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――羅克韋爾自動化控制系統(tǒng)核心理念解析

孫軍凱

1  引言

    當今，現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品正處于一個方興未艾的時期。各種現(xiàn)場總線技術(shù)層出不窮，而基于現(xiàn)場總線的所謂現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS也正日益成為業(yè)界討論的熱點。各大主流廠商也都在不遺余力地推廣自己所推崇的總線技術(shù)，咨詢機構(gòu)、行業(yè)用戶在選擇適合自己行業(yè)應用的解決方案時也不可避免地面臨這種“亂花漸欲迷人眼”的局面。那么，什么是這種現(xiàn)象背后的巨大的驅(qū)動力量？用戶又如何區(qū)分，做出適合自己應用需求的選擇呢？本文力圖從分析現(xiàn)場總線技術(shù)中的一些基本概念出發(fā)，來闡述羅克韋爾自動化公司的開放現(xiàn)場總線體系NetLinx的核心理念，并說明其在集成架構(gòu)（Integrated Architecture）中的地位和作用，以及這一開創(chuàng)性架構(gòu)能夠為行業(yè)用戶帶來的價值。

2  現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的核心驅(qū)動力

    傳統(tǒng)的自動化技術(shù)今天正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。國際知名研究機構(gòu)Forrester Research在2000年針對50家全球運作的企業(yè)的調(diào)查結(jié)果顯示，在回答“什么是你全球經(jīng)營最大的問題”時，38％的企業(yè)將“工廠生產(chǎn)缺乏透明度”列為第一位，其次分別是“需求預測的不準確性”（36％）和“缺乏溝通和交流”（24％）。很顯然，企業(yè)所反應出來的主要問題都與有效獲取生產(chǎn)過程中的相關信息有關。人們自然的估計是，這至少與企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)控制中的網(wǎng)絡系統(tǒng)，主要是現(xiàn)場總線技術(shù)的應用水平有關。今天，你很難預期一個在生產(chǎn)系統(tǒng)上尚處于“設備孤島”階段的企業(yè)達到高效率的數(shù)據(jù)共享。
    不過嚴格說來，生產(chǎn)數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)成員單位之間的有效共享，則應當是依賴于一個涵蓋了控制平臺、網(wǎng)絡通訊、以可視化為代表的數(shù)據(jù)共享機制的完整的自動化基礎設施，即所謂的集成架構(gòu)（Integrated Architecture）。但是勿庸置疑，現(xiàn)場總線技術(shù)在其中發(fā)揮著十分重要的作用。大家在隨后的例子中就會發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場總線的基本理念，會滲透到控制系統(tǒng)設計中，并給整個系統(tǒng)的性能帶來很大的不同。

3  現(xiàn)場總線網(wǎng)絡服務解析

    盡管總線產(chǎn)品的類型多種多樣，但是歸根到底必須要根據(jù)總線自身的特點，結(jié)合到具體控制系統(tǒng)，結(jié)合到具體的行業(yè)和應用要求，實現(xiàn)特定的功能。撇開各種總線的具體的技術(shù)規(guī)范，考慮這樣的一個問題：今天，人們究竟在利用現(xiàn)場總線實現(xiàn)什么樣的功能？事實上，總線的應用不外乎如下幾種情況：
  連接網(wǎng)絡I/O，
  連接智能現(xiàn)場設備，
  上位監(jiān)控HMI，
  底層設備診斷，
  網(wǎng)絡瀏覽、設備定位，
  程序上載、下載，
  系統(tǒng)和設備組態(tài)。
    實際上，所有這些功能都可以用三個“C”來概括，即Control（實時控制）、Collect（數(shù)據(jù)采集）和Configure（系統(tǒng)組態(tài)）。
    Control：典型的包括遠程I/O控制、智能型設備如變頻器實時網(wǎng)絡控制、控制器之間通過網(wǎng)絡實現(xiàn)的互鎖功能等。典型特點是：數(shù)據(jù)成組，數(shù)據(jù)塊大小有限但是強調(diào)快速、可重復、確定性的通訊。典型地開關量信號5~10毫秒、模擬量40~200毫秒刷新等。某些通過實時總線連接的就地操作員（EOI）站也可歸為這一類通訊。
Collect：通過網(wǎng)絡完成的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。如上位HMI完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA），同時也包括系統(tǒng)診斷信息的提取等。典型特點是數(shù)據(jù)通訊量大，要求周期性或者應系統(tǒng)需要實現(xiàn)通訊，典型刷新時間500~1 000毫秒。
    Configure：通過網(wǎng)絡完成就地和遠程設備以及系統(tǒng)的設置、組態(tài)，程序的上載、下載等任務，包括提供路由支持，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的定位或者狀態(tài)瀏覽功能。典型特點是通訊任務為人為型、突發(fā)型，數(shù)據(jù)傳送量非常大（最新的控制器程序大小多為幾百K甚至數(shù)兆字節(jié)），任務完成時間從幾十秒到數(shù)分鐘甚至更長的時間。

