現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準化的思考與CIP協(xié)議架構的啟發(fā)

一、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的興起和市場(chǎng)動(dòng)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開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，同時(shí)也將用于控制器之間和控制器與上位機之間的數據通訊的計算機通訊網(wǎng)絡(luò )技術(shù)引入了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。但此時(shí)由于各自動(dòng)化廠(chǎng)商的控制系統自成一體，網(wǎng)絡(luò )通訊只是其系統的內部功能之一，無(wú)需與外界進(jìn)行數據交換。八十年代以后，隨著(zhù)微處理器芯片應用的不斷滲透，“智能化”的傳感器、開(kāi)關(guān)、執行機構等工業(yè)現場(chǎng)控制器件不斷涌現，但各廠(chǎng)商根據所生產(chǎn)的元器件的特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的數據通訊協(xié)議也是五花八門(mén)、種類(lèi)繁多，單個(gè)的元器件似乎充滿(mǎn)了“智能”，但與控制系統集成時(shí)仍然只能沿用傳統的電纜接線(xiàn)一對一接入I/O接口板，并不能真正體現其“智能化”的優(yōu)點(diǎn)。因此要將這些眾多不同廠(chǎng)商的“智能化”現場(chǎng)控制元器件集成為一個(gè)完全數字化的集散控制系統，公共開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議標準就顯得非常必要。在這一市場(chǎng)動(dòng)力的推動(dòng)下，各控制系統（包括PLC和DCS）的生產(chǎn)廠(chǎng)商基于其原先內部專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)紛紛提出了各種各樣開(kāi)放程度不同的現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議標準，并隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步不斷補充和完善。

二、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準化的現狀

從上世紀八十年代開(kāi)始，美國儀表協(xié)會(huì )（ISA）和國際電工委員會(huì )（IEC）即已設立專(zhuān)門(mén)的機構來(lái)研究和提出現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準。然而由于種種原因，經(jīng)過(guò)長(cháng)達十多年的努力，終于在2000年頒布的國際標準IEC61158卻是一份讓所有自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)人員感到困惑和尷尬的標準，因為它包含八種互不兼容的總線(xiàn)協(xié)議。隨著(zhù)IT技術(shù)不斷向工業(yè)領(lǐng)域滲透，以太網(wǎng)（Ethernet）作為新的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)讓很多人充滿(mǎn)了期望，但2003年第三版的lEC61158標準的頒布，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(xiàn)協(xié)議的標準增加到十一種，同時(shí)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準的協(xié)議集內。

三、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)標準化進(jìn)程的分析思考

分析用戶(hù)的需求，我們大致可以將用戶(hù)對現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)要求和期望分為以下三個(gè)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的I/O電纜。其要求是能傳送傳統的I/O數據，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(shí)時(shí)監控數據的基礎，用戶(hù)進(jìn)一步的要求是希望通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行集中的工程設計組態(tài)、程序動(dòng)態(tài)修改下載以及元器件的遠程診斷和校準等。

3） 在互連互通的基礎上，用戶(hù)希望能夠在各種情況下“重構”系統，如在元器件損壞更換、系統改擴建以及系統升級或部分升級等情況下，要求能夠無(wú)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(hù)的需求上可以看出，用戶(hù)是希望通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò )數據通訊的手段實(shí)現各種智能元器件與控制器（站）之間的“互連”、“互通”、“互換”，但并沒(méi)有要求說(shuō)所有這些功的必須在一個(gè)“單一”的統一網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。正如在Internet網(wǎng)絡(luò )上用戶(hù)希望實(shí)現電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡(luò )瀏覽、網(wǎng)上游戲等服務(wù)，但這并沒(méi)有要求Internet網(wǎng)絡(luò )必須是一個(gè)“單一”的“同構”網(wǎng)絡(luò )。

從通訊協(xié)議的構筑模型上看，目前幾乎所有的通訊協(xié)議一般來(lái)說(shuō)都是參照OSI的七層模型，但絕大多數協(xié)議都是從物理層開(kāi)始“自底向上”自成一體地構筑一個(gè)“垂直一體化”的協(xié)議棧，使得八種標準協(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(shí)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(shí)體分為相互獨立的層次，以使各層次既能夠相互結合成為一個(gè)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(shí)現。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的標準化進(jìn)程出現目前困境的原因很大程度上可能是當初一開(kāi)始就將“單一的垂直一體化的同構網(wǎng)絡(luò )”這一過(guò)于“理想”的期望設定為技術(shù)標準的目標，結果不但不能達到目的，反而適得其反，出現了“群雄紛爭，互不兼容”的局面。

四、CIP協(xié)議架構的啟發(fā)

CIP協(xié)議規范是疊加在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(wú)關(guān)”的公共的“網(wǎng)絡(luò )傳輸層、應用層、用戶(hù)層”協(xié)議規范，也就是說(shuō)它可以實(shí)現“異構網(wǎng)絡(luò )”下的系統的“互連”、“互通”，直至“互換”功能。按照OSI七層通訊模型，CIP協(xié)議架構下的協(xié)議棧結構如下圖所示。

