3   PLC和工控機的軟件特性
   
    PLC、工控機和現(xiàn)場總線為工業(yè)自動化提供了很好的底層控制硬件基礎。隨著軟件技術的迅猛發(fā)展，控制軟件不再是單調(diào)的數(shù)字和菜單操作界面，而是圖形化的人機交互工具。好的工控軟件包括了從底層的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、控制邏輯運算到高層的人機圖形界面(MMI)。這里，我們從工控軟件體系結構而不是個別軟件功能的角度介紹PLC和工控機的應用軟件應該具備的特性。
    
    微軟為制造業(yè)的分布式網(wǎng)絡結構提出了一個功能強大的概念，它包括了企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和制造資源規(guī)劃（MRP）的主要功能、控制、人機界面與數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、批量控制與設備界面等，但它們同時增加了用戶成本以及共享數(shù)據(jù)的難度。
    
    因此，在1998年，微軟公司引入了Windows分布式互連網(wǎng)絡應用的概念，簡稱Windows DNA。它是在企業(yè)內(nèi)將各種商業(yè)應用軟件進行無縫連接的一種結構。這種結構可以使制造業(yè)的軟件開發(fā)商開發(fā)出強壯的、具有多種特性的產(chǎn)品，并使最終用戶將其各自獨立的制造和商業(yè)軟件應用集成到一個數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)中去。

    各個控制設備生產(chǎn)廠家如羅克韋爾自動化公司，通過其產(chǎn)品和與微軟的合作，正在將Windows DNA結構引入制造業(yè)。這些公司在制造業(yè)軟件開發(fā)過程中具有自己的策略框架，如羅克韋爾互聯(lián)網(wǎng)應用結構，或稱RNA，就是與微軟提出的為企業(yè)定義的DNA結構緊密平行的一種。
    
    建立在微軟的Windows NT和Windows 9X操作系統(tǒng)和用戶接受的微軟Office套件、微軟BackOffice工具的基礎上，微軟公司于1998年引入了DNA結構。Windows DNA立刻被采納為連接在一個單獨的企業(yè)分布式大系統(tǒng)中多種產(chǎn)品的策略結構。

    DNA包含了傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)并允許組成可變結構的Client/Sever系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高技術等級以及進行應用革新。Windows DNA的關鍵元素包括工具、集成存儲、商務過程、用戶界面和導航。
更詳細地說，DNA具有如下特征：
·   公共的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡；
·   公共數(shù)據(jù)訪問；
·   BackOffice工具和服務；
·   公共的應用底層結構；
·   與微軟的Office應用集成；
·   強有力的開發(fā)工具；
·   可遺傳的系統(tǒng)集成工具；
    
    正如微軟定義的那樣，制造業(yè)的Windows DNA包含了企業(yè)資源規(guī)劃/制造資源規(guī)劃，控制(不論其為分布式、基于PC的或PLC)、人機接口和SCADA，制造執(zhí)行系統(tǒng)、批處理和設備接口。沒有制造業(yè)的DNA，那么在這些應用功能之間的鴻溝只能由用戶界面和驅(qū)動設備來填補。這將會使業(yè)主系統(tǒng)的成本增加，并且由于數(shù)據(jù)格式問題而很難共享數(shù)據(jù)。
    
    早在80年代中期，羅克韋爾自動化在其CIM版本中首先確定了將工廠底層與上位計算機系統(tǒng)連接的需求。但是，直到現(xiàn)在實現(xiàn)以上概念的軟件和硬件的核心技術才成熟，它們包括商業(yè)方面的應用如數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、人機界面（HMI）、批量控制（Batch）、MES、ERP接口、基于PC總線的控制和通訊。

    以RNA結構為例，它包括了：

    (1)  操作系統(tǒng)平臺
    包括了從最早的Win3.1環(huán)境的人機界面和編程軟件到Windows NT開發(fā)全功能人機界面。隨著Windows CE的到來，一些公司正計劃提供基于CE的全套的PLC編程、人機界面和控制軟件。

