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羅 安
現(xiàn)場總線作為控制工程界和儀表自動化界的新一代技術(shù)，已有多年的發(fā)展歷史。目前除了看到越來越多的廠家推出了一個又一個新系統(tǒng)、新產(chǎn)品外，對于人們所期待的開放性，即多廠家產(chǎn)品可以互連、互通、互操作方面仍然沒有看到突破性的進展。當然，目前有不少廠家推出了可以將多種現(xiàn)場總線連接在一起的網(wǎng)關(guān)類產(chǎn)品，但這只能解決不同現(xiàn)場總線之間的信息互通問題，遠未達到可互操作的程度。而且，依靠網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，對于使用者來說還不是很方便的，從用戶的角度看，用轉(zhuǎn)換器或網(wǎng)關(guān)連接不同的產(chǎn)品，肯定不如直接連接更方便，更能保證功能和性能。造成這種情況的根本原因，不是因為現(xiàn)場總線的產(chǎn)品太多了，而是由于現(xiàn)場總線的標準太多了。多個標準的存在阻礙了開放性目標的實現(xiàn)，而開放性又是影響現(xiàn)場總線技術(shù)得到廣泛應(yīng)用并推動儀表數(shù)字化進程的關(guān)鍵因素。
在歷史上，測量與控制有一個從單個設(shè)備到構(gòu)成系統(tǒng)的質(zhì)變過程，實現(xiàn)這種質(zhì)變的關(guān)鍵因素是通信。在儀表控制時代，是4~20mA這樣的信號傳輸技術(shù)使單個的儀表控制設(shè)備連結(jié)在一起形成了儀表控制系統(tǒng)，而在計算機控制時代，則是計算機局域網(wǎng)使集中控制變成了分布控制。由于通信是一種將多臺單個設(shè)備連接在一起的技術(shù)，因此它的最重要特性就是標準，也就是說，凡是要互連在一起的設(shè)備，必須遵循統(tǒng)一的通信規(guī)約，采用一樣的通信設(shè)備，接在同樣的物理線路之上，才能夠?qū)崿F(xiàn)通信功能。因此，任何通信設(shè)備的開發(fā)都是從標準的制定開始的。當然，為了開發(fā)通信產(chǎn)品而制定的標準，一般都是廠家自己制定的，是圍繞該廠家自有的技術(shù)和產(chǎn)品而制定的各種內(nèi)部規(guī)范。而不論哪個廠家，開發(fā)出產(chǎn)品都是為了擴大應(yīng)用，打開市場，在這個時期，標準又成了拓展市場提高競爭力的有力工具。
產(chǎn)品的標準有兩類，一類是規(guī)定產(chǎn)品外部特性和對外接口的，這類標準在產(chǎn)品推向市場時就必須向社會公布，因為這是用戶檢驗、使用相應(yīng)設(shè)備時必須依據(jù)的文本。還有一類標準涉及產(chǎn)品的內(nèi)部構(gòu)造、內(nèi)部技術(shù)規(guī)范、各組成部分之間的連接關(guān)系等，這類標準一般是企業(yè)的內(nèi)部標準，并沒有必要向社會公開，它只是企業(yè)在進行產(chǎn)品生產(chǎn)時作為形成生產(chǎn)工藝的依據(jù)，屬企業(yè)自己的技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)。對于后一類標準，絕大多數(shù)企業(yè)是作為技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)嚴加保護的，但也有例外，其中最典型的例子就是IBM PC技術(shù)規(guī)范的公開。在IBM將其個人計算機的技術(shù)規(guī)范公開之后，計算機這個20世紀最偉大的發(fā)明就從神秘的實驗室走進了辦公室和普通人的家庭，其市場需求量產(chǎn)生了爆炸式的增長。IBM此舉不僅沒有損害自己的商業(yè)利益，相反，由于市場需求的激增，PC成了IBM的新的產(chǎn)業(yè)支柱，而且由PC數(shù)量的激增又帶來了許多新興產(chǎn)業(yè)。當然，在這種開放的環(huán)境中，IBM將面對多個廠家的競爭，在這個市場上將不再存在壟斷利潤，要在PC業(yè)務(wù)上有所發(fā)展，只能通過自身競爭力的提高才能實現(xiàn)。比較起來，在計算機產(chǎn)業(yè)中，小市場中的壟斷利潤并不比大市場中的競爭利潤來得更大，因此，PC技術(shù)規(guī)范的開放是IBM利用開放標準擴大產(chǎn)業(yè)的一個成功案例。
