一、現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò) ——信息技術(shù)發(fā)展在運(yùn)動控制領(lǐng)域的延伸 現(xiàn)場總線作為現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，被視為公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)動控制領(lǐng)域的延伸，它的興起為自控技術(shù)本身的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。 現(xiàn)場總線可采用多種介質(zhì)（多種有線和無線方式）傳送數(shù)字信號。在兩根導(dǎo)線上可掛接多至幾十個自控設(shè)備，能節(jié)省大量線纜、槽架、連接件。減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的工作量。 現(xiàn)場總線形成真正分散在現(xiàn)場的完整控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，豐富了控制設(shè)備的信息內(nèi)容。 為控制信息進(jìn)入公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件，溝通了現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系,便于實(shí)現(xiàn)管控一體化 控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，便于實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)程傳送與異地遠(yuǎn)程自動控制。 1、現(xiàn)場總線是一種控制系統(tǒng)框架 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是建立在現(xiàn)場總線技術(shù)基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，具有開放性、可互操作性、常規(guī)控制功能徹底分散、有統(tǒng)一的控制策略組態(tài)方法的新一代的分散型控制系統(tǒng)。 2、現(xiàn)場總線運(yùn)動控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用： 1 PC+獨(dú)立數(shù)字運(yùn)動控制器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)=開放式運(yùn)動控制系統(tǒng) 2 觸摸屏+獨(dú)立數(shù)字控制器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)=開放式運(yùn)動控制系統(tǒng) 上述兩種結(jié)構(gòu)是伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展方向。 它能充分利用PC 機(jī)和觸摸屏的資源，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開發(fā)，將生成的程序指令傳送給運(yùn)動控制器，由控制器不斷轉(zhuǎn)譯產(chǎn)生更新的位置命令（運(yùn)動曲線）并通過通信總線下傳給驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器將控制電流傳送給電機(jī)，這樣完成命令所需定位。在一個多軸系統(tǒng)中，一個控制器可以控制多個電機(jī)或驅(qū)動器。伺服電機(jī)是主要的執(zhí)行部件，完成具體動作。 總線將分散的有通信能力的測量控制設(shè)備、驅(qū)動控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務(wù)的控制網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線控制總線數(shù)據(jù)傳輸方式 二、現(xiàn)場總線運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 現(xiàn)場總線發(fā)展中的新軍————以太網(wǎng) 工業(yè)自動化系統(tǒng)正向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的實(shí)時控制方面發(fā)展，因此通信已成為關(guān)鍵，用戶對統(tǒng)一的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，但目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細(xì)地選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等，可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。 目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域的工作，如IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）正在著手制訂現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將使網(wǎng)絡(luò)能看到“對象”。IAONO（工業(yè)自動化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟）最近與ODVA和IDA集團(tuán)就共同推進(jìn)Ethernet和TCP/IP達(dá)成共識。 ODVA于2000年3月17日發(fā)布了一個為在工廠基層使用以太網(wǎng)服務(wù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 FF于2000年3月29日公布了高速以太網(wǎng)（100Mb/s）的最終技術(shù)規(guī)范（FSI1.0）。 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作，開展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前1000Mb/s以太網(wǎng)的發(fā)展已進(jìn)入實(shí)用階段。由以上分析可知，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域是一個不可忽視的發(fā)展趨勢。 現(xiàn)場總線應(yīng)用前沿——嵌入式網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)（NCS） 運(yùn)動控制（伺服）就是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動。開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制系統(tǒng)是一種模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件系統(tǒng)。 2000 年11月國際權(quán)威制造技術(shù)研究機(jī)構(gòu)德國UHILFSJKGH 研究院的院長VIHFGQWGH DA教授，在上海召開的第一屆國際機(jī)械工程會議上作了題為“網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)——制造業(yè)全球化的前景”的大會報告，強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)在制造業(yè)中發(fā)展的重大影響和作用，指出了制造全球化、制造敏捷化和制造虛擬化均離不開制造網(wǎng)絡(luò)化的支撐環(huán)境。 嵌入式運(yùn)動控制器 上圖給出了嵌入式運(yùn)動控制器的體系結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出將運(yùn)動控制器劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運(yùn)動控制模塊兩個主要部分。其中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊直接與Internet連接，并按照預(yù)先確定的通信協(xié)議從控制臺那里取得控制命令，然后將命令交給運(yùn)動控制模塊。運(yùn)動控制模塊則直接和電動機(jī)驅(qū)動器相連，它在對命令進(jìn)行分析和判斷之后，產(chǎn)生相應(yīng)的電動機(jī)控制信號傳送給電動機(jī)。另外，命令執(zhí)行的結(jié)果也會返回給網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由它再通過網(wǎng)絡(luò)返回給控制臺。 嵌入式運(yùn)動控制器主要特點(diǎn) 1. 運(yùn)動軸擴(kuò)展 用子板（Daughter Board）在控制器上進(jìn)行