    (2)  COM和DCOM
    建立COM（組件對象模型）和DCOM（分布式組件對象模型）使得產(chǎn)品具有互操作性、擴展性和靈活性。COM與其它工控軟件產(chǎn)品的結合增加了提供集成套裝軟件（ProcessPak和ControlPak）的能力，還增加了各獨立軟件的模塊化程度和促進某公司產(chǎn)品與其它廠家產(chǎn)品的集成能力。例如，羅克韋爾軟件RS SQL是一個數(shù)據(jù)登入和傳送處理的系統(tǒng)，采用COM技術提供連接控制系統(tǒng)和企業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的雙向聯(lián)系，是支持制造業(yè)DNA數(shù)據(jù)庫環(huán)境的版本。

    (3)  Visual Basic的應用
    微軟認為VB是在DNA框架內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)部集成的關鍵技術。VBA為DNA結構提供了三大益處，首先，它為最終用戶提供不需要學習特定語言而能編制自己的實際應用程序的標準方法；其次，VBA提供了多個應用間共享數(shù)據(jù)或集成功能的方法，例如，它允許人機界面軟件可以利用微軟的Excel表格的功能，這是一個系統(tǒng)模型公司的產(chǎn)品，具有計算功能和生產(chǎn)計劃功能；最后，最終用戶如將內(nèi)嵌VBA產(chǎn)品集成到基于DNA的制造信息系統(tǒng)，它能夠使目前工業(yè)界眾多使用VB作為系統(tǒng)快速開發(fā)工具的工程師們提升其軟件產(chǎn)品。

    (4)  ActiveX
    ActiveX技術的應用日益廣泛，許多廠商推出的產(chǎn)品都支持ActiveX。羅克韋爾軟件公司首先為制造工業(yè)的應用軟件引入了ActiveX技術，并且是第一個授權的軟件開發(fā)商，同時能將VBA嵌入到核心產(chǎn)品中去。

    (5)  OPC－過程控制OLE
    DDE是微軟為front-office應用開發(fā)的共享小量相對不變的數(shù)據(jù)的技術。與DDE不同，過程控制OLE技術面向制造環(huán)境的控制性能、結構和可靠性而設計。微軟的制造業(yè)DNA確定了設備、控制應用和商業(yè)應用間應該具有開放性和互操作性接口特征（OPC）。羅克韋爾是OPC組織制定者和主要開發(fā)者。OPC負責建立基于COM技術的應用規(guī)范，它允許所有的應用程序采用同樣的基于COM技術的接口去訪問數(shù)據(jù)，簡化了數(shù)據(jù)的采集和共享方法。
    
    根據(jù)以上要求采用了制造業(yè)DNA的許多技術后，羅克韋爾還提供面向企業(yè)和工業(yè)的集成軟件包，如用于批量控制的RSBatch、RSView32、RSLogix等可用于對功能框圖進行編程。它們也利用COM集成、VBA和OPC為應用間提供互操作性和與企業(yè)的其它層連接。控制軟件包還為連接I/O、PC總線的控制、編程、VBA和COM對象提供相同的互操作性。
    
    制造業(yè)信息技術的最高境界是采用無縫連接、投資有效、規(guī)模靈活和兼顧未來的發(fā)展的思想并在企業(yè)內(nèi)共享從工廠底層采集的數(shù)據(jù)。RNA的技術保證了其用戶用他們的現(xiàn)有軟件去實現(xiàn)基于DNA的環(huán)境。只有當企業(yè)能夠得到足夠的信息以制定更好的決策、將其供應渠道和運作結合起來，才能使其整個系統(tǒng)更接近用戶。雖然計算機硬件和網(wǎng)絡技術已有很大發(fā)展，在軟件領域仍還有很多的工作要做。


    4   PLC和工控機的網(wǎng)絡特性
    
    現(xiàn)場總線技術是工業(yè)自動化最深刻變革之一。PLC和工控機采用現(xiàn)場總線后可方便地作為I/O站和監(jiān)控站連接在DCS系統(tǒng)中。現(xiàn)場總線是一種取代4～20mA標準，用于連接智能現(xiàn)場設備和控制設備的雙向數(shù)字通訊技術，現(xiàn)場總線具有開放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到現(xiàn)場設備中。
現(xiàn)場總線還可以處理復雜的事情：本質(zhì)安全、危險場合、多變量的過程以及法規(guī)要求嚴格的環(huán)境。PLC和工控機采用現(xiàn)場總線有以下益處：

