎng)絡通訊協(xié)議標準就顯得非常必要。在這一市場動力的推動下，各控制系統(tǒng)(包括PLC和DCS)的生產(chǎn)廠商基于其原先內(nèi)部專用的網(wǎng)絡通訊技術紛紛提出了各種各樣開放程度不同的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議標準，并隨著技術的進步不斷補充和完善。

二、現(xiàn)場總線技術標準化的現(xiàn)狀

從上世紀八十年代開始，美國儀表協(xié)會(ISA)和國際電工委員會(IEC)即已設立專門的機構來研究和提出現(xiàn)場總線技術標準。然而由于種種原因，經(jīng)過長達十多年的努力，終于在2000年頒布的國際標準IEC61158卻是一份讓所有自動化領域相關人員感到困惑和尷尬的標準，因為它包含八種互不兼容的總線協(xié)議。隨著IT技術不斷向工業(yè)領域滲透，以太網(wǎng)(Ethernet)作為新的現(xiàn)場總線技術讓很多人充滿了期望，但2003年第三版的lEC61158標準的頒布，在新版本中增加了三種基于以太網(wǎng)技術的新協(xié)議，將總線協(xié)議的標準增加到十一種，同時還有更多的基于以太網(wǎng)技術的新協(xié)議正積極努力加入到標準的協(xié)議集內(nèi)。

三、現(xiàn)場總線技術標準化進程的分析思考

分析用戶的需求，我們大致可以將用戶對現(xiàn)場總線的技術要求和期望分為以下三個層次：

1) 智能元器件與控制器(站)之間的互連互通，主要目的是替代傳統(tǒng)的I/O電纜。其要求是能傳送傳統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)，并附加傳送一些智能元件特有的告警和故障診斷信息。

2) 在傳送以上實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的基礎，用戶進一步的要求是希望通過網(wǎng)絡來進行集中的工程設計組態(tài)、程序動態(tài)修改下載以及元器件的遠程診斷和校準等。

3) 在互連互通的基礎上，用戶希望能夠在各種情況下“重構”系統(tǒng)，如在元器件損壞更換、系統(tǒng)改擴建以及系統(tǒng)升級或部分升級等情況下，要求能夠無障礙地接入第三方的元件或新技術條件下的升級產(chǎn)品。

從以上用戶的需求上可以看出，用戶是希望通過現(xiàn)場總線技術，利用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊的手段實現(xiàn)各種智能元器件與控制器(站)之間的“互連”、“互通”、“互換”，但并沒有要求說所有這些功的必須在一個“單一”的統(tǒng)一網(wǎng)絡來實現(xiàn)。正如在Internet網(wǎng)絡上用戶希望實現(xiàn)電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡瀏覽、網(wǎng)上游戲等服務，但這并沒有要求Internet網(wǎng)絡必須是一個“單一”的“同構”網(wǎng)絡。

從通訊協(xié)議的構筑模型上看，目前幾乎所有的通訊協(xié)議一般來說都是參照OSI的七層模型，但絕大多數(shù)協(xié)議都是從物理層開始“自底向上”自成一體地構筑一個“垂直一體化”的協(xié)議棧，使得八種標準協(xié)議之間在任何層次上都很難“互連”、“互通”，更談不上“互換”功能。事實上制定OSI分層模型的目的是讓涵蓋不同技術元素不同發(fā)展變化速度的通訊實體分為相互獨立的層次，以使各層次既能夠相互結合成為一個端對端完整的協(xié)議棧，又能夠相互獨立發(fā)展而不互相制約。比如在我們最熟悉的Internet網(wǎng)絡協(xié)議簇中，因特網(wǎng)之所以能夠如此成功，就是以TCP/IP協(xié)議棧為核心，對上可以服務眾多不同的應用層協(xié)議(WWW、FTP、電子郵件等)，向下則可在眾多不同的局域網(wǎng)(Ethernet、FDDI等)、廣域網(wǎng)(撥號網(wǎng)絡、X.25等)平臺上實現(xiàn)。

從某種意義上來說，現(xiàn)場總線技術的標準化進程出現(xiàn)目前困境的原因很大程度上可能是當初一開始就將“單一的垂直一體化的同構網(wǎng)絡”這一過于“理想”的期望設定為技術標準的目標，結果不但不能達到目的，反而適得其反，出現(xiàn)了“群雄紛爭，互不兼容”的局面。

四、CIP協(xié)議架構的啟發(fā)

CIP協(xié)議規(guī)范是疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種完全不同的網(wǎng)絡技術平臺之上的“與網(wǎng)絡硬件技術無關”的公共的“網(wǎng)絡傳輸層、應用層、用戶層”協(xié)議規(guī)范，也就是說它可以實現(xiàn)“異構網(wǎng)絡”下的系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能。按照OSI七層通訊模型，CIP協(xié)議架構下的協(xié)議棧結構如下圖所示。

與其它現(xiàn)場總線技術通訊協(xié)議一個很大的不同就是有一個具有“網(wǎng)絡傳輸層”功能的“CIP Messaging”協(xié)議規(guī)范。其中最核心的部分就是將應用對象之間通訊關系抽象為“連接(Connection)”，并與之相應制定了應用對象的邏輯地址規(guī)范，從而使CIP協(xié)議可以不依賴于某一具體的網(wǎng)絡硬件技術，而是用邏輯對象地址來定義“連接(Connection)”關系。

并將某一種具體的網(wǎng)絡技術平臺抽象為與網(wǎng)絡接口相關的“物理鏈路對象(Link Object)”，這樣使得CIP協(xié)議在不同的網(wǎng)絡技術平臺上具體實現(xiàn)時唯一需要的接口就是與該網(wǎng)絡平臺相對應的“物理鏈路對象(Link Object)”，如“DeviceNet Link Object”、“ControlNet Link Object”和“Ethernet Link Object”等等，而其上層的協(xié)議都可不受影響并保持一致，這也就為在跨平臺的“異構網(wǎng)絡”條件下實現(xiàn)系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能奠定了基礎。

更進一步，與其它眾多“自底向上”構筑“垂直一體化”通訊協(xié)議的現(xiàn)場總線技術不同，它不是根據(jù)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層所能提供的通訊服務原語來定義“連接(Connection)”關系，而是“自頂向上”，根據(jù)來自“用戶層和應用層”的用戶和具體應用領域的實際數(shù)據(jù)通訊需求， 將“連接(Connection)”關系又細分定義為以下三種類型：