現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的思考與CIP協(xié)議架構(gòu)的啟發(fā)

一、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起和市場(chǎng)動(dòng)力

七十年代，微處理器技術(shù)的進(jìn)步以及“集中管理、分散控制”的風(fēng)險(xiǎn)控制策略促成了基于微處理器芯片的集散控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，同時(shí)也將用于控制器之間和控制器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊的計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。但此時(shí)由于各自動(dòng)化廠商的控制系統(tǒng)自成一體，網(wǎng)絡(luò)通訊只是其系統(tǒng)的內(nèi)部功能之一，無(wú)需與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。八十年代以后，隨著微處理器芯片應(yīng)用的不斷滲透，“智能化”的傳感器、開(kāi)關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)而開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議也是五花八門(mén)、種類(lèi)繁多，單個(gè)的元器件似乎充滿了“智能”，但與控制系統(tǒng)集成時(shí)仍然只能沿用傳統(tǒng)的電纜接線一對(duì)一接入I/O接口板，并不能真正體現(xiàn)其“智能化”的優(yōu)點(diǎn)。因此要將這些眾多不同廠商的“智能化”現(xiàn)場(chǎng)控制元器件集成為一個(gè)完全數(shù)字化的集散控制系統(tǒng)，公共開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就顯得非常必要。在這一市場(chǎng)動(dòng)力的推動(dòng)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(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)紛紛提出了各種各樣開(kāi)放程度不同的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷補(bǔ)充和完善。

二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀

從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，美國(guó)儀表協(xié)會(huì)（ISA）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）即已設(shè)立專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)來(lái)研究和提出現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而由于種種原因，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十多年的努力，終于在2000年頒布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158卻是一份讓所有自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)人員感到困惑和尷尬的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗朔N互不兼容的總線協(xié)議。隨著IT技術(shù)不斷向工業(yè)領(lǐng)域滲透，以太網(wǎng)（Ethernet）作為新的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)讓很多人充滿了期望，但2003年第三版的lEC61158標(biāo)準(zhǔn)的頒布，在新版本中增加了三種基于以太網(wǎng)技術(shù)的新協(xié)議，將總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)增加到十一種，同時(shí)還有更多的基于以太網(wǎng)技術(shù)的新協(xié)議正積極努力加入到標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議集內(nèi)。

三、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的分析思考

分析用戶的需求，我們大致可以將用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)要求和期望分為以下三個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)，用戶進(jìn)一步的要求是希望通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行集中的工程設(shè)計(jì)組態(tài)、程序動(dòng)態(tài)修改下載以及元器件的遠(yuǎn)程診斷和校準(zhǔn)等。

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

從以上用戶的需求上可以看出，用戶是希望通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的手段實(shí)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(méi)有要求說(shuō)所有這些功的必須在一個(gè)“單一”的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。正如在Internet網(wǎng)絡(luò)上用戶希望實(shí)現(xiàn)電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)上游戲等服務(wù)，但這并沒(méi)有要求Internet網(wǎng)絡(luò)必須是一個(gè)“單一”的“同構(gòu)”網(wǎng)絡(luò)。

從通訊協(xié)議的構(gòu)筑模型上看，目前幾乎所有的通訊協(xié)議一般來(lái)說(shuō)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(kāi)始“自底向上”自成一體地構(gòu)筑一個(gè)“垂直一體化”的協(xié)議棧，使得八種標(biāo)準(zhǔn)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(shí)上制定OSI分層模型的目的是讓涵蓋不同技術(shù)元素不同發(fā)展變化速度的通訊實(shí)體分為相互獨(dú)立的層次，以使各層次既能夠相互結(jié)合成為一個(gè)端對(duì)端完整的協(xié)議棧，又能夠相互獨(dú)立發(fā)展而不互相制約。比如在我們最熟悉的Internet網(wǎng)絡(luò)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(duì)上可以服務(wù)眾多不同的應(yīng)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(hào)網(wǎng)絡(luò)、X.25等）平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程出現(xiàn)目前困境的原因很大程度上可能是當(dāng)初一開(kāi)始就將“單一的垂直一體化的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”這一過(guò)于“理想”的期望設(shè)定為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，結(jié)果不但不能達(dá)到目的，反而適得其反，出現(xiàn)了“群雄紛爭(zhēng)，互不兼容”的局面。

四、CIP協(xié)議架構(gòu)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(luò)技術(shù)平臺(tái)之上的“與網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)無(wú)關(guān)”的公共的“網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層、用戶層”協(xié)議規(guī)范，也就是說(shuō)它可以實(shí)現(xiàn)“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”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(gòu)下的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如下圖所示。

由以上示意圖可以看到，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通訊協(xié)議一個(gè)很大的不同就是有一個(gè)具有“網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用對(duì)象之間通訊關(guān)系抽象為“連接（Connection）”，并與之相應(yīng)制定了應(yīng)用對(duì)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(luò)硬件技術(shù)，而是用邏輯對(duì)象地址來(lái)定義“連接（Connection）”關(guān)系。

并將某一種具體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)抽象為與網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)的“物理鏈路對(duì)象（Link Object）”，這樣使得CIP協(xié)議在不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)上具體實(shí)現(xiàn)時(shí)唯一需要的接口就是與該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相對(duì)應(yīng)的“物理鏈路對(duì)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(tái)的“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能奠定了基礎(chǔ)。