    (1)  互操作性   互操作性定義為在沒有任何功能損失的條件下，不同廠家的多個設備可以工作在一個系統(tǒng)中，互操作性允許工廠工程師可在相同的現(xiàn)場總線中集成不同廠家的設備，也允許工程師用別的廠家的設備來替換一臺現(xiàn)場總線設備。

    (2)  更低的安裝費用   現(xiàn)場總線將極大地降低工廠最初的費用，包括簡化接線、更少的接線端子排和簡化了的儀表選型。此外，減少的費用還有：簡化了圖紙、簡化了控制系統(tǒng)的工程實施、減少了用于連線、接線柜和接線盒的費用。通過把控制功能轉移到現(xiàn)場，控制系統(tǒng)的費用也降低了：減少了DCS所需的空間，減少了控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，減少了機柜的空間和I/O接線端子排。現(xiàn)場總線將能提供在線的遠方數(shù)字通訊，可用來實現(xiàn)更快的調(diào)試、更快的診斷，降低安裝和調(diào)試設備的人工費用。

    (3)  更低的維護費用   現(xiàn)場總線將擴大操作人員觀察整個過程的視角，這樣，可以方便和有效地進行維護和過程管理，加快查找和消除故障的速度。現(xiàn)場總線可以實現(xiàn)在線診斷，更方便的標定和預測維護性。

    (4)  改進性能   隨著控制功能從DCS轉移到單獨的控制回路，由于就地控制更快，更準確，系統(tǒng)的集成度和可靠性也增加了。現(xiàn)場總線還能充分利用具有多傳感器設備的優(yōu)點，因為在一對導線上允許多個信息流動。

    由于現(xiàn)場總線使得更容易從現(xiàn)場獲取設備信息，工廠操作員和管理人員能夠?qū)ζ溥^程進行更嚴格的控制，從而改進性能、增加過程的可用性和一致性。
    
    現(xiàn)場總線不僅是一種信號通訊協(xié)議，還是一種全新的控制過程的方法。目前，在PLC和工控中使用的主流現(xiàn)場總線協(xié)議有西門子的ProfiBus，羅克韋爾自動化的ControlNet和DeviceNet以及基金會現(xiàn)場總線FF等。以下以ControlNet和DeviceNet為例介紹工業(yè)自動化中的網(wǎng)絡體系結構和通訊技術。

    控制網(wǎng)（ControlNet）是近年來推出的一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時間關鍵性I/O數(shù)據(jù)和報文數(shù)據(jù)，包括程序的上載/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和點對點的報文傳遞等通訊支持，是具有高度確定性、可重復的高速控制和數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統(tǒng)網(wǎng)絡有較大提高。
    
    ControlNet是基于生產(chǎn)者/消費者（Producer/ Consumer）模式的網(wǎng)絡，允許在同一鏈路上有多個主控制器共存，支持輸入數(shù)據(jù)或點對點信息的多路發(fā)送，大大減少了網(wǎng)絡上的交通量，提高了網(wǎng)絡效率和網(wǎng)絡性能。
ControlNet 是高度確定性、可重復的網(wǎng)絡。所謂確定性就是預見數(shù)據(jù)何時能夠可靠傳輸?shù)侥繕说哪芰Γ芍貜托詣t是指數(shù)據(jù)的傳輸時間不受網(wǎng)絡節(jié)點添加/刪除情況或網(wǎng)絡繁忙狀況影響而保持恒定的能力。在實際應用中，通過網(wǎng)絡組態(tài)時選擇性設定有計劃I/O分組或互鎖時間，這些要求能得到更進一步的保證。因此，ControlNet非常適用于一些控制關系有復雜關聯(lián)，要求控制信息同步、協(xié)調(diào)實時控制、數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的應用場合。如協(xié)同工作的驅(qū)動系統(tǒng)，焊接控制，運動控制，視覺系統(tǒng)，復雜的批次控制，有大量數(shù)據(jù)傳送要求的過程控制系統(tǒng)，有多個控制器和人機界面共存的系統(tǒng)等。對于有多個基于PC的控制器之間，不同PLC之間或PLC和DCS之間存在通訊要求的場合， ControlNet非常適用。 ControlNet允許多個各自擁有自己獨立或共享的I/O的控制器之間相互通訊或以靈活的互鎖方式組織。由于其突出的實時性、確定性、可選的本征安全等特性，越來越多地應用于過程控制等要求較高的應用場合。
    
