現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程與現(xiàn)狀研究分析

一、現(xiàn)場總線技術(shù)的興起和市場動力

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(jìn)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(luò)技術(shù)引入了工業(yè)自動化領(lǐng)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(luò)通訊只是其系統(tǒng)的內(nèi)部功能之一，無需與外界進(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、開關(guān)、執(zhí)行機構(gòu)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(luò)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(luò)通訊技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，并隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷補充和完善。

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

從上世紀(jì)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(shè)立專門的機構(gòu)來研究和提出現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而由于種種原因，經(jīng)過長達(dá)十多年的努力，終于在2000年頒布的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158卻是一份讓所有自動化領(lǐng)域相關(guān)人員感到困惑和尷尬的標(biāo)準(zhǔn)，因為它包含八種互不兼容的總線協(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現(xiàn)場總線的技術(shù)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(chǔ)，用戶進(jìn)一步的要求是希望通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行集中的工程設(shè)計組態(tài)、程序動態(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(shù)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(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)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(luò)來實現(xiàn)。正如在Internet網(wǎng)絡(luò)上用戶希望實現(xiàn)電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)上游戲等服務(wù)，但這并沒有要求Internet網(wǎng)絡(luò)必須是一個“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(gòu)筑一個“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體分為相互獨立的層次，以使各層次既能夠相互結(jié)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(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)（撥號網(wǎng)絡(luò)、X.25等）平臺上實現(xiàn)。

從某種意義上來說，現(xiàn)場總線技術(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)初一開始就將“單一的垂直一體化的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”這一過于“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，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)平臺之上的“與網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)無關(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，也就是說它可以實現(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。

與其它現(xiàn)場總線技術(shù)通訊協(xié)議一個很大的不同就是有一個具有“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)，而是用邏輯對象地址來定義“連接（Connection）”關(guān)系。

并將某一種具體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺抽象為與網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)的“物理鏈路對象（Link Object）”，這樣使得CIP協(xié)議在不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺上具體實現(xiàn)時唯一需要的接口就是與該網(wǎng)絡(luò)平臺相對應(yīng)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)”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(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)原語來定義“連接（Connection）”關(guān)系，而是“自頂向上”，根據(jù)來自“用戶層和應(yīng)用層”的用戶和具體應(yīng)用領(lǐng)域的實際數(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型：

I/O Connection：主要是針對傳送用于監(jiān)視、控制等有一定的實時性要求的數(shù)據(jù)時的通訊關(guān)系，其中絕大部分應(yīng)該是傳送傳統(tǒng)上用于實時監(jiān)控的I/O數(shù)據(jù)，故以此命名。這種“連接（Connection）”關(guān)系的特點是必須預(yù)先通過配置工具逐一對與該“連接（Connection）”相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用對象及整個數(shù)據(jù)鏈路上的各個節(jié)點進(jìn)行配置和分配固定的資源后才能建立起來，其優(yōu)勢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)用對象之間已經(jīng)對數(shù)據(jù)內(nèi)容達(dá)成共識，因此所有傳送數(shù)據(jù)均為“元數(shù)據(jù)”，無需對數(shù)據(jù)類型或數(shù)據(jù)本身作任何標(biāo)識說明或功能描述，傳輸效率最高，而且整個數(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“實時”控制數(shù)據(jù)的傳送要求。

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

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

縱觀整個CIP協(xié)議規(guī)范，其中最具特色的是其“Connection”這一抽象對象，以及非常符合“控制和信息”傳送需求的“Connection”分類模型：“I/O Connection”、“Explicit Message Connection”、“Bridged Connection”。這使得CIP協(xié)議真正成為一個“與網(wǎng)絡(luò)硬件無關(guān)的具有路由功能的跨網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議”，同時也使得它成為在“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”環(huán)境下實現(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

通過對目前各種現(xiàn)場總線技術(shù)通訊協(xié)議的研究分析認(rèn)為，現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該設(shè)定為一個從物理層/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，分層次構(gòu)筑各層次的既相互配合又相互獨立的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣既允許多種技術(shù)協(xié)議并存競爭，又能促進(jìn)實現(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）”這一模型是一個很好的范例。