网关、网桥在未来自动化中的地位与作用

网关、网桥在未来自动化中的地位与作用 中国现场总线PROFIBUS技术资格中心 中国PROFIBUS产品测试实验室 北京鼎实创新科技有限责任公司 [摘 要]：工业控制网络技术发展将促使自动化领域中出现一个以工业网络产品、网络集成、共有技术研发服务为主业的新的产业分支。工业控制网络中的网关、网桥及网络部件在未来自动化领域中将扮演重要角色。网关、网桥及网络部件的技术、理论、及标准化研究工作还处在初始阶段，未来将大有可为。 一、前言 十几年前，计算机网络技术已经成为计算机行业的一个技术分支,而在自动化领域还没有形成工业控制网络技术。计算机网络给IT行业、以及人们生活带来了不曾预料的巨大变化；网络技术的迅猛发展促使IT行业中产生一个专门从事与网络产品研发制造、系统集成、技术服务的业务群体，计算机网络技术发展形成了一个新的产业。工业网络技术发展可以看作是数字通信技术由计算机行业向自动化行业的扩展；近年来现场总线技术的产生和发展也为自动化领域带来革命性变化。工业控制网络适应了FA/PA对工厂信息集成的技术要求，提供了技术平台；而半导体微电子技术发展也为现场设备智能化提供了技术经济保证。工业控制网络借鉴成熟的IT技术迅速发展，引发了人们多少奇思妙想、为我们开辟了更大的产品研发、系统集成、技术服务的业务空间。 二、工业控制网络技术发展将促使自动化领域中出现一个新的产业分支 1、工业控制网络在当前及未来自动化系统中将发挥重要作用 近年来的自动化技术发展、市场风云变幻，市场格局发生了很大变化。一些曾经名声显赫的公司如今在市场占有份额上已大不如前。一些在产品技术上止步不前的公司也步履维艰，难于生存。也有一些公司保持市场的高速增长，巩固并加强了自己的地位。回顾这段自动化行业的发展历程，有一条明显的线索，那就是：凡是在十几年前就重视、投入发展现场总线技术和产品的企业如今都保持巩固了市场地位并得到了发展；凡是没有跟上这次发展、失去这次机会的企业，如今都不可逆转地江河日下，沦落到自动化行业排名二流的团队。这也说明了另一个问题：在当今及未来自动化技术中，工业控制网络将发挥重要作用。 为什么会这样呢？其理由已被许多专家在在各种场合中反复讲过：现场总线技术得以发展基于以下一些原因： ⑴ 工厂信息化对设备层及控制层的网络需求 要实现工厂信息集成，通信网络是技术基础；现场总线是工厂设备层及控制层（车间级）网络技术，因此，现场总线技术是工厂信息集成的技术基础。工厂信息化是提升、改造传统制造业的必经途径。我国若成为制造业大国，工厂信息化是重要一环。由于近来工厂信息化需求，设备级网络及车间级设备联网的市场需求增长很快，因此而促进了现场总线技术，及近年来兴起的工业以太网技术、及相关产品的高速发展。 ⑵ 基于现场总线技术的自动化系统确实给用户带来了利益 经过十几年的推广应用，现场总线技术确实给用户带来利益。比较突出的几点是： ① 节省电缆及工程安装的费用：在欧美，工程安装费用很高，用户越来越在意项目的人工费用。另外，大量电缆敷设、安装、接线造成的工程质量风险、工期风险也是越来越得到用户的注意。在这方面，现场总线技术应用比采用传统I/O硬接线技术具有无法比拟的优越性。 ② 远程参数化功能为工程调试、开通节省的大量时间。 ③ 更完善的系统故障诊断功能，与互联网技术结合真正实现了远程故障维护。 ④ 丰富的信息集成，为各层次生产管理、设备（资产）管理提供了可能。 （3）计算机、半导体技术发展使智能现场设备成本降低应用普及 现场总线技术发展的前提是现场设备智能化。而现场设备智能化要求半导体行业能够提供低成本、高功能、集成度高的处理器芯片和传感器芯片。因此现场总线技术的发展与半导体集成电路技术的发展息息相关。近年来迅猛发展的半导体技术为工业智能现场设备降低成本、应用普及提供了良好条件。 2、从技术角度看，工业控制网络技术逐渐发展成为自动化技术中的一个独立分支 从技术角度看，工业控制网络技术可能逐渐发展成为自动化技术中的一个独立分支。这是因为： ⑴ 工业控制网络技术虽然借鉴了计算机网络技术，但是在满足自动化领域特殊技术要求而发展起来的；同时又应用其他领域技术如半导体技术等。工业控制网络技术有别于计算机网络技术。 ⑵ 工业控制网络技术与原自动化领域各项技术相比较有其特殊的专业性。以前在自动化领域中没有网络技术，工业控制网络技术将逐渐发展成为自动化领域中一个新的独立技术分支。 