工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2004年11月A版

    工廠里車間的面貌日新月異。在過(guò)去，我們面對(duì)的是起重機(jī)和電動(dòng)車輛?，F(xiàn)在，我們和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)打交道。從電流環(huán)到RS-485，從Modbus到Devicet 和PROCFInet,到處充斥著協(xié)議、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。
    二十年前，分立制造系統(tǒng)尤如自動(dòng)化的島嶼?？删幊炭刂破骷夹g(shù)處于支配地位。五年后，串行通信風(fēng)靡一時(shí)。條形碼讀出器、定標(biāo)器和操作者接口設(shè)備拓展了自動(dòng)化島嶼的邊界。
    十年前爆發(fā)傳感器總線大戰(zhàn)。在隨后的十年中，Interbus、SDS、DeviceNet、Profibus,以及其它各種總線此起彼伏，為其效率、數(shù)據(jù)包速率、確定性和成本爭(zhēng)論不休。在這些日子里，控制工程師要竭盡全力解決各種問(wèn)題，讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常地運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。
    過(guò)去的五年相對(duì)地平靜和繁榮。傳感器大戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束；自動(dòng)化島嶼已明顯地?cái)U(kuò)張。上百種傳感器網(wǎng)絡(luò)已精簡(jiǎn)為幾種標(biāo)準(zhǔn)總線。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和依從性測(cè)試已趕上供應(yīng)商競(jìng)相增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的速度。培訓(xùn)計(jì)劃和成熟的經(jīng)驗(yàn)使自動(dòng)化島嶼之間的互連成為可能，這僅僅在幾年前還是無(wú)法想象的。
    目前，對(duì)PLC控制的生產(chǎn)車間，以太網(wǎng)已實(shí)用化，局域網(wǎng)的戰(zhàn)斗日益白熱化。以太網(wǎng)是比傳感器總線更優(yōu)越？它在那類應(yīng)用中？到目前為止還沒(méi)有統(tǒng)一意見(jiàn)，就象有關(guān)傳感器總線一樣，有種種不同的觀點(diǎn)。在展望未來(lái)之前，先讓我們考察一下目前的狀況。

ASiBus
    ASi是西門子公司推出的、PTO(Profibus貿(mào)易組織)支持的一種硬件替代總線。它具有主—從結(jié)構(gòu)，從設(shè)備最多可達(dá)62個(gè)。它在單根電纜內(nèi)整合了數(shù)據(jù)和電源，速度極快，對(duì)31個(gè)從設(shè)備而言，周期時(shí)間僅為5ms。ASi結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較典型的通信網(wǎng)絡(luò)中心支持更多的拓?fù)?，包括星形、線型、分技術(shù)和樹(shù)形結(jié)構(gòu)。雖然它現(xiàn)在能夠支持某些模擬數(shù)據(jù)，但仍不易支持串行設(shè)備，諸如條形碼讀出器、定標(biāo)器、儀表和操作接口。 ASi增長(zhǎng)十分快速。它日益廣泛地使用在多種行業(yè)，尤其是食品加工、制瓶和制藥行業(yè)，因?yàn)檫@些行業(yè)，不需要Profibus和DeviceNet的附加功能。

Modbus
    Modbus是本文提及的所有網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)中最早的一種。由于其歷史悠久、普及率高、安裝節(jié)點(diǎn)數(shù)多，它也是本文所講的唯一串行通信標(biāo)準(zhǔn)。其協(xié)議簡(jiǎn)單、明了；每個(gè)設(shè)備表示為寄存器(16位無(wú)符號(hào)整數(shù))和位的集合。一組帶有精確消息幀的極簡(jiǎn)單命令集，使該協(xié)議成為串行設(shè)備的30年優(yōu)勝者。由于它的設(shè)備表示方法簡(jiǎn)單、消息幀簡(jiǎn)明，容易實(shí)現(xiàn)Modbus。當(dāng)然，寄存器和位還不具備恰當(dāng)?shù)乇硎据^復(fù)雜設(shè)備(如質(zhì)量流量控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))的能力。

