工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
【摘要】介紹了工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展前景，綜述了嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，OPCDX標(biāo)準(zhǔn)在多種工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用，以及無線局域網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合等工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程中的熱點(diǎn)問題。
[關(guān)鍵詞] 工業(yè)控制系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；OPCDX；無線局域網(wǎng)[中圖分類號(hào)]TP393 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1000-0682(2004)01-0010-04
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS(計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng))，到第二代的DCS(分散控制系統(tǒng))，發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))[1]。對(duì)諸如圖像、語音信號(hào)等大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸?shù)囊?，又催生了?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間，帶來新的發(fā)展機(jī)遇。
2 嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
2．1 嵌入式技術(shù)·
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能[2]。
自嵌入式技術(shù)出現(xiàn)以來，其發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)；第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)；第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)；第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)[3]。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)的軟件經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，一是主要以匯編語言編制成的軟件，二是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。而以VxWorks、Nucleus、bbbbbbs CE等為代表的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)現(xiàn)在已在嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了主流軟件的地位。
2．2 嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與優(yōu)勢(shì)
隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的日漸興起，將網(wǎng)絡(luò)功能與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合，使諸如變送器、執(zhí)行器等終端設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)功能，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠直接上網(wǎng)成為一種必然趨勢(shì)。目前實(shí)現(xiàn)嵌入式控制設(shè)備連網(wǎng)的方案有：
(1)將一個(gè)小的WEB服務(wù)器作為RTOS(嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng))的一部分，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有WEB功能。
(2)采用高速微處理器，如DSP等，在單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)WEB功能。
(3)片上系統(tǒng)集成SOC(System On Chip)是當(dāng)前電子技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)，也是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一種最新形式[4]。
由于技術(shù)的可行性和廣闊的發(fā)展前景，很多公司和機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始進(jìn)行這方面的研究工作，并推出了相關(guān)產(chǎn)品。美國(guó)GE公司將以太網(wǎng)接口做在保護(hù)裝置中，GE--HARRIS公司推出了帶雙以太網(wǎng)接口的D95測(cè)控單元裝置，ABB也推出了帶以太網(wǎng)接口的間隔控制器R580[5]。美國(guó)Connect One公司、Philips公司、emWare公司、TASKING公司和國(guó)內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品[6]。OPT022公司應(yīng)用嵌入式Intemet技術(shù)，研制開發(fā)了“以太網(wǎng)I／O系統(tǒng)”一SNAPEthernetI／O系統(tǒng)，通過Intemet對(duì)分布在現(xiàn)場(chǎng)的I／0進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。
將網(wǎng)絡(luò)功能嵌入終端設(shè)備中，使其可直接通過Internet／Intranet(企業(yè)內(nèi)部網(wǎng))進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)、參數(shù)修改等[7]。并且減少了諸如網(wǎng)關(guān)、代理服務(wù)器等中間環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了安裝、維護(hù)的難度和成本。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信速率和通信信道的利用率大大提高，可直接傳送圖像信息、多媒體信息，滿足了工業(yè)控制系統(tǒng)的高要求。實(shí)行“e”網(wǎng)到底是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必然的發(fā)展趨勢(shì)，而可實(shí)現(xiàn)最底層設(shè)備直接融入網(wǎng)絡(luò)的嵌入式技術(shù)必將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。