4  傳統(tǒng)現(xiàn)場總線解決方案的局限性

    事實上，上述三個“C”恰好可以完整描述人們對工業(yè)網(wǎng)絡典型的功能要求。而且通常這三種功能是從頂層到底層，隨時隨地、貫穿始終的。很難想象，底層豐富的診斷數(shù)據(jù)如果不能方便地在整個網(wǎng)絡架構(gòu)中提取和共享，這種診斷的實際意義有多大。但是很顯然，這三種網(wǎng)絡功能（Services）在數(shù)據(jù)傳送量、實時性要求、發(fā)生特性上都有著極大的區(qū)別，甚至可以說將其融合在一根總線上存在本質(zhì)上的沖突和矛盾。如何解決這一矛盾？我們的問題是：
    (1)  是否可以通過提高總線波特率解決這些矛盾？
    (2)  三層網(wǎng)絡本身存在縱向集成問題，如何跨越不同的網(wǎng)絡層次完整集成這些功能？
    (3)  是否可以使用某種代理（Proxy）或者網(wǎng)關來實現(xiàn)這些功能？
    (4)  什么是真正可行的解決方案？
    是否可以通過提高網(wǎng)絡波特率解決這些問題呢？答案是否定的。其根本原因在于，影響網(wǎng)絡吞吐量（Throughput）的三個要素中，除了波特率，還包括協(xié)議的效率和通訊的模式。用以太網(wǎng)（典型1 500字節(jié)長）去處理位元（bit）信息顯然效率不高。其實核心的要素是網(wǎng)絡通訊模式對網(wǎng)絡帶寬的使用效率和不同網(wǎng)絡服務的優(yōu)先級處理問題。畢竟，網(wǎng)絡波特率即便大幅提升，終究有一定限制，是有限的資源。
此外，如何跨越不同層次的網(wǎng)絡實現(xiàn)集成的通訊服務？現(xiàn)在大家普遍認同的一點，就是典型的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即信息層、控制層、設備層。如何實現(xiàn)從信息層到底層工業(yè)設備的透明訪問？傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)很難實現(xiàn)這一要求，其原因在于：
    (1)  三層網(wǎng)絡沒有通用的路由服務支持，必須借助于控制器或者網(wǎng)關設備完成不同層次之間的信息傳遞；
    (2)  傳統(tǒng)的主從模式的網(wǎng)絡是基于輪詢或者主從掃描方式工作的，控制器必須要占用其寶貴的處理能力來管理通訊，同時用戶必須調(diào)用相應的功能塊，或編寫特定的路由表來完成通訊的任務。這樣不僅加重了處理器的負荷，影響系統(tǒng)實時控制性能，而且非專業(yè)人員很難達到底層的深度透明訪問。這也就是傳統(tǒng)系統(tǒng)只能提供有限診斷，甚至網(wǎng)絡的瀏覽也只能限定在靜態(tài)訪問的原因。

    5  NetLinx解決方案核心技術(shù)分析

    羅克韋爾自動化則基于用戶需求，創(chuàng)新性地解決了這些問題，從而使網(wǎng)絡通訊和數(shù)據(jù)共享提升到了一個全新的境界。其中的關鍵技術(shù)包括：
    (1)  采用創(chuàng)新的、效率和實時性更高的Producer/Consumer（生產(chǎn)者/消費者）模式來取代傳統(tǒng)的主從Source/Destination（源/目的）模式。開放現(xiàn)場總線技術(shù)EtherNet/IP（IEEE 802.3）、ControlNet（IEC61158，EN50170）、DeviceNet（IEC62026，EN 50325，中國國標 GB/T 1858.3）、FF（IEC61158，EN50173）都是采用生產(chǎn)者/消費者技術(shù)的典型代表。羅克韋爾自動化現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)就構(gòu)筑在這些開放總線產(chǎn)品的基礎之上，如圖1所示。 