為什么PC技術(shù)標準的公開會造成該產(chǎn)品需求量的爆炸式增長？這是應(yīng)該認真研究的。首先，從技術(shù)上PC的體系結(jié)構(gòu)適應(yīng)了市場的需求，當時已有不少公司推出了基于微處理器的各種個人電腦產(chǎn)品，例如著名的蘋果電腦，由于各家的個人電腦都沒有足夠大的銷量，因此成本都相當高，這自然阻礙了個人電腦需求量的增長，而需求量上不去，產(chǎn)品的成本就下不來。這形成了一個死循環(huán)，而IBM決定公開其PC標準，就成了打破這個死循環(huán)的關(guān)鍵之舉。PC技術(shù)標準的公開使得很多中小電子制造企業(yè)加入到了PC機部件的制造者行列，很多沒有能力設(shè)計整機的公司，可以根據(jù)標準生產(chǎn)PC機的板卡部件，而利用標準的板卡和部件，可以很容易地組裝成整機。這樣，生產(chǎn)的批量上去了，產(chǎn)品的價格壓下來了，同時也促使更多的人購買、使用PC機，原來的死循環(huán)變成了良性循環(huán)。因此PC機的市場猛增，把其它機種遠遠地甩在了后面。
這里有兩個關(guān)鍵點必須強調(diào)。第一是PC機的開放標準規(guī)范了硬件的生產(chǎn)，而且這個標準是唯一的。電子產(chǎn)品硬件的生產(chǎn)涉及到很多生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、原材料等環(huán)節(jié)，這些必須用一個唯一的標準去規(guī)范，才能夠進行規(guī)模化的批量生產(chǎn)，而用統(tǒng)一的標準生產(chǎn)的產(chǎn)品越多，批量越大、單件產(chǎn)品的成本就越低。可以設(shè)想一下，當初在IBM公開其PC機技術(shù)標準的同時，如果蘋果公司也同時公布蘋果機的技術(shù)標準，那么個人電腦的市場將會如何發(fā)展呢？結(jié)果不好預(yù)測。第二是PC機的開放標準是有限的，即該標準只涉及到PC機的硬件規(guī)范，其實最主要的就是PC總線的規(guī)范，當然還有電氣連接、機械尺寸等規(guī)范。再上層的軟件則只規(guī)定了訪問硬件的接口，其余由軟件公司去自由發(fā)揮。因此在標準的PC硬件之上，可以有DOS、Windows、Solaris、各種UNIX、LINUX等等多種操作系統(tǒng)。而在應(yīng)用軟件方面，則更多達成千上萬種。無疑，豐富的軟件是促進PC機大量應(yīng)用的又一個關(guān)鍵因素。但是，軟件的極大豐富不是用軟件的有關(guān)標準規(guī)范出來的，相反，這是在統(tǒng)一的硬件標準之上通過自由發(fā)展而形成的。由于軟件是直接面向應(yīng)用的產(chǎn)品，而應(yīng)用的需求是千差萬別的，也是隨著時間的發(fā)展不斷發(fā)展變化的。我們不可能用標準去規(guī)定或固化應(yīng)用，但應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺，即硬件應(yīng)該是標準的。這樣針對不同應(yīng)用開發(fā)出來的軟件才能有共同的平臺，才能夠在不同的應(yīng)用之間實現(xiàn)信息的互通和共享。
可以用圖1表明不同的應(yīng)用與基礎(chǔ)平臺之間的關(guān)系。假設(shè)有A、B、C三個應(yīng)用，其中有一部分是各個應(yīng)用都需要的共性部分，在邏輯上被表示為A&B&C，這個共性部分即為應(yīng)用平臺，由硬件及固化的軟件組成。在圖1中，需要標準化的是平臺，即A&B&C，而其余部分則需要根據(jù)應(yīng)用的需求自由發(fā)展。
圖1 多種應(yīng)用與基礎(chǔ)平臺的關(guān)系
通過以上的論述，應(yīng)該對當前在現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域中出現(xiàn)的多標準局面有一個較明確的認識。在IEC的多個現(xiàn)場總線標準中，絕大多數(shù)都包含了OSI層次模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層等內(nèi)容，有些標準還在應(yīng)用層之上增加了更高層次用戶層。如果說OSI模型中的底層（指傳輸層以下各層，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層）是可以滿足各種不同應(yīng)用需求的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺，那么其高層，包括應(yīng)用層和用戶層，就是與具體應(yīng)用關(guān)系密切的部分。在同一個標準中將基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用捆綁在一起，將很難兼顧標準的普遍適用性和滿足不同應(yīng)用的多樣性，必然要做出某種犧牲。