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(chǔ)。隨著軟件技術(shù)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(jié)構(gòu)而不是個別軟件功能的角度介紹PLC和工控機的應(yīng)用軟件應(yīng)該具備的特性。
    
    微軟為制造業(yè)的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shè)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(luò)應(yīng)用的概念，簡稱Windows DNA。它是在企業(yè)內(nèi)將各種商業(yè)應(yīng)用軟件進行無縫連接的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)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(yīng)用集成到一個數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)中去。

    各個控制設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用結(jié)構(gòu)，或稱RNA，就是與微軟提出的為企業(yè)定義的DNA結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，微軟公司于1998年引入了DNA結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。

    DNA包含了傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)并允許組成可變結(jié)構(gòu)的Client/Sever系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高技術(shù)等級以及進行應(yīng)用革新。Windows DNA的關(guān)鍵元素包括工具、集成存儲、商務(wù)過程、用戶界面和導(dǎo)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(luò)；
·   公共數(shù)據(jù)訪問；
·   BackOffice工具和服務(wù)；
·   公共的應(yīng)用底層結(jié)構(gòu)；
·   與微軟的Office應(yīng)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(shè)備接口。沒有制造業(yè)的DNA，那么在這些應(yīng)用功能之間的鴻溝只能由用戶界面和驅(qū)動設(shè)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(shù)才成熟，它們包括商業(yè)方面的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)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(yīng)用
    微軟認為VB是在DNA框架內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)部集成的關(guān)鍵技術(shù)。VBA為DNA結(jié)構(gòu)提供了三大益處，首先，它為最終用戶提供不需要學(xué)習(xí)特定語言而能編制自己的實際應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)方法；其次，VBA提供了多個應(yīng)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(shù)的應(yīng)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(yīng)用軟件引入了ActiveX技術(shù)，并且是第一個授權(quán)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(yīng)用開發(fā)的共享小量相對不變的數(shù)據(jù)的技術(shù)。與DDE不同，過程控制OLE技術(shù)面向制造環(huán)境的控制性能、結(jié)構(gòu)和可靠性而設(shè)計。微軟的制造業(yè)DNA確定了設(shè)備、控制應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用間應(yīng)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(zé)建立基于COM技術(shù)的應(yīng)用規(guī)范，它允許所有的應(yīng)用程序采用同樣的基于COM技術(shù)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(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)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(dāng)企業(yè)能夠得到足夠的信息以制定更好的決策、將其供應(yīng)渠道和運作結(jié)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(luò)技術(shù)已有很大發(fā)展，在軟件領(lǐng)域仍還有很多的工作要做。


    4   PLC和工控機的網(wǎng)絡(luò)特性
    
    現(xiàn)場總線技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，用于連接智能現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備的雙向數(shù)字通訊技術(shù)，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(shè)備中。
現(xiàn)場總線還可以處理復(fù)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(yán)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(shè)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(shè)備，也允許工程師用別的廠家的設(shè)備來替換一臺現(xiàn)場總線設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(biāo)定和預(yù)測維護性。

    (4)  改進性能   隨著控制功能從DCS轉(zhuǎn)移到單獨的控制回路，由于就地控制更快，更準(zhǔn)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(shè)備的優(yōu)點，因為在一對導(dǎo)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(shè)備信息，工廠操作員和管理人員能夠?qū)ζ溥^程進行更嚴(yán)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(luò)體系結(jié)構(gòu)和通訊技術(shù)。

    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(luò)，在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時間關(guān)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(fù)的高速控制和數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較大提高。
    
    ControlNet是基于生產(chǎn)者/消費者（Producer/ Consumer）模式的網(wǎng)絡(luò)，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(luò)上的交通量，提高了網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)性能。
ControlNet 是高度確定性、可重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)。所謂確定性就是預(yù)見數(shù)據(jù)何時能夠可靠傳輸?shù)侥繕?biāo)的能力，而可重復(fù)性則是指數(shù)據(jù)的傳輸時間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點添加/刪除情況或網(wǎng)絡(luò)繁忙狀況影響而保持恒定的能力。在實際應(yīng)用中，通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時選擇性設(shè)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(guān)系有復(fù)雜關(guān)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(yīng)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(fù)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(yīng)用于過程控制等要求較高的應(yīng)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(zé)管理，該組織旨在維護和發(fā)行ControlNet技術(shù)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(wù)，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(luò)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(fù)的、可估計的設(shè)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(luò)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(luò)模式下，當(dāng)同一數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)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(luò)的負擔(dān)，降低了通訊的效率。另外，由于數(shù)據(jù)到達不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間可能因網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(biāo)識，根據(jù)具體的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(luò)，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(shè)備(如限位開關(guān)、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(luò)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(yīng)用。目前，DeviceNet技術(shù)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(shè)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(xué)研究所牽頭成立，目前正積極推廣該技術(shù)。設(shè)備廠商只要參加ODVA組織，就可以得到有關(guān)DeviceNet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)雜。設(shè)備DeviceNet是基于CAN的技術(shù)。作為一種串行通訊技術(shù)，CAN是80年代中后期適應(yīng)汽車控制網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議（ISO 11898），在包括工業(yè)自動化在內(nèi)的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
   
     DeviceNet在1994年問世，1995年成為開放協(xié)議，并由ODVA負責(zé)推廣，在北美及亞太地區(qū)都有日益廣泛的應(yīng)用。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)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(shè)備可以從網(wǎng)絡(luò)上直接獲得電源，并能在線地從網(wǎng)絡(luò)上連接和切下設(shè)備。

    DeviceNet的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)；
·   能快速方便地安裝；
·   是一種考慮未來的設(shè)計，能根據(jù)擴展和變化需要來方便地增加功能；
·   由設(shè)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(jié)構(gòu)提供高效的帶寬；
·   可不斷電地在線對設(shè)備組態(tài)和增加設(shè)備。
    
    現(xiàn)場總線網(wǎng)、智能化設(shè)備儀表的發(fā)展，不可避免地影響著DCS的體系結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(shè)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(dāng)前的發(fā)展趨勢看，利用現(xiàn)場總線網(wǎng)和智能化設(shè)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(shù)，形成以現(xiàn)場總線網(wǎng)基礎(chǔ)的、以智能I/O模塊構(gòu)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(luò)的下一層再引入一層現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，形成設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)、控制級網(wǎng)絡(luò)和管理級網(wǎng)絡(luò)這樣三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此來滿足不斷提高的應(yīng)用需求。
    
    DCS在形成了三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以后，基本控制單元深入到了設(shè)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(jié)構(gòu)。

    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(luò)結(jié)構(gòu)，其低層是以DeviceNet現(xiàn)場總線將設(shè)備、PLC的遠程I/O點連接在一起的設(shè)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(luò)，而上層的Ethernet以PC或工作站為主完成管理和信息服務(wù)任務(wù)。三層網(wǎng)絡(luò)各司其職，代表了工業(yè)控制的典型結(jié)構(gòu)。