3、由于市场驱动，必然会分离出一批专门从事工业控制网络技术、产品、系统集成的企业，形成新的产业分支 根据技术、市场、及专业分工的发展原则，自动化产业中将分离出一批专门从事工业控制网络产品研发制造、系统设计与集成、共有基础技术研究的企业，并涌现出一大批工业控制网络技术与产品的开发、制造、市场及技术支持人才。这些企业将从事业务包括： ⑴ 共有基础技术研发及相关产品，包括：技术标准、产品测试、集成及安装技术、产品开发工具、网络诊断工具、协议芯片、软件工具……。 ⑵ 产品研发制造，包括： 网关、网桥、中继器、集线器、交换机、光端机、接插件、电缆……。 ⑶ 工业控制网络系统设计与集成：单元设备连网及监控系统、车间级监控系统……。 结论：自动化领域将会产生出一批专门从事工业控制网络技术研发、产品、系统集成的企业，自动化领域中将出现一个新的产业分支。 三、网关、网桥及网络部件在未来自动化领域中将扮演重要角色 网关、网桥及网络部件在未来自动化领域中将扮演重要角色。一方面是由于工业网络市场需求的增加，网络部件自然要在整个自动化系统中占有重要位置。但本文想谈的是另一方面问题：我们在未来相当一段时间内将面对多种网络协议并存的现实，因此用于协议转换功能的网关、网桥将在未来自动化系统中发挥重要作用。 1、“多种网络协议并存”在自动化领域中将持续相当长的时间 “多种网络协议并存”在自动化领域中将持续相当长的时间，这是由于： ⑴ 历史原因 由于众所周知历史原因……。 ⑵ 产品供应商的经济利益 由于经济利益，支持各种工业网络协议标准的国际企业联盟之间一时间无法找到妥协余地。 ⑶ 产品技术发展市场制约因素 或者简单的说是用户对新技术的认可。 ⑷ 技术原因 回顾工业控制网络技术国际标准化所走过的道路与IT行业确实不同。在IT行业，经过多年的市场筛选，最终Ethernet+TCP/IP成为事实上的近似唯一的标准。IEC国际标准工业控制网络工作组IEC61158成立初期，人们普遍认为工业控制网络国际标准化会走一条与IT网络发展进程类似的道路，将会产生唯一的一种工业网络标准,覆盖工业自动化领域绝大部分需求。然而，十几年的努力结果是，没有一种类似Ethernet+TCP/IP的工业控制网络满足工业自动化领域所有技术需求;如今自动化领域的工业控制网络标准与产品仍然是混战和割据的局面。 原因何在？表面上看，是各大国际自动化企业集团为其利益竞争所致；其实这只是问题的一个方面，还有更深层的原因：由于自动化行业的特点（相对IT行业而言）对工业控制网络技术特殊需求，单一网络技术标准不能满足工业自动化领域所有技术要求。 近年来工业以太网兴起，人们没有汲取现场总线标准化过程中的经验教训，仍然幻想用一种网络技术标准覆盖工厂从顶到底的全部控制网络需求，我对此深感困惑不解。 问题：面对不同层次、不同功能要求时，“一网到底”是不是明智选择？ 请看下图1：PA流程自动化市场 这张图表是流程自动化行业中各种现场总线应用的比例。多数情况下此表用来说明某种现场总线占有多大多大比例，以证明这种总线的市场业绩。但我们从这张图表中可以看出另外一个问题：在流程自动化行业中，使用各种现场总线连接现场设备应用总和不超过23%，其余是HART、4-20mA、及I/O，共占78%左右。FA的情况我没有找到相关数据，使用现场总线连接的设备可能会比PA行业多一些，但可以肯定，依靠I/O（数字量及模拟量信号）将现场设备连接到控制器的比例还是很高的。这就是我们推广十几年现场总线的结果。而工业以太网目前大部分用于控制器之间的连接，构成车间级网络，真正深入到设备底层的少之又少，在上面类似统计中恐怕根本就见不到。 为什么是这样的结果呢，本人多年从事现场总线技术推广工作，在实际工程项目中可使用的现场设备具有多种不同的连接形式，这与现场设备的功能、成本有很大关系。比如：变频器，通常具有会PROFIBUS-DP、或DEVICENET；编码器也许PROFIBUS-DP、DEVICENET、CANOPEN；数显仪表及报警器之类多数是MODBUS/485、CAN之类低成本总线；按钮箱、光电开关之类都是通过I/O连接的。 站点成本是一个重要因素。所谓站点成本指：一台现场设备增加一个（一种协议）通信接口需要增加多少成本。站点成本有时指产品增加的成本，有时指增加的价格。按中国客户心理，具有现场总线接口的产品成本（价格）增加应该在10~30%之间，否则，这种产品将会选择另一种低成本的通信连接技术。 各种现场总线（包括工业以太网）由于其功能、应用环境、应用对象不同，站点成本差距很大。现场设备同样由于其功能、应用环境、应用对象不同，设备成本（价格）相差很大。面对不同层次的不同功能要求及成本差异，应该有多种通信技术标准供用户选