3 OPC DX 標(biāo)準(zhǔn)在多種工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
3．1 OPC技術(shù)
OPC(OLE Forprocess contro1)是建立在微軟的OLE(即現(xiàn)在的ActiveX)、COM與DCOM技術(shù)基礎(chǔ)上，由OPC基金會(huì)組織制定的用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用軟件開發(fā)的一組包括接口、方法和屬性的標(biāo)準(zhǔn)[8]。OPC為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的各種不同的現(xiàn)場(chǎng)器件之間的通信提供了一個(gè)公共接口，即為不同的應(yīng)用之間交換數(shù)據(jù)提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制?，F(xiàn)在已經(jīng)公布的OPC標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，它取代了原來基于PC的各種應(yīng)用程序(HMI、SCADA、先進(jìn)控制、智能控制等)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備及管理層MIS通信時(shí)所需的互不兼容的各種驅(qū)動(dòng)程序[9]。
對(duì)于客戶應(yīng)用程序而言，底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是透明的，它在調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，無需知道具體的數(shù)據(jù)格式[10]。OPC把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以服務(wù)器的形式提供給客戶，并規(guī)定了一系列的接口標(biāo)準(zhǔn)，而客戶負(fù)責(zé)創(chuàng)建服務(wù)器的對(duì)象及訪問服務(wù)器支持的接口。最終用戶按照OPC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的在客戶機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，可以通過OPC服務(wù)器與任何數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù)，不必知道數(shù)據(jù)源的特性。硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)商根據(jù)自己產(chǎn)品的特性，并遵循OPC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的OPC服務(wù)器，則可適用于任何應(yīng)用軟件。
OPC基金會(huì)已經(jīng)陸續(xù)公布的標(biāo)準(zhǔn)包括：OPC DA(數(shù)據(jù)訪問)，OPC HDA(歷史數(shù)據(jù)訪問)，OPC A & E(報(bào)警與事件)，OPC Batch(批處理)，OPC Security(安全)。除上述標(biāo)準(zhǔn)外，OPC標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，增加功能，正處于開發(fā)階段的標(biāo)準(zhǔn)包括：OPC ComPlexData(復(fù)雜數(shù)據(jù))，OPC CommonI／O(公共輸入／輸出)，還有正在擴(kuò)展的新功能，如OPCxML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言)，OPC DX(以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換)。
3．2 OPC DX實(shí)現(xiàn)了多種工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的互連
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提高了自動(dòng)化系統(tǒng)的性能和開放程度，允許不同的應(yīng)用層協(xié)議運(yùn)行在同一套網(wǎng)絡(luò)硬件上。但是不同機(jī)構(gòu)推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用了不同的應(yīng)用層協(xié)議，相互之間無法直接溝通。對(duì)于采用工業(yè)以太網(wǎng)的用戶來說，如果在系統(tǒng)中存在兩種或多種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，用戶必須對(duì)這幾種協(xié)議的內(nèi)容都很熟悉，然后在這一基礎(chǔ)上開發(fā)各個(gè)應(yīng)用程序之間的接口程序。而目前的OPC標(biāo)準(zhǔn)只能在同一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)互操作，必須針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)不同的OPC服務(wù)器。
2001年9月11日，OPC基金會(huì)在美國(guó)休斯敦宣布開發(fā)基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)OPC DX[11]。OPC DX定義了一組工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，能在采用不同應(yīng)用層協(xié)議的以太網(wǎng)上所連接的器件和控制器之間，實(shí)現(xiàn)可互操作的數(shù)據(jù)交換。也就是推廣現(xiàn)有OPC DX的功能，使其能夠在系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)“服務(wù)器——服務(wù)器”的數(shù)據(jù)交換，而與以太網(wǎng)TCP／IP所支持的應(yīng)用層實(shí)時(shí)通信協(xié)議無關(guān)[12]。OPCDX標(biāo)準(zhǔn)以軟網(wǎng)關(guān)的形式使得不同廠家生產(chǎn)的、支持不同應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品在同一個(gè)系統(tǒng)中兼容，實(shí)現(xiàn)互操作。從而從應(yīng)用角度上統(tǒng)一了各種互不兼容的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，給用戶提供了廣泛的選擇空間，也使得各個(gè)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)有標(biāo)準(zhǔn)可遵循，降低了生產(chǎn)和開發(fā)成本，增大了提高市場(chǎng)占有率的可能性。