    ControlNet是開放的現(xiàn)場總線，截止1999年底在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)擁有包括Rockwell Autom-ation、ABB、Honeywell等近70家著名廠商組成的成員單位，由獨立國際組織——控制網(wǎng)國際（ControlNet International）負責管理，該組織旨在維護和發(fā)行ControlNet技術規(guī)范，管理成員單位的共同的市場推廣工作。同時提供各個廠商產(chǎn)品之間的一致性和互操作性測試服務，保證 ControlNet的開放性。

    控制網(wǎng)的通訊是基于一種全新的通訊模式：生產(chǎn)者/消費者通訊模式。工業(yè)控制要求控制網(wǎng)絡提供越來越高的生產(chǎn)率、更高的系統(tǒng)性能，同時又提供確定性的、可重復的、可估計的設備間通訊。單純提高波特率或單純提高協(xié)議效率，都不能從根本上解決問題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊模型是源/目的型或者稱點到點的通訊方式，這種方式的優(yōu)點是通訊的內(nèi)容和形式都十分明確，在傳送的報文中都包含了明確的源和地址信息，但是在源/目的網(wǎng)絡模式下，當同一數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡上其它多個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須經(jīng)過多次才能實現(xiàn)，這就大大增加了網(wǎng)絡的負擔，降低了通訊的效率。另外，由于數(shù)據(jù)到達不同網(wǎng)絡節(jié)點的時間可能因網(wǎng)絡上節(jié)點數(shù)目的不同而變化，不同節(jié)點之間的同步就變得困難，通訊的實時性不能得到保障。
   
     不同于以往的通訊模式，生產(chǎn)者/消費者模式允許網(wǎng)絡上的不同節(jié)點同時存取同一個源的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)者/消費者模式下，數(shù)據(jù)被分配一個唯一的標識，根據(jù)具體的標識，網(wǎng)絡上多個不同的節(jié)點可以接收到來自同一發(fā)送者的數(shù)據(jù)，其結果是，數(shù)據(jù)的傳輸更為經(jīng)濟，每個數(shù)據(jù)源一次性把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡，其它節(jié)點選擇性的收取這些數(shù)據(jù)，不浪費帶寬，提高了系統(tǒng)生產(chǎn)率，通訊效率提高，數(shù)據(jù)只須產(chǎn)生一次，不管有多少個節(jié)點需要接收這個數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的時間傳送到不同的節(jié)點，可以實現(xiàn)通訊的精確同步。
DeviceNet是一種用于連接工業(yè)設備(如限位開關、光電傳感器、閥門、電動機啟動器、過程傳感器、條型碼讀入器、變頻器、屏幕顯示和操作界面等)與網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線，其特點是成本低、開發(fā)容易、支持的廠家多并且不需要昂貴的連接線路。
    
    DeviceNet是一個開放式的協(xié)議，它最初是由美國羅克韋爾自動化公司開發(fā)應用。目前，DeviceNet技術屬“開放DeviceNet廠商協(xié)會”歸ODVA組織(Open DeviceNet Vendor Associaiton)所有和推廣。ODVA在世界范圍擁有300多家著名自動化設備廠商的會員（如羅克韋爾自動化、ABB、歐姆龍）。中國的ODVA組織由上海電器科學研究所牽頭成立，目前正積極推廣該技術。設備廠商只要參加ODVA組織，就可以得到有關DeviceNet協(xié)議標準，還可以加入產(chǎn)品討論組來得到產(chǎn)品開發(fā)的幫助。DeviceNet產(chǎn)品的開發(fā)并不復雜。設備DeviceNet是基于CAN的技術。作為一種串行通訊技術，CAN是80年代中后期適應汽車控制網(wǎng)絡化要求而產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來的，并已成為開放的國際標準通訊協(xié)議（ISO 11898），在包括工業(yè)自動化在內(nèi)的眾多領域得到了廣泛的應用。
   