DeviceNet
    DeviceNet是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，它使用最初由德國(guó)bosch公司研發(fā)的控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)技術(shù)。CAN可支持單一拓?fù)?，帶?jié)點(diǎn)的總線。盡管CAN能支持幾千個(gè)節(jié)點(diǎn)且數(shù)據(jù)速率高達(dá)1MB，但DeviceNet僅限64個(gè)節(jié)點(diǎn)和125、250以及500KB速率工作的網(wǎng)絡(luò)。它是一種主—從連接基網(wǎng)絡(luò)；主設(shè)備由一個(gè)從設(shè)備請(qǐng)求連接，然后兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行非控制和I/O數(shù)據(jù)連接的協(xié)商。一旦建立I/O連接，主設(shè)備使用查詢、循環(huán)狀態(tài)改變的通信方式與從設(shè)備通信。最近還增加了Time Synchronization(CIPsync)和DeviceNet Safety Network(CIPsafety)協(xié)議。
    DeviceNet不具備對(duì)等通信能力。多數(shù)設(shè)備只支持傳統(tǒng)的查詢通信方式，而不支持吞吐率較高的循環(huán)或狀態(tài)改變的工作方式。分段存儲(chǔ)協(xié)議要求發(fā)送8字節(jié)以上的消息，過(guò)于復(fù)雜且需要大量的計(jì)算資源。
它支持的設(shè)備類型十分廣泛，包括光眼、驅(qū)動(dòng)器和質(zhì)量流量設(shè)備，符合標(biāo)準(zhǔn)且大批量供貨降低激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，尤其對(duì)I/O設(shè)備。

Profibus DP
    Profibus DP是一種工作于12MB的RS—485基I/O網(wǎng)絡(luò)。Profibus是在設(shè)備上增加ASIC用硬件實(shí)現(xiàn)的。這是一種主—從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多有126個(gè)節(jié)點(diǎn)和244字節(jié)消息，PTO是促進(jìn)和維護(hù)該標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商組織。
Profibus DP的工作速率較任何CAN網(wǎng)絡(luò)(DeviceNet，CANopen等)快得多，后者最高只有1MB。它擁有大量供應(yīng)商和現(xiàn)成的的產(chǎn)品；然而由于它要求專用硬件ASIC，在批量低時(shí)實(shí)施成本稍高。有Siemens的積極支持以及Siemens的可編程控制器內(nèi)置的連接，Profibus DP 在歐洲市場(chǎng)占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

ControlNet
    ControlNet是DeviceNet和EtherNet/IP的先驅(qū)者，最初是作為Allen-Bardley Data Highway替代品研發(fā)的。它填補(bǔ)了高確定性和重復(fù)性網(wǎng)絡(luò)的空白。它使用與DeviceNet或EtherNet/IP相同的控制與信息協(xié)議(CIP)應(yīng)用層，讓用戶按專用的控制I/O或消息數(shù)據(jù)來(lái)配置每個(gè)消息。由于ControlNet要求專用的電纜，且與以太網(wǎng)相比速度不盡人意，因而其市場(chǎng)接納率較低。

EtherNet/IP
    EtherNet/IP是用于CotrolNet和DeviceNet的CIP技術(shù)的改進(jìn)版。與這兩種協(xié)議一樣，EtherNet/IP是對(duì)象基的。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備表示為一系列具有屬性和值的對(duì)象。它采用傳送控制協(xié)議(TCP)來(lái)傳送消息數(shù)據(jù)；用連接設(shè)備協(xié)議(UDP)來(lái)傳送I/O數(shù)據(jù)，由于EhterNet/IP上I/O數(shù)據(jù)是按UDP傳送的，因此設(shè)備無(wú)法檢測(cè)到?jīng)_突或未送達(dá)I/O消息。對(duì)象基設(shè)備表示法為EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備提供了一種功能強(qiáng)、完善而又容易實(shí)現(xiàn)的表示方法。同一對(duì)象的表示法對(duì)EtherNet/IP、ControlNet、以及DeviceNet都是一致的。任何熟悉后二種網(wǎng)絡(luò)的人員，只要稍加培訓(xùn)和實(shí)踐，就能安裝和使用EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)。但另一方面，EtherNet/IP是復(fù)雜的，規(guī)格仍在分類之中。安裝與研發(fā)也是比較復(fù)雜的。任何有一定能力的編程人員可以從事DevceNet工作，但若不想投入大量時(shí)間精力，最好不要貿(mào)然地涉足EtherNet/IP。

Modbus/TCP
    Modbus/TCP是真正通過(guò)Ethernet  TCP/IP途徑的Modbus。它使用與Modbus同樣的寄存器和位表示法，它還使用為Moubus定義的同樣函數(shù)。所有Modbus消息和Modbus/TCP消息是一致的，只是后者未包括循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)字段。
    任何有能力研發(fā)Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備人員也能研發(fā)Modbus/TCP。協(xié)議的實(shí)施極其快速，非常適合專用診斷和配置應(yīng)用。Modbus的簡(jiǎn)明性既是它的最大優(yōu)點(diǎn)，也是它的最大缺點(diǎn)。雖然容易明了和快速實(shí)施，Modubus/TCP缺少標(biāo)準(zhǔn)化。一個(gè)供應(yīng)商的Modubus/TCP 產(chǎn)品和另一個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品截然不同。用戶可從因特網(wǎng)上下載免費(fèi)的Modubus/TCP依從性測(cè)試程序。