由于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)顯而易見的發(fā)展前景和OPCDX標(biāo)準(zhǔn)將帶來的諸多益處，包括ODVA、CI、FF、PI、西門子、Rockwell等許多大公司和機(jī)構(gòu)紛紛表示支持這一標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和推廣應(yīng)用。2002年4月，在德國(guó)漢諾威展覽會(huì)上，OPC基金會(huì)聯(lián)同以上幾大機(jī)構(gòu)和Interbus Club等機(jī)構(gòu)展示了利用OPC DX技術(shù)在不同廠家生產(chǎn)的多種工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行互操作[13]，收到了良好的效果。強(qiáng)大的市場(chǎng)需求和雄厚的支持基礎(chǔ)使得這一標(biāo)準(zhǔn)的推出將對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。
4 無線局域網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合
在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，提高了系統(tǒng)的性能和開放性，但是這些控制網(wǎng)絡(luò)一般都是基于有線的網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)代控制網(wǎng)絡(luò)中，許多自動(dòng)化設(shè)備要求具有更高的靈活性和可移動(dòng)性，尤其在一些危險(xiǎn)場(chǎng)合或不適于使用有線網(wǎng)絡(luò)的情況下，就要考慮應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)。
4．1 無線局域網(wǎng)
IEEE802．11是IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在1997年通過的第一個(gè)無線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1999年9月，該委員會(huì)又頒布了IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)，包含了ISO／OSI模型的物理層和媒體訪問控制層(MAC)。該標(biāo)準(zhǔn)工作在2．4 GHz，傳輸速率可達(dá)11 Mbps。IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)將節(jié)點(diǎn)設(shè)備分為基站和客戶站，各客戶站相互間可直接通信，也可在基站的統(tǒng)一管理下進(jìn)行通信。一個(gè)基站與一組客戶站的連接稱為基本服務(wù)集BSS(Basic Service Set)，兩個(gè)或多個(gè)BSS構(gòu)成擴(kuò)展服務(wù)集。IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了物理層的三種實(shí)現(xiàn)方法，即跳頻擴(kuò)頻FHSS、直接序列擴(kuò)頻DSSS和紅外技術(shù)IR。在MAC層采用CSMA／CA(載波偵聽多路訪問／碰撞避免)技術(shù)進(jìn)行通信介質(zhì)訪問。為了盡量減少?zèng)_突。802．11b設(shè)計(jì)了獨(dú)特的MAC子層，如圖4—1所示。在下面的一層叫做分布協(xié)調(diào)功能DCF(Distributed Coordination Function)子層，該子層使各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用競(jìng)爭(zhēng)的方式使用信道，向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。這種信道接人方式可能會(huì)導(dǎo)致沖突的發(fā)生，但是對(duì)信道的利用率較高。上面的一層叫做點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(Point Coordination Function)子層，該子層使用集中控制的接人算法，基站以輪詢的方式將通信權(quán)輪流交給各個(gè)客戶站，從而避免了沖突的發(fā)生。但是基站需要周期性的輪詢所有客戶站，需要占用大量的時(shí)間，因此適用于中、小型網(wǎng)絡(luò)。
無線局域網(wǎng)的技術(shù)還在不斷發(fā)展。美國(guó)Radiata和Atheros公司分別宣布將推出IEEE802．11a芯片組。802．11a的數(shù)據(jù)傳輸速率為54 Mbps。Atheros公司宣稱，他們的芯片組在“Turbomode”(強(qiáng)化模式)下，速率可以達(dá)到72 Mbps。對(duì)802．11a來說，不僅僅是傳輸速率的提
高，它將工作在5GHz的頻率上，從而避開了擁擠的2．4 GHz頻段。2001年11月15日，IEEE試驗(yàn)性地批準(zhǔn)了一種新技術(shù)802．11s，該技術(shù)可以提升家庭、公司和公共場(chǎng)所的無線互聯(lián)網(wǎng)接入速度，該技術(shù)使無線網(wǎng)絡(luò)每秒傳輸速度也可達(dá)54Mbps，比現(xiàn)在通用的802．11b要快5倍，并且和802．11b兼容。
4．2 無線局域網(wǎng)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化為無線技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和可能。近幾年很多研究人員也展開了這方面的研究工作。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的曾鵬等人以PF(現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì))頒布的1VHSE(高速以太網(wǎng))為藍(lán)本，結(jié)合無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802．11b，構(gòu)造了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無線通信協(xié)議棧。該協(xié)議棧保持了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信模型，能夠完成無線設(shè)備間的時(shí)間同步和實(shí)時(shí)通信[14]。韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)的Kyung Chang Lee等人設(shè)計(jì)了協(xié)議轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)了Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)和IEEE802．