事實上，多種現(xiàn)場總線即使都是IEC通過的標準，但也有其不同的最佳應(yīng)用領(lǐng)域，如FF之流程控制領(lǐng)域、DeviceNet之邏輯控制領(lǐng)域等。這實際上局限了標準的適用性，人們不會設(shè)想在制造行業(yè)的控制系統(tǒng)中使用FF現(xiàn)場總線，也不會設(shè)想在化工廠等流程控制系統(tǒng)中選用SwiftNet。在IEC 61158的多種現(xiàn)場總線標準中，不乏相當好的技術(shù)，作為底層的網(wǎng)絡(luò)通信支撐平臺，可以有相當廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。但是一旦與高層協(xié)議捆綁，就阻礙了它的廣泛應(yīng)用。人們不能設(shè)想在ProfiBus的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議平臺上跑FF的應(yīng)用層協(xié)議，也不能設(shè)想在FF的H1線路上跑DeviceNet的高層協(xié)議。而作為底層支撐平臺的產(chǎn)品，一般都是以硬件以及固化軟件形態(tài)出現(xiàn)的，這類產(chǎn)品若不具備最廣泛的普適性，必然達不到生產(chǎn)的經(jīng)濟批量，這將導致產(chǎn)品的成本居高不下，反過來又阻礙了產(chǎn)品的應(yīng)用數(shù)量。目前，多標準的現(xiàn)場總線就處在這樣一種難堪的局面當中。
從上面的討論中知道，作為標準，唯一性或統(tǒng)一性是極為重要的，有了唯一的、統(tǒng)一的標準，才有可能形成巨大的應(yīng)用量，或達到產(chǎn)業(yè)規(guī)模。而統(tǒng)一標準形成的必要條件，就是標準要盡量簡單，需要遵循的規(guī)定要盡量少。實際上，越是復雜的標準，各種規(guī)定越是繁雜的標準，就越不容易得到廣泛的采用和遵循。在儀表行業(yè)，4~20mA標準正是由于其簡單明了，得到了各家儀表企業(yè)和用戶的廣泛認同，成為了儀表界的統(tǒng)一標準。在此標準之下，任何一個廠家的儀表都可以和另一廠家的儀表共存于一個應(yīng)用系統(tǒng)中，其信號的交換不存在任何障礙。而在模擬信號走向數(shù)字信息之后，由于技術(shù)比過去復雜了，而且，數(shù)字化技術(shù)大大地擴展了系統(tǒng)的功能。因此，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的標準必然比4~20mA這樣簡單的模擬信號標準要復雜得多。面對這樣復雜的情況，充分利用OSI參考模型，按照不同的功能層次制定不同的標準，并按OSI模型的層次來規(guī)范層次間的接口關(guān)系，應(yīng)該是將復雜問題簡單化的好方法，而不是像現(xiàn)在這樣，推出多個互相獨立、互不兼容、功能層次完整的標準。
目前處于關(guān)注焦點的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)極有可能成為打破現(xiàn)場總線多標準并存的不利局面的轉(zhuǎn)折點，但是應(yīng)該特別引起注意的是，務(wù)必不要使工業(yè)以太網(wǎng)成為第九個或第十一個現(xiàn)場總線類型，成為又一個將底層數(shù)據(jù)通信支撐平臺和高層應(yīng)用捆綁在一起的非常復雜的標準。這樣的標準注定是很難得到廣泛認同和采用的，對推動儀表數(shù)字化進程、形成數(shù)字化儀控產(chǎn)業(yè)將起不到什么作用。人們希望的是在傳輸層以下形成一個統(tǒng)一的標準，這個標準將以通用的以太網(wǎng)和IP、TCP/UDP為基礎(chǔ)，增加數(shù)據(jù)實時通信能力，在工業(yè)環(huán)境下運行的防護能力、網(wǎng)絡(luò)供電能力、網(wǎng)絡(luò)冗余能力、防爆措施和與通用信息網(wǎng)段互連等各項與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的規(guī)范。在應(yīng)用層面，可以提供一個標準的接口或框架，在數(shù)據(jù)格式中預(yù)留大量的可根據(jù)應(yīng)用需求定義的字段。至于具體的應(yīng)用，完全可以根據(jù)需求去擴展，這完全是可以用軟件解決的問題，而在底層的基礎(chǔ)實現(xiàn)了統(tǒng)一標準后，應(yīng)用軟件是不怕多的，越豐富越好，它必定對現(xiàn)場總線技術(shù)起到極大的推進作用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號