PROFInet
    PROFInet是基于Microsoft提供的DCOM和RPC技術(shù)的以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議。PROFInet網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備被表示為對(duì)象。用戶可通過(guò)訪問(wèn)每個(gè)PROFInet設(shè)備的默認(rèn)對(duì)象來(lái)審視任何該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并了解它的性能，該協(xié)議與本文上述任何其它協(xié)議不同，它是免費(fèi)的，可從PTO獲得。NetSilicon提供Microsoft Windows、VxWorks、以及Net—OS用的各種版本。由于Windows已內(nèi)置了基礎(chǔ)技術(shù)，從Windows訪問(wèn)一個(gè)PROFInet設(shè)備是相對(duì)簡(jiǎn)單的；當(dāng)然實(shí)現(xiàn)PROFInet需要大量的資源。免費(fèi)代碼極其龐大，需要大量的OS資源，這里要特別指出，雖然PROFInet是PTO支持的，但它與Profibus毫無(wú)共同之處。
CANopen
    CANopen是一種CAN應(yīng)用層協(xié)議。DeviceNet更多地是面向連接的，而CANopen是面向?qū)ο蟮?。它支持兩種基本消息：服務(wù)數(shù)據(jù)消息和過(guò)程數(shù)據(jù)消息。前者用于大批量，低優(yōu)先級(jí)消息；后者則用于高優(yōu)先級(jí)，少批量消息。與DeviceNet一樣，CANopen具有CAN 的優(yōu)點(diǎn)和局限性；而與DeviceNet不同，CANopen不是連接基，且支持對(duì)等消息。在產(chǎn)生方式，一個(gè)CANopen設(shè)備只是產(chǎn)生數(shù)據(jù)而不顧及誰(shuí)來(lái)接收。CANopen中設(shè)備表示比DeviceNet設(shè)備更簡(jiǎn)單。CANopen不需要很多開(kāi)銷且具有極其簡(jiǎn)明的狀態(tài)機(jī)器。請(qǐng)注意這樣一個(gè)事實(shí)，在美國(guó)只有少數(shù)可編程控制器供應(yīng)商支持CANopen通信，另一方面，雖然CANopen是一個(gè)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，它正在迅速打入美國(guó)，特別是在網(wǎng)絡(luò)化OEM機(jī)器市場(chǎng)。

以太網(wǎng)在冉冉升起
    在所有這些網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)協(xié)議獲得最大的成功，這有三個(gè)重要因素在起作用。
對(duì)以太網(wǎng)有極大興趣：Modbus/TCP在吸引很多供應(yīng)商，盡管PROFInet深受Siemens客戶群的歡迎，而DeviceNet、ControlNet以及EtherNet/IP間的公用CIP層卻深深吸引著其它客戶。今年，所有這些技術(shù)會(huì)隨著ODVA和PTO供應(yīng)商向市場(chǎng)投放新產(chǎn)品而急劇增長(zhǎng)。
當(dāng)前，嵌入了EhterNet媒體訪問(wèn)控制器(MAC)32位ARM控制器的價(jià)格已接近標(biāo)準(zhǔn)8位控制器的價(jià)格，供應(yīng)商正竭盡全力創(chuàng)建帶片上閃存、RAM和CAN控制器的ARM控制器，今年，有可能花少量資金用帶片上局域網(wǎng)的嵌入式40MHz、32位處理器來(lái)替代8位、20MHz CAN控制器。若能成功，Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)就能使用以太網(wǎng)，然后無(wú)額外開(kāi)銷地向用戶提供通信功能。
    DeviceNet和Profibus是現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)的產(chǎn)物，每一種技術(shù)的背后都有“巨人”做靠山，特別是Alley-Bardley對(duì)DeviceNet和Siemens對(duì)PROFInet的支持，現(xiàn)在巨人們又要為統(tǒng)一的全球以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一爭(zhēng)高低。在某些應(yīng)用領(lǐng)域(如遠(yuǎn)程傳送)，DeviceNet中繼/分接技術(shù)優(yōu)于以太網(wǎng)星形技術(shù)，但對(duì)于那些勢(shì)均力敵的競(jìng)爭(zhēng)，以太網(wǎng)通常要略勝一籌。
不管是對(duì)是錯(cuò)，用戶就是喜歡以太網(wǎng)，在他們的眼中，有時(shí)可能不正確，它價(jià)廉物美，他們了解它，能駕馭它，在長(zhǎng)期工作中已具備了實(shí)現(xiàn)它的專業(yè)知識(shí)。因此，無(wú)論DeviceNet和Profibus在目前如何流行，以太網(wǎng)最終將取得勝利，并支配整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。無(wú)論如何，對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，今年將是鼓舞和期盼的一年。(東華)