11無線局域網(wǎng)的互連[15]。Marlo Alves等人對(duì)基于廣播方式的現(xiàn)場(chǎng)總線／無線網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳送延遲時(shí)間進(jìn)行了估算[16]。C．Koulamas等人研究了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與基于IEEE802．11b的DSSS物理層相結(jié)合的性能[17]。除了在理論上的研究工作外，在一些工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，無線通信技術(shù)已獲得了應(yīng)用。如美國(guó)羅克威爾公司在基于Devicenet、Controlnet、Ethemet／IP的三層控制網(wǎng)絡(luò)體系中，加入了無線以太網(wǎng)部分，可以實(shí)現(xiàn)無線通信。德國(guó)西門子公司在基于Profibus-DP、Profinet的控制網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合無線以太網(wǎng)技術(shù)，使控制網(wǎng)絡(luò)具有了無線通信功能。由于無線網(wǎng)絡(luò)無可比擬的優(yōu)越性，它可以免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構(gòu)建費(fèi)用和維護(hù)成本，還可以滿足一些特殊場(chǎng)合的需要，與此同時(shí)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性。加之無線通信技術(shù)自身的不斷改進(jìn)，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中必將具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
5 結(jié)束語
以信息化帶動(dòng)工業(yè)化是保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的有力保證，也是改造傳統(tǒng)工業(yè)體系結(jié)構(gòu)的重要手段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，其與工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平，改變現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)相對(duì)封閉的企業(yè)信息管理結(jié)構(gòu)，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)綜合自動(dòng)化管理的需要。將現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、多種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)融合到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等要求的同時(shí)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，這一工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及其構(gòu)成模式使得企業(yè)能夠適應(yīng)空前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，有助于加快新產(chǎn)品的開發(fā)、降低生產(chǎn)成本、完善信息服務(wù)，具有廣闊的發(fā)展前景。
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[關(guān)鍵詞] 工業(yè)控制系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；OPCDX；無線局域網(wǎng)[中圖分類號(hào)]TP393 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1000-0682(2004)01-0010-04
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS(計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng))，到第二代的DCS(分散控制系統(tǒng))，發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))[1]。對(duì)諸如圖像、語音信號(hào)等大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸?shù)囊?，又催生了?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間，帶來新的發(fā)展機(jī)遇。
2 嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
2．1 嵌入式技術(shù)·
嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能[2]。
自嵌入式技術(shù)出現(xiàn)以來，其發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)；第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)；第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)；第四階段是以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)[3]。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)的軟件經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，一是主要以匯編語言編制成的軟件，二是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。而以VxWorks、Nucleus、bbbbbbs CE等為代表的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)現(xiàn)在已在嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了主流軟件的地位。
2．2 嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與優(yōu)勢(shì)
隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的日漸興起，將網(wǎng)絡(luò)功能與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合，使諸如變送器、執(zhí)行器等終端設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)功能，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠直接上網(wǎng)成為一種必然趨勢(shì)。目前實(shí)現(xiàn)嵌入式控制設(shè)備連網(wǎng)的方案有：
(1)將一個(gè)小的WEB服務(wù)器作為RTOS(嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng))的一部分，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有WEB功能。
(2)采用高速微處理器，如DSP等，在單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)WEB功能。
(3)片上系統(tǒng)集成SOC(System On Chip)是當(dāng)前電子技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)，也是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一種最新形式[4]。
由于技術(shù)的可行性和廣闊的發(fā)展前景，很多公司和機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始進(jìn)行這方面的研究工作，并推出了相關(guān)產(chǎn)品。美國(guó)GE公司將以太網(wǎng)接口做在保護(hù)裝置中，GE--HARRIS公司推出了帶雙以太網(wǎng)接口的D95測(cè)控單元裝置，ABB也推出了帶以太網(wǎng)接口的間隔控制器R580[5]。美國(guó)Connect One公司、Philips公司、emWare公司、TASKING公司和國(guó)內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品[6]。OPT022公司應(yīng)用嵌入式Intemet技術(shù)，研制開發(fā)了“以太網(wǎng)I／O系統(tǒng)”一SNAPEthernetI／O系統(tǒng)，通過Intemet對(duì)分布在現(xiàn)場(chǎng)的I／0進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。
將網(wǎng)絡(luò)功能嵌入終端設(shè)備中，使其可直接通過Internet／Intranet(企業(yè)內(nèi)部網(wǎng))進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)、參數(shù)修改等[7]。并且減少了諸如網(wǎng)關(guān)、代理服務(wù)器等中間環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了安裝、維護(hù)的難度和成本。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信速率和通信信道的利用率大大提高，可直接傳送圖像信息、多媒體信息，滿足了工業(yè)控制系統(tǒng)的高要求。實(shí)行“e”網(wǎng)到底是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必然的發(fā)展趨勢(shì)，而可實(shí)現(xiàn)最底層設(shè)備直接融入網(wǎng)絡(luò)的嵌入式技術(shù)必將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。
3 OPC DX 標(biāo)準(zhǔn)在多種工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
3．1 OPC技術(shù)
OPC(OLE Forprocess contro1)是建立在微軟的OLE(即現(xiàn)在的ActiveX)、COM與DCOM技術(shù)基礎(chǔ)上，由OPC基金會(huì)組織制定的用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用軟件開發(fā)的一組包括接口、方法和屬性的標(biāo)準(zhǔn)[8]。OPC為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的各種不同的現(xiàn)場(chǎng)器件之間的通信提供了一個(gè)公共接口，即為不同的應(yīng)用之間交換數(shù)據(jù)提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制?，F(xiàn)在已經(jīng)公布的OPC標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序，它取代了原來基于PC的各種應(yīng)用程序(HMI、SCADA、先進(jìn)控制、智能控制等)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備及管理層MIS通信時(shí)所需的互不兼容的各種驅(qū)動(dòng)程序[9]。
對(duì)于客戶應(yīng)用程序而言，底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是透明的，它在調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，無需知道具體的數(shù)據(jù)格式[10]。OPC把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以服務(wù)器的形式提供給客戶，并規(guī)定了一系列的接口標(biāo)準(zhǔn)，而客戶負(fù)責(zé)創(chuàng)建服務(wù)器的對(duì)象及訪問服務(wù)器支持的接口。最終用戶按照OPC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的在客戶機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，可以通過OPC服務(wù)器與任何數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù)，不必知道數(shù)據(jù)源的特性。硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)商根據(jù)自己產(chǎn)品的特性，并遵循OPC標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的OPC服務(wù)器，則可適用于任何應(yīng)用軟件。
OPC基金會(huì)已經(jīng)陸續(xù)公布的標(biāo)準(zhǔn)包括：OPC DA(數(shù)據(jù)訪問)，OPC HDA(歷史數(shù)據(jù)訪問)，OPC A & E(報(bào)警與事件)，OPC Batch(批處理)，OPC Security(安全)。除上述標(biāo)準(zhǔn)外，OPC標(biāo)準(zhǔn)還在不斷發(fā)展，增加功能，正處于開發(fā)階段的標(biāo)準(zhǔn)包括：OPC ComPlexData(復(fù)雜數(shù)據(jù))，OPC CommonI／O(公共輸入／輸出)，還有正在擴(kuò)展的新功能，如OPCxML(可擴(kuò)展標(biāo)記語言)，OPC DX(以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換)。