圖1  羅克韋爾自動化開放現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)示意圖

    (2)  各層總線采用同一個應用層協(xié)議CIP（Common Industrial Protocol，通用工業(yè)協(xié)議，又稱“控制與信息協(xié)議”），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。CIP協(xié)議的控制部分用以進行實時I/O數(shù)據(jù)傳送和互鎖。信息處理部分用以進行報文信息的交換，如對等的通訊、報警、組態(tài)、操作員顯示站以及故障診斷等。CIP 協(xié)議突出網(wǎng)絡效率，可在同一介質(zhì)上實現(xiàn)實時控制、設備組態(tài)以及數(shù)據(jù)采集等工作（完美集成三個“C”的功能），而這一切即便在今天，在其它的通訊系統(tǒng)中仍是不可想象的。另外，CIP是一個與介質(zhì)無關的技術(shù)，這使得人們未來在其他的底層通訊技術(shù)之上很容易加載這種通訊協(xié)議。

 圖2  基于CIP協(xié)議的開放現(xiàn)場總線體系示意圖

    (3)  創(chuàng)新的控制系統(tǒng)設計。羅克韋爾自動化全新集成控制和通訊平臺ControlLogix系統(tǒng)創(chuàng)新性地將Producer/Consumer技術(shù)引入到其底板ControlBus的設計中，構(gòu)造了獨特的透明底板技術(shù)，即在任何一點，以任何方式（點對點串口、以太網(wǎng)、ControlNet、撥號網(wǎng)絡、無線接入等）只要接入系統(tǒng)，就可以訪問到從頂層（以太網(wǎng)）到底層（DeviceNet網(wǎng)絡）的任何一點、任何一臺設備完整的控制、組態(tài)和診斷信息，即完整的通訊功能實現(xiàn)，而且所有這一切無需處理器參與，無需任何編程，而且對系統(tǒng)正常的實時控制不會造成任何影響，可以具體到控制系統(tǒng)模塊中的每一個點，深入到車間現(xiàn)場任何一臺智能總線設備，實現(xiàn)完全動態(tài)、實時的、完整的信息訪問。圖3給出了一個全透明系統(tǒng)訪問的實例，即一個實際的飲料生產(chǎn)企業(yè)，過程處理、包裝和倉儲管理子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)相連。現(xiàn)在工程師在中控室打開RSLinx網(wǎng)絡通訊軟件，即可透明訪問到系統(tǒng)中任何一個節(jié)點設備，包括現(xiàn)場連接在DeviceNet網(wǎng)絡上的伺服控制器、I/O、變頻器等所有設備，可以方便地實現(xiàn)包括系統(tǒng)診斷、組態(tài)、控制調(diào)節(jié)等完整的網(wǎng)絡功能。大大提高了系統(tǒng)調(diào)試、運行和維護的效率。
    (4)  利用羅克韋爾軟件強大的軟件實力，采用創(chuàng)新的FacktoryTalk技術(shù)，通過公共的數(shù)據(jù)名空間（NameSpace），方便地在整個企業(yè)的范圍內(nèi)共享實時、診斷信息等數(shù)據(jù)，同時提供成熟的實時數(shù)據(jù)庫和企業(yè)關系型數(shù)據(jù)庫事務管理軟件RSSQL，在企業(yè)生產(chǎn)管理層面提供模塊化的MES（制造業(yè)執(zhí)行系統(tǒng)）軟件，完成從生產(chǎn)排程管理，設備效率分析，物料跟蹤，批次處理到流程仿真等全過程的生產(chǎn)管理，并且能夠和企業(yè)ERP系統(tǒng)方便地接口，真正實現(xiàn)企業(yè)范圍內(nèi)的完整數(shù)據(jù)共享方案。 

