工业自动化联网：现状与展望

工业自动化联网：现状与展望 工业自动化联网：现状与展望 20年前，离散制造系统是自动化孤岛。可编程序控制器技术统领车间级自动化各个角落。之后5年，串行通信风行一时。条码阅读器、定标器、操作员接口设备扩展了自动化孤岛的边界。 从10年前开始出现传感器总线起，总线联网技术不断演进，从电流回路到RS-485，Interbus,SDS,Modbus到Device Net，PROFINET，PROFIBUS等等。这些现场总线各有特色，互争短长。市场上产品众多，标准各异，令人目眩。在这些日子（约5年前），控制工程师面对这些花色繁多、规格各不相同的产品要实现车间或全厂的联网，实在不大容易。 最近5年，情况有所好转。“现场总线之战”已经过去，自动化孤岛已得到某种程度扩大。上百个传感器网络已减到少数几个。网络标准和一致性测试已赶上网络销售商竞相增加网络设备的趋势。培训程序和递降及修改经验有可能实现自动化孤岛之间的互联，这在几年前是不可想象的。 目前在自动化控制领域中的联网技术主要有以下几种： Asi总线 Asi是Siemens开发的一种硬件替代总线，有主-从组织（最多62从设备），它得到PROFIBUS行业组织（PTO）支持。它将数据和电源集成在单独一根电缆内，数据传输速度非常快（31个从设备的循环时间为5ms）。Asi结构简单并支持包括星形、线性、分支和树形结构在内的许多网络拓扑。虽然它目前能支持一些摸拟设备，但它依旧不能方便地支持诸如条码阅读器、定标器、仪表和操作员接口等串行设备。 在诸如食品加工、饮料灌装和药物包装等行业，对附加的功能度要求不高的场合，Asi得到广泛应用。 Modbus Modbus是这里所述的最老的网络通信标准。由于其历史、普及性和已安装的节点数，它也是本文中所讨论的唯一的串行通信标准。Modbus的协议简单、精巧，网络中的每个设备都表示为一种寄存器（16位无符号整数）和线圈（位）的汇集。一个非常小的指令集带有一种简明的报文帧，从而使这种协议在近30年以来深受串行设备用户欢迎。由于其设备表示、报文帧和命令都很简单，任何具有中等熟练程度的编程员都能容易地实施Modbus。然而，寄存器和线图不能为诸如质量流控制器、运动控制器和驱动系统等更为复杂的设备提供适宜的表示能力，因而其应用范围有限。 DeviceNet DeviceNet是一种应用层协议，它采用最初由德国的Bosch公司开发的控制器局域联网（CAN）技术。CAN支持一种单一的拓扑：带有联网节点的一条总线。虽然CAN支持上千个节点，而且数据传输速率达1M波特。然而，DeviceNet将网络节点限制在64，数据传输速率为125、250和500K波特。DeviceNet是一种基于主-从连接的网络，一个主设备需要来自从设备的连接和主-从两个设备的非控制及I/O数据的协商连接。一旦建立了I/O连接，主设备通过使用轮询、循环或状态改变通信模式，与从设备通信。最近，已在这种网络内加入了‘时间同步’（CIPsync）和Device Net安全网络（CIPsafety）。DeviceNet没有对等通信。大多数顺序性设备只支持传统的轮询通信方式，而不是吞吐量较大的循环或状态改变操作方式。要求发送>8字节报文的分段协议十分复杂并要求大量的计算资源。DeviceNet支持大量的设备类型（包括从光电监视器起到驱动器和质量流控制设备）。由于其标准得到众多经销商支持，因而产品价格很有竞争性（尤其是I/O设备）。 PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP是一种基于RS-485的I/O网络，运行于12M波特传输速率。它是一种主-从结构网络，最多有126节点和244字节信息量。PTO是促进和维持PROFIBUS-DP标准的经销商组织。 PROFIBUS-DP的12M波特传输速率高于任何一种CAN网络（DeviceNet,CANopen及其它最高为1M波特），从而得到众多经销商支持，并有众多产品可供利用。然而，由于它需用一种硬件ASIC，因而当网络规模较小时，费用较高。PROFIBUS-DP得到Siemens的积极支持，而且Siemens的PLC提供内装的连通性，因而目前PROFIBUS-DP独步欧洲工业控制网络市场。一般来说，凡是需用Siemens PLC的地方，PROFIBUS-DP也就成为标准的通信网络。 ControlNet ControlNet最初是作为Allen-Bradley数据总线的替代产品而开发的。它是DeviceNet和Ether Net/IP的前驱，填补了高确定性网络和可重复性网络之间的间隙。为提高灵活性而设计的这种网络使用户能构想出更好地利用网络带宽的设备配置。ControlNet工作于5M波特，并支持几种网络拓扑结构。对等报文传送和在相同导线上的多个主设备。它采用如同Device Net和EtherNet/IP那样的控制和信息协议（CIP）应用层。ControlNet提供确定性的和可重复的操作，并允许用户构想出用来控制I/O和报文数据的每个报文部分。与以太网相比，ControlNet传输速率较低，并需用专用电缆，因而目前它的市场占有率很低。 