     DeviceNet在1994年問世，1995年成為開放協(xié)議，并由ODVA負責推廣，在北美及亞太地區(qū)都有日益廣泛的應用。DeviceNet網(wǎng)絡介質(zhì)可采用五線制電纜，它包括了二條信號線，二條24V電源線和一條屏蔽線。DeviceNet設備可以從網(wǎng)絡上直接獲得電源，并能在線地從網(wǎng)絡上連接和切下設備。

    DeviceNet的應用優(yōu)點有：
·   它是一種支持多方廠家產(chǎn)品互操作的開放式通訊標準；
·   能快速方便地安裝；
·   是一種考慮未來的設計，能根據(jù)擴展和變化需要來方便地增加功能；
·   由設備內(nèi)部的智能機制提高運行效率；
·   通過數(shù)據(jù)生成源/消費源通訊結構提供高效的帶寬；
·   可不斷電地在線對設備組態(tài)和增加設備。
    
    現(xiàn)場總線網(wǎng)、智能化設備儀表的發(fā)展，不可避免地影響著DCS的體系結構，現(xiàn)在可以看到的一個明顯的趨勢是DCS的進一步分散化。傳統(tǒng)的DCS，在I/O控制站這一層仍然是一個集中式的結構，有些系統(tǒng)出于成本或其它方面的考慮，將I/O控制站的規(guī)模做得很大。這種考慮包括：高性能CPU的價格己降得很低，為了充分發(fā)揮CPU的能力，可以將一個I/O控制站的點數(shù)、回路數(shù)擴充，以降低成本。但是這種設計提高了危險性的集中度，如果為了提高可靠性增加冗余措施，系統(tǒng)成本仍然會上升，因此并不是一個理想的解決方案。從當前的發(fā)展趨勢看，利用現(xiàn)場總線網(wǎng)和智能化設備、智能化儀表，加上通用的工控機完全可以組成一個小型的DCS，這就對傳統(tǒng)的DCS提出了挑戰(zhàn)，因為基于現(xiàn)場總線網(wǎng)的DCS具有很多優(yōu)越性，無論從系統(tǒng)的成本上、可靠性上，安裝使用、維護的方便性及可擴充性上都有很大的優(yōu)勢。那么，傳統(tǒng)的DCS將如何發(fā)展才能接受這個挑戰(zhàn)呢？
    
    答案是明確的，只有在I/O控制站這一層進一步分散化，采用現(xiàn)場總線網(wǎng)技術，形成以現(xiàn)場總線網(wǎng)基礎的、以智能I/O模塊構成的分布式控制站。也就是說，將過去DCS中集中式的I/O控制站變成分布式的控制站，在傳統(tǒng)DCS網(wǎng)絡的下一層再引入一層現(xiàn)場網(wǎng)絡，形成設備級網(wǎng)絡、控制級網(wǎng)絡和管理級網(wǎng)絡這樣三層網(wǎng)絡結構，以此來滿足不斷提高的應用需求。
    
    DCS在形成了三層網(wǎng)絡結構以后，基本控制單元深入到了設備控制這一級，向上，DCS的功能延伸到管理控制級，逐步形成了一個較完整的控制、管理一體化的體系結構。

    圖3給出了一個典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡結構，其低層是以DeviceNet現(xiàn)場總線將設備、PLC的遠程I/O點連接在一起的設備層、中間是以ControlNet（或DH+、DH485等）將PLC、工控機以及操作員界面連接在一起的控制層網(wǎng)絡，而上層的Ethernet以PC或工作站為主完成管理和信息服務任務。三層網(wǎng)絡各司其職，代表了工業(yè)控制的典型結構。