3．2 OPC DX實(shí)現(xiàn)了多種工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)的互連
工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提高了自動(dòng)化系統(tǒng)的性能和開放程度，允許不同的應(yīng)用層協(xié)議運(yùn)行在同一套網(wǎng)絡(luò)硬件上。但是不同機(jī)構(gòu)推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用了不同的應(yīng)用層協(xié)議，相互之間無法直接溝通。對(duì)于采用工業(yè)以太網(wǎng)的用戶來說，如果在系統(tǒng)中存在兩種或多種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，用戶必須對(duì)這幾種協(xié)議的內(nèi)容都很熟悉，然后在這一基礎(chǔ)上開發(fā)各個(gè)應(yīng)用程序之間的接口程序。而目前的OPC標(biāo)準(zhǔn)只能在同一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)互操作，必須針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)不同的OPC服務(wù)器。
2001年9月11日，OPC基金會(huì)在美國(guó)休斯敦宣布開發(fā)基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)OPC DX[11]。OPC DX定義了一組工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，能在采用不同應(yīng)用層協(xié)議的以太網(wǎng)上所連接的器件和控制器之間，實(shí)現(xiàn)可互操作的數(shù)據(jù)交換。也就是推廣現(xiàn)有OPC DX的功能，使其能夠在系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)“服務(wù)器——服務(wù)器”的數(shù)據(jù)交換，而與以太網(wǎng)TCP／IP所支持的應(yīng)用層實(shí)時(shí)通信協(xié)議無關(guān)[12]。OPCDX標(biāo)準(zhǔn)以軟網(wǎng)關(guān)的形式使得不同廠家生產(chǎn)的、支持不同應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品在同一個(gè)系統(tǒng)中兼容，實(shí)現(xiàn)互操作。從而從應(yīng)用角度上統(tǒng)一了各種互不兼容的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，給用戶提供了廣泛的選擇空間，也使得各個(gè)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)有標(biāo)準(zhǔn)可遵循，降低了生產(chǎn)和開發(fā)成本，增大了提高市場(chǎng)占有率的可能性。
由于工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)顯而易見的發(fā)展前景和OPCDX標(biāo)準(zhǔn)將帶來的諸多益處，包括ODVA、CI、FF、PI、西門子、Rockwell等許多大公司和機(jī)構(gòu)紛紛表示支持這一標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和推廣應(yīng)用。2002年4月，在德國(guó)漢諾威展覽會(huì)上，OPC基金會(huì)聯(lián)同以上幾大機(jī)構(gòu)和Interbus Club等機(jī)構(gòu)展示了利用OPC DX技術(shù)在不同廠家生產(chǎn)的多種工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行互操作[13]，收到了良好的效果。強(qiáng)大的市場(chǎng)需求和雄厚的支持基礎(chǔ)使得這一標(biāo)準(zhǔn)的推出將對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。
4 無線局域網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合
在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，提高了系統(tǒng)的性能和開放性，但是這些控制網(wǎng)絡(luò)一般都是基于有線的網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)代控制網(wǎng)絡(luò)中，許多自動(dòng)化設(shè)備要求具有更高的靈活性和可移動(dòng)性，尤其在一些危險(xiǎn)場(chǎng)合或不適于使用有線網(wǎng)絡(luò)的情況下，就要考慮應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)。
4．1 無線局域網(wǎng)
IEEE802．11是IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在1997年通過的第一個(gè)無線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1999年9月，該委員會(huì)又頒布了IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)，包含了ISO／OSI模型的物理層和媒體訪問控制層(MAC)。該標(biāo)準(zhǔn)工作在2．4 GHz，傳輸速率可達(dá)11 Mbps。IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)將節(jié)點(diǎn)設(shè)備分為基站和客戶站，各客戶站相互間可直接通信，也可在基站的統(tǒng)一管理下進(jìn)行通信。一個(gè)基站與一組客戶站的連接稱為基本服務(wù)集BSS(Basic Service Set)，兩個(gè)或多個(gè)BSS構(gòu)成擴(kuò)展服務(wù)集。IEEE802．11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了物理層的三種實(shí)現(xiàn)方法，即跳頻擴(kuò)頻FHSS、直接序列擴(kuò)頻DSSS和紅外技術(shù)IR。在MAC層采用CSMA／CA(載波偵聽多路訪問／碰撞避免)技術(shù)進(jìn)行通信介質(zhì)訪問。為了盡量減少?zèng)_突。802．11b設(shè)計(jì)了獨(dú)特的MAC子層，如圖4—1所示。在下面的一層叫做分布協(xié)調(diào)功能DCF(Distributed Coordination Function)子層，該子層使各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用競(jìng)爭(zhēng)的方式使用信道，向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。這種信道接人方式可能會(huì)導(dǎo)致沖突的發(fā)生，但是對(duì)信道的利用率較高。上面的一層叫做點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(Point Coordination Function)子層，該子層使用集中控制的接人算法，基站以輪詢的方式將通信權(quán)輪流交給各個(gè)客戶站，從而避免了沖突的發(fā)生。但是基站需要周期性的輪詢所有客戶站，需要占用大量的時(shí)間，因此適用于中、小型網(wǎng)絡(luò)。
