现场总线技术标准化的分析思考与CIP协议架构的启发

一、现场总线技术的兴起和市场动力

七十年代,微处理器技术的进步以及“集中管理、分散控制”的风险控制策略促成了基于微处理器芯片的DCS集散控制系统开始进入市场,同时也将用于控制器之间和控制器与上位机之间的数据通讯的计算机通讯网络技术引入了工业自动化领域。但此时由于各自动化厂商的控制系统自成一体,网络通讯只是其系统的内部功能之一,无需与外界进行数据交换。八十年代以后,随着微处理器芯片应用的不断渗透,“智能化”的传感器、开关、执行机构等工业现场控制器件不断涌现，但各厂商根据所生产的元器件的特点而开发的数据通讯协议也是五花八门、种类繁多,单个的元器件似乎充满了“智能”,但与控制系统集成时仍然只能沿用传统的电缆接线一对一接入I/O接口板,并不能真正体现其“智能化”的优点。因此要将这些众多不同厂商的“智能化”现场控制元器件集成为一个完全数字化的集散控制系统,公共开放的网络通讯协议标准就显得非常必要。在这一市场动力的推动下,各控制系统（包括PLC和DCS）的生产厂商基于其原先内部专用的网络通讯技术纷纷提出了各种各样开放程度不同的现场总线通讯协议标准,并随着技术的进步不断补充和完善。

二、现场总线技术标准化的现状

从上世纪八十年代开始,美国仪表协会（ISA）和国际电工委员会（IEC）即已设立专门的机构来研究和提出现场总线技术标准。然而由于种种原因,经过长达十多年的努力,终于在2000年颁布的国际标准IEC61158却是一份让所有自动化领域相关人员感到困惑和尴尬的标准,因为它包含八种互不兼容的总线协议。随着IT技术不断向工业领域渗透,以太网（Ethernet）作为新的现场总线技术让很多人充满了期望，但2003年第三版的lEC61158标准的颁布,在新版本中增加了三种基于以太网技术的新协议,将总线协议的标准增加到十一种,同时还有更多的基于以太网技术的新协议正积极努力加入到标准的协议集内。

三、现场总线技术标准化进程的分析思考

分析用户的需求，我们大致可以将用户对现场总线的技术要求和期望分为以下三个层次: 1）智能元器件与控制器（站）之间的互连互通,主要目的是替代传统的I/O电缆。其要求是能传送传统的I/O数据,并附加传送一些智能元件特有的告警和故障诊断信息。 2）在传送以上实时监控数据的基础,用户进一步的要求是希望通过网络来进行集中的工程设计组态、程序动态修改下载以及元器件的远程诊断和校准等。 3）在互连互通的基础上,用户希望能够在各种情况下“重构”系统,如在元器件损坏更换、系统改扩建以及系统升级或部分升级等情况下,要求能够无障碍地接入第三方的元件或新技术条件下的升级产品。 从以上用户的需求上可以看出,用户是希望通过现场总线技术,利用网络数据通讯的手段实现各种智能元器件与控制器（站）之间的“互连”、“互通”、“互换”,但并没有要求说所有这些功的必须在一个“单一”的统一网络来实现。正如在Internet网络上用户希望实现电子邮件、文件下载、网络浏览、网上游戏等服务,但这并没有要求Internet网络必须是一个“单一”的“同构”网络。 从通讯协议的构筑模型上看,目前几乎所有的通讯协议一般来说都是参照OSI的七层模型,但绝大多数协议都是从物理层开始“自底向上”自成一体地构筑一个“垂直一体化”的协议栈,使得八种标准协议之间在任何层次上都很难“互连”、“互通”,更谈不上“互换”功能。事实上制定OSI分层模型的目的是让涵盖不同技术元素不同发展变化速度的通讯实体分为相互独立的层次,以使各层次既能够相互结合成为一个端对端完整的协议栈,又能够相互独立发展而不互相制约。比如在我们最熟悉的Internet网络协议簇中,因特网之所以能够如此成功,就是以TCP/IP协议栈为核心,对上可以服务众多不同的应用层协议（WWW、FTP、电子邮件等）,向下则可在众多不同的局域网（Ethernet、FDDI等）、广域网（拨号网络、X.25等）平台上实现。 从某种意义上来说,现场总线技术的标准化进程出现目前困境的原因很大程度上可能是当初一开始就将“单一的垂直一体化的同构网络”这一过于“理想”的期望设定为技术标准的目标,结果不但不能达到目的,反而适得其反,出现了“群雄纷争,互不兼容”的局面。

四、CIP协议架构的启发

CIP协议规范是叠加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet这三种完全不同的网络技术平台之上的“与网络硬件技术无关”的公共的“网络传输层、应用层、用户层”协议规范,也就是说它可以实现“异构网络”下的系统的“互连”、“互通”,直至“互换”功能。按照OSI七层通讯模型,CIP协议架构下的协议栈结构如下图所示。

并将某一种具体的网络技术平台抽象为与网络接口相关的“物理链路对象（LinkObject）”,这样使得CIP协议在不同的网络技术平台上具体实现时唯一需要的接口就是与该网络平台相对应的“物理链路对象（LinkObject）”,如“DeviceNetLinkObject”、“ControlNetLinkObject”和“EthernetLinkObject”等等,而其上层的协议都可不受影响并保持一致,这也就为在跨平台的“异构网络”条件下实现系统的“互连”、“互通”,直至“互换”功能奠定了基础。