更進(jìn)一步，與其它眾多“自底向上”構(gòu)筑“垂直一體化”通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)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(wù)原語(yǔ)來(lái)定義“連接（Connection）”關(guān)系，而是“自頂向上”，根據(jù)來(lái)自“用戶層和應(yīng)用層”的用戶和具體應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際數(shù)據(jù)通訊需求， 將“連接（Connection）”關(guān)系又細(xì)分定義為以下三種類(lèi)型：

I/O Connection：主要是針對(duì)傳送用于監(jiān)視、控制等有一定的實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)時(shí)的通訊關(guān)系，其中絕大部分應(yīng)該是傳送傳統(tǒng)上用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的I/O數(shù)據(jù)，故以此命名。這種“連接（Connection）”關(guān)系的特點(diǎn)是必須預(yù)先通過(guò)配置工具逐一對(duì)與該“連接（Connection）”相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用對(duì)象及整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和分配固定的資源后才能建立起來(lái)，其優(yōu)勢(shì)就是一旦建立起這一“連接（Connection）”，則所有加入這一通訊關(guān)系的應(yīng)用對(duì)象之間已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容達(dá)成共識(shí)，因此所有傳送數(shù)據(jù)均為“元數(shù)據(jù)”，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型或數(shù)據(jù)本身作任何標(biāo)識(shí)說(shuō)明或功能描述，傳輸效率最高，而且整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路已預(yù)分配資源，傳輸可靠性也最高，所以可以滿足“實(shí)時(shí)”控制數(shù)據(jù)的傳送要求。

Explicit Message? Connection：主要是針對(duì)傳送用于工程設(shè)計(jì)組態(tài)、集中管理維護(hù)、故障診斷調(diào)試等過(guò)程中所需傳送的非實(shí)時(shí)信息。它通常是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)文傳送在兩個(gè)應(yīng)用對(duì)象之間以相互交互的方式傳送，由于報(bào)文中的數(shù)據(jù)內(nèi)容會(huì)隨著雙方的狀態(tài)變化和交互過(guò)程而變化，因此報(bào)文本身必須同時(shí)攜帶對(duì)傳送數(shù)據(jù)的類(lèi)型標(biāo)識(shí)和功能描述，因此將其命名為“顯式報(bào)文連接（Explicit Message Connection）。這種“連接（Connection）”關(guān)系的特點(diǎn)是通訊雙方的任何一方應(yīng)用對(duì)象均可應(yīng)自身的信息傳送需求動(dòng)態(tài)發(fā)起和建立這種“連接（Connection）”關(guān)系，而且是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的“雙工”通訊模式，非常便于應(yīng)用對(duì)象之間的“交互式對(duì)話”。通訊過(guò)程結(jié)束后即拆除“連接（Connection）”并回收資源，這一模式對(duì)“陣發(fā)式”信息類(lèi)數(shù)據(jù)傳送是非常合適的。

Bridged Connection：由于在任何一個(gè)較大規(guī)模的系統(tǒng)中都不可能或不會(huì)將所有的控制元器件集中在一個(gè)物理網(wǎng)段中，即一般都可能配置成多個(gè)網(wǎng)段互連，可能是“同構(gòu)網(wǎng)段”，也可能是“異構(gòu)網(wǎng)段”。而當(dāng)若有數(shù)據(jù)需從某一個(gè)網(wǎng)段傳送到另一網(wǎng)段時(shí)，不論是I/O數(shù)據(jù)還是Explicit Message，則其所要經(jīng)過(guò)的跨網(wǎng)段的中間節(jié)點(diǎn)（Bridge）必須承擔(dān)路由所需的“連接（Connection）”關(guān)系，實(shí)際上即是該節(jié)點(diǎn)必須在其內(nèi)部分別創(chuàng)建與每個(gè)網(wǎng)段“Link Object”相應(yīng)的“背靠背”的“連接（Connection）”對(duì)象。

縱觀整個(gè)CIP協(xié)議規(guī)范，其中最具特色的是其“Connection”這一抽象對(duì)象，以及非常符合“控制和信息”傳送需求的“Connection”分類(lèi)模型：“I/O Connection”、“Explicit Message Connection”、“Bridged Connection”。這使得CIP協(xié)議真正成為一個(gè)“與網(wǎng)絡(luò)硬件無(wú)關(guān)的具有路由功能的跨網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議”，同時(shí)也使得它成為在“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”環(huán)境下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能的核心技術(shù)規(guī)范。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)目前各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通訊協(xié)議的研究分析認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該設(shè)定為一個(gè)從物理層/數(shù)據(jù)鏈路層直至應(yīng)用層和用戶層的“垂直一體化”的單一標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該是按照技術(shù)元素發(fā)展變化的特點(diǎn)，分層次構(gòu)筑各層次的既相互配合又相互獨(dú)立的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣既允許多種技術(shù)協(xié)議并存競(jìng)爭(zhēng)，又能促進(jìn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的“互連”、“互通”，直至“互換”的目標(biāo)。其核心部分或許可以放在與TCP/IP協(xié)議功能相當(dāng)?shù)摹熬W(wǎng)絡(luò)傳輸層”，CIP協(xié)議規(guī)范中“連接（Connection）”這一模型是一個(gè)很好的范例。

參考文獻(xiàn)

[1] CIP Common Specification, Volume 1, Release 1.0, June 5, 2001, ControlNet International and Open DeviceNet Vendor Association
[2] EtherNet/IP Adaptation of CIP Specification, Volume 2, Release 1.0, June 5, 2001, ControlNet International and Open DeviceNet Vendor Association