無線局域網(wǎng)的技術(shù)還在不斷發(fā)展。美國(guó)Radiata和Atheros公司分別宣布將推出IEEE802．11a芯片組。802．11a的數(shù)據(jù)傳輸速率為54 Mbps。Atheros公司宣稱，他們的芯片組在“Turbomode”(強(qiáng)化模式)下，速率可以達(dá)到72 Mbps。對(duì)802．11a來說，不僅僅是傳輸速率的提
高，它將工作在5GHz的頻率上，從而避開了擁擠的2．4 GHz頻段。2001年11月15日，IEEE試驗(yàn)性地批準(zhǔn)了一種新技術(shù)802．11s，該技術(shù)可以提升家庭、公司和公共場(chǎng)所的無線互聯(lián)網(wǎng)接入速度，該技術(shù)使無線網(wǎng)絡(luò)每秒傳輸速度也可達(dá)54Mbps，比現(xiàn)在通用的802．11b要快5倍，并且和802．11b兼容。
4．2 無線局域網(wǎng)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化為無線技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和可能。近幾年很多研究人員也展開了這方面的研究工作。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的曾鵬等人以PF(現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì))頒布的1VHSE(高速以太網(wǎng))為藍(lán)本，結(jié)合無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802．11b，構(gòu)造了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無線通信協(xié)議棧。該協(xié)議棧保持了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信模型，能夠完成無線設(shè)備間的時(shí)間同步和實(shí)時(shí)通信[14]。韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)的Kyung Chang Lee等人設(shè)計(jì)了協(xié)議轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)了Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)和IEEE802．11無線局域網(wǎng)的互連[15]。Marlo Alves等人對(duì)基于廣播方式的現(xiàn)場(chǎng)總線／無線網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳送延遲時(shí)間進(jìn)行了估算[16]。C．Koulamas等人研究了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與基于IEEE802．11b的DSSS物理層相結(jié)合的性能[17]。除了在理論上的研究工作外，在一些工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，無線通信技術(shù)已獲得了應(yīng)用。如美國(guó)羅克威爾公司在基于Devicenet、Controlnet、Ethemet／IP的三層控制網(wǎng)絡(luò)體系中，加入了無線以太網(wǎng)部分，可以實(shí)現(xiàn)無線通信。德國(guó)西門子公司在基于Profibus-DP、Profinet的控制網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合無線以太網(wǎng)技術(shù)，使控制網(wǎng)絡(luò)具有了無線通信功能。由于無線網(wǎng)絡(luò)無可比擬的優(yōu)越性，它可以免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構(gòu)建費(fèi)用和維護(hù)成本，還可以滿足一些特殊場(chǎng)合的需要，與此同時(shí)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性。加之無線通信技術(shù)自身的不斷改進(jìn)，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中必將具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
5 結(jié)束語
以信息化帶動(dòng)工業(yè)化是保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的有力保證，也是改造傳統(tǒng)工業(yè)體系結(jié)構(gòu)的重要手段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，其與工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平，改變現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)相對(duì)封閉的企業(yè)信息管理結(jié)構(gòu)，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)綜合自動(dòng)化管理的需要。將現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、多種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)融合到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等要求的同時(shí)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，這一工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及其構(gòu)成模式使得企業(yè)能夠適應(yīng)空前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，有助于加快新產(chǎn)品的開發(fā)、降低生產(chǎn)成本、完善信息服務(wù)，具有廣闊的發(fā)展前景。
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