圖3  基于Logix和NetLinx的全透明系統(tǒng)訪問

6  集成架構(gòu)的優(yōu)勢

    從前邊的分析即可看出，現(xiàn)場總線技術(shù)對控制系統(tǒng)的影響不僅限于改變了系統(tǒng)拓撲的面貌，而且在更深入的層面上影響著控制系統(tǒng)的性能，甚至其設計理念。更為重要的是，總線體系不會在一夜之間形成，更不會在短時間內(nèi)改變，而作為控制系統(tǒng)基礎的現(xiàn)場總線技術(shù)一定會在更為深遠、更為長期的意義上影響著控制系統(tǒng)的性能與發(fā)展。羅克韋爾自動化從1994年發(fā)明并公開化DeviceNet技術(shù)開始，將其對先進現(xiàn)場總線技術(shù)的深刻理解貫徹到整個現(xiàn)場總線技術(shù)體系中，并創(chuàng)造性地運用到其集成控制平臺Logix技術(shù)上，造就了獨一無二的集成架構(gòu)技術(shù)（Integrated Architecture）和優(yōu)越的系統(tǒng)性能。
    高效率透明三層網(wǎng)絡體系NetLinx技術(shù)提供了從互聯(lián)網(wǎng)到車間底層透明貫通的完整的數(shù)據(jù)通訊功能，結(jié)合創(chuàng)新的透明底板技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡同一層次之間，跨越不同層次，任何一點接入，都可以實現(xiàn)無縫、透明的數(shù)據(jù)訪問，用戶可以自如地對系統(tǒng)任何一個節(jié)點設備隨時隨地進行實時控制、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)組態(tài)和遠程診斷。而且網(wǎng)絡性能可設定、可預知、可確保、可調(diào)節(jié)。
    同時，配合FactoryTalk企業(yè)實時數(shù)據(jù)交換技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)的實時數(shù)據(jù)可以在企業(yè)內(nèi)部一次定義，即可高效共享，為控制、診斷等實時數(shù)據(jù)在企業(yè)范圍內(nèi)的透明共享奠定了基礎。成熟的數(shù)據(jù)庫事務管理軟件在實時數(shù)據(jù)庫和關系型數(shù)據(jù)庫之間搭起了一座可靠的橋梁，為使用模塊化的MES系統(tǒng)RSBizWare套件，以及和ERP系統(tǒng)之間接口，提供了成熟、可靠、開放化的解決方案。
    由此看來，NetLinx、FactoryTalk，RSSQL三者在不同層面上環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)造了一個工廠和企業(yè)數(shù)據(jù)從底到頂，無縫集成，結(jié)構(gòu)開放、方便透明的一個企業(yè)數(shù)據(jù)訪問基礎架構(gòu)，完成了現(xiàn)代企業(yè)內(nèi)部縱向的集成，解決了工廠生產(chǎn)不透明地問題，使得企業(yè)在競爭中易于建立基礎優(yōu)勢。
    同時，在橫向?qū)用嫔希_克韋爾自動化創(chuàng)造性地將這種集成理念貫穿到其新一代控制平臺Logix系統(tǒng)的設計中，用同一個操作內(nèi)核，統(tǒng)一的開發(fā)軟件（Logix5000），覆蓋了順序控制（傳統(tǒng)PLC）、過程控制（傳統(tǒng)DCS）、批次處理（傳統(tǒng)DCS）、傳動控制、運動控制（配合集成驅(qū)動技術(shù)Kinetix）、安全控制（SIL2 ESD系統(tǒng)等），完成了控制平臺的橫向集成，在系統(tǒng)設計、項目實施、運行維護、人員培訓、系統(tǒng)集成、備件支持等環(huán)節(jié)上，都可以大大減少用戶成本，也因此被自動化技術(shù)領先研究機構(gòu)ARC譽為面向下一代的PAC（Programmable Automation Controller，可編程自動化控制器）系統(tǒng)的典范。更為重要的是，羅克韋爾自動化今天已經(jīng)基本完成了Logix技術(shù)的整合，是成熟的PAC系統(tǒng)技術(shù)。而且Logix系統(tǒng)的規(guī)模完全可伸縮，跨越從幾十點到數(shù)萬點的系統(tǒng)，滿足用戶不同控制應用和預算的需求。
    與此相適應，羅克韋爾自動化在界面技術(shù)方面進一步整合，推出了全新可視化技術(shù)ViewAnyWare，即使用一個開發(fā)軟件RSView Studio，可以完成企業(yè)級（RSView SE監(jiān)控版）到車間級（RSView ME機器版）的組態(tài)，實現(xiàn)畫面、標簽的重用互換，并針對Logix平臺開發(fā)了直接標簽引用（Direct Tag Referencing）技術(shù)，使得HMI系統(tǒng)可以直接引用Logix控制器中的標簽而無需繁雜的導入過程，并且和控制器中的標簽同步變化，避免了頻繁更改可能帶來的錯誤。 

圖4  基于現(xiàn)場總線技術(shù)的集成架構(gòu)

    綜上所述，Logix/Kinetix、NetLinx、ViewAnyWare、FactoryTalk、RSBizWare，從橫向到縱向，構(gòu)成了一個緊密集成、結(jié)構(gòu)清晰而又開放化的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的集成架構(gòu)（如圖4所示），在性能、綜合成本、成熟性方面都存在巨大的優(yōu)勢，必將為自動化系統(tǒng)帶來嶄新的面貌。