由以上示意圖可以看到，與其它現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)通訊協(xié)議一個(gè)很大的不同就是有一個(gè)具有“網(wǎng)絡(luò )傳輸層”功能的“CIP Messaging”協(xié)議規范。其中最核心的部分就是將應用對象之間通訊關(guān)系抽象為“連接（Connection）”，并與之相應制定了應用對象的邏輯地址規范，從而使CIP協(xié)議可以不依賴(lài)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(lái)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(shí)現時(shí)唯一需要的接口就是與該網(wǎng)絡(luò )平臺相對應的“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“異構網(wǎng)絡(luò )”條件下實(shí)現系統的“互連”、“互通”，直至“互換”功能奠定了基礎。

更進(jìn)一步，與其它眾多“自底向上”構筑“垂直一體化”通訊協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)不同，它不是根據物理層和數據鏈路層所能提供的通訊服務(wù)原語(yǔ)來(lái)定義“連接（Connection）”關(guān)系，而是“自頂向上”，根據來(lái)自“用戶(hù)層和應用層”的用戶(hù)和具體應用領(lǐng)域的實(shí)際數據通訊需求， 將“連接（Connection）”關(guān)系又細分定義為以下三種類(lèi)型：

I/O Connection：主要是針對傳送用于監視、控制等有一定的實(shí)時(shí)性要求的數據時(shí)的通訊關(guān)系，其中絕大部分應該是傳送傳統上用于實(shí)時(shí)監控的I/O數據，故以此命名。這種“連接（Connection）”關(guān)系的特點(diǎn)是必須預先通過(guò)配置工具逐一對與該“連接（Connection）”相關(guān)聯(lián)的應用對象及整個(gè)數據鏈路上的各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行配置和分配固定的資源后才能建立起來(lái)，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)系的應用對象之間已經(jīng)對數據內容達成共識，因此所有傳送數據均為“元數據”，無(wú)需對數據類(lèi)型或數據本身作任何標識說(shuō)明或功能描述，傳輸效率最高，而且整個(gè)數據鏈路已預分配資源，傳輸可靠性也最高，所以可以滿(mǎn)足“實(shí)時(shí)”控制數據的傳送要求。

Explicit Message? Connection：主要是針對傳送用于工程設計組態(tài)、集中管理維護、故障診斷調試等過(guò)程中所需傳送的非實(shí)時(shí)信息。它通常是通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)的報文傳送在兩個(gè)應用對象之間以相互交互的方式傳送，由于報文中的數據內容會(huì )隨著(zhù)雙方的狀態(tài)變化和交互過(guò)程而變化，因此報文本身必須同時(shí)攜帶對傳送數據的類(lèi)型標識和功能描述，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(diǎn)是通訊雙方的任何一方應用對象均可應自身的信息傳送需求動(dòng)態(tài)發(fā)起和建立這種“連接（Connection）”關(guān)系，而且是“點(diǎn)對點(diǎn)”的“雙工”通訊模式，非常便于應用對象之間的“交互式對話(huà)”。通訊過(guò)程結束后即拆除“連接（Connection）”并回收資源，這一模式對“陣發(fā)式”信息類(lèi)數據傳送是非常合適的。

Bridged Connection：由于在任何一個(gè)較大規模的系統中都不可能或不會(huì )將所有的控制元器件集中在一個(gè)物理網(wǎng)段中，即一般都可能配置成多個(gè)網(wǎng)段互連，可能是“同構網(wǎng)段”，也可能是“異構網(wǎng)段”。而當若有數據需從某一個(gè)網(wǎng)段傳送到另一網(wǎng)段時(shí)，不論是I/O數據還是Explicit Message，則其所要經(jīng)過(guò)的跨網(wǎng)段的中間節點(diǎn)（Bridge）必須承擔路由所需的“連接（Connection）”關(guān)系，實(shí)際上即是該節點(diǎn)必須在其內部分別創(chuàng )建與每個(gè)網(wǎng)段“Link Object”相應的“背靠背”的“連接（Connection）”對象。

縱觀(guān)整個(gè)CIP協(xié)議規范，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(lèi)模型：“I/O Connection”、“Explicit Message Connection”、“Bridged Connection”。這使得CIP協(xié)議真正成為一個(gè)“與網(wǎng)絡(luò )硬件無(wú)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(shí)也使得它成為在“異構網(wǎng)絡(luò )”環(huán)境下實(shí)現系統的“互連”、“互通”，直至“互換”功能的核心技術(shù)規范。

五、結論

通過(guò)對目前各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)通訊協(xié)議的研究分析認為，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的標準不應該設定為一個(gè)從物理層/數據鏈路層直至應用層和用戶(hù)層的“垂直一體化”的單一標準，而應該是按照技術(shù)元素發(fā)展變化的特點(diǎn)，分層次構筑各層次的既相互配合又相互獨立的技術(shù)標準，這樣既允許多種技術(shù)協(xié)議并存競爭，又能促進(jìn)實(shí)現標準化進(jìn)程的“互連”、“互通”，直至“互換”的目標。其核心部分或許可以放在與TCP/IP協(xié)議功能相當的“網(wǎng)絡(luò )傳輸層”，CIP協(xié)議規范中“連接（Connection）”這一模型是一個(gè)很好的范例。

參考文獻

[1] CIP Common Specification, Volume 1, Release 1.0, June 5, 2001, ControlNet International and Open DeviceNet Vendor Association
[2] EtherNet/IP Adaptation of CIP Specification, Volume 2, Release 1.0, June 5, 2001, ControlNet International and Open DeviceNet Vendor Association