EtherNet/IP EtherNet/IP是用于ControlNet和DeviceNet的CIP技术的一种自适应性网络。就像在上述两种协议中那样，EtherNet/IP是基于对象的网络。该网络中的每个设备是作为一串有属性和值的对象来表示的。EtherNet/IP采用传送控制协议（TCP）传送信息数据并用未连通设备协议（UDP）传送I/O数据。由于EtherNet/IP上的I/O数据是经过未连通协议传送的，一个EtherNet/IP设备不能探测出错误的或未发送的I/O报文。 基于对象的设备表示提供一种功能强大、精巧，然而在EtherNet/IP网络上易于实施的设备表示法。相同的对象表示法对EtherNet/IP，ControlNet和DeviceNet都是一样的。任何熟悉DeviceNet或ControlNet的人都可以最少的培训或实践来建立和使用EtherNet/IP网络。EtherNet/IP协议较复杂，其规范今后尚需进一步完善，建立和开发这种网络也很复杂。 Modbus / TCP Modbus / TCP实际上是以太网TCP/IP上的Modbus。Modbus / TCP采用Modbus定义的相同的寄存器（16位无符号整数）和线圈（位）数据。它也采用Modbus用的相同的功能定义。除了Modbus/TCP报文不包括循环冗余检验（CRC）字段外，所有Modbus报文都与Modbus/TCP报文相同。任何人，只要他能为Modbus网络开发各种设备，也能开发Modbus / TCP。实施Modbus / TCP的协议十分快捷，并有大量专用的诊断和配置应用程序可供利用。Modbus的简单性既是它的很大优点也是它的最大弱点。其后果是，虽然能容易地被人理解和快速地予以实施，但是，Modbus/TCP缺乏任何类型的标准化，某个经销商的Modbus/TCP标准也许完全不同于另一位经销商，用户在选择时很难对它们进行合理的性能和经济比较。 PROFINET PROFINET是一种以太网应用层。它基于源自Microsoft的DCOM（分布式构件对象模型）和RPC（远程过程调用）技术。在一条PROFINET网络上的设备表示为对象。通过访问存在于每个PROFINET设备中的缺省对象，可了解被访问的任何PROFINET设备。这与本文提到的任何其它网络协议不同。相对来说，从Windows访问一个PROFINET设备是十分快捷的。这是因为，它的基础技术内装在Windows内；然而，实现PROFINET所需要的资源相当大，而且自由代码量也很庞大，并需相当多的操作系统资源。（虽然PROFINET得到PTO支持，然而PROFINET和PROFIBUS没有共同之处。） CANopen CANopen是另一种CAN应用层协议。与更着重于连通性的DeviceNet相对照，CANopen更面向报文。CANopen支持两种基本的报文：服务数据报文和过程数据报文。前者用于高数据量、低优先级报文；后者用于高优先级、低数据量报文。与DeviceNet相类似，CANopen具有CAN的所有优点和不足之处。但与DeviceNet不同的是，CANopen不是基于连通，并支持对等报文传送。以生成模式而言，一个CANopen设备简单地生成数据而并不考虑谁也许会使用它。 对初学者而言，CANopen中的设备表示要比DeviceNet简单。CANopen不需太多的内务操作，并且有一种非常简单明了的状态机。 作为一种欧洲标准，CANopen在欧洲相当流行。目前它正在悄悄地进入美国市场（尤其是联网的OEM机械市场）。 以太网正在崛起 在所有这些工业网络中，2004年和今后，以太网协议预计将获得最大的市场份额。作出这种预测主要是基于以下三方面考虑： （1）对以太网的兴趣日益提高。Modbus / TCP的简单性正在吸引众多网络经销商；当PROFINET日益为Siemens用户熟悉时，DeviceNet,ControlNet与EthetrNet / IP之间的公用CIP层对其它网络用户很有吸引力。随着ODVA开放式DeviceNet经销商协会和PTO经销商将更多新产品推向市场，今后，所有上述这些技术也将得到更大发展。 （2）目前，带有嵌入的EtherNet媒体访问控制器（MAC）芯片的32位异步应答方式（ARM）控制器其价格已接近于标准的8位控制器。目前制造商正在试图制造有单板闪存和RAM的ARM控制器和CAN控制器。2004年有可能仅需多花数美元就可嵌入有机载以太网的一个40MHz32位处理器。当出现这种情况时，以太网就可用于Web服务器配置，从而为用户提供无附加费用的网络通信服务。 （3）DeviceNet和PROFIBUS曾处于“现场总线之战”的顶端。这是因为，这两种现场总线各自都有强大的后援。具体地说，Allen-Bradley公司支持DeviceNet，而Siemens公司支持PROFIBUS。现在，它们都面临一种普遍存在的世界标准：以太网。在某些应用场合（例如长的传送带系统），DeviceNet的干线/连网节点拓扑结构要优于以太网的星形拓扑结构。但是，如果“一对一”对抗的话，以太网通常总是占上风的。无论怎样，用户还是欢迎以太网的。就成本、建造、使用、维护等方面而言，以太网或多或少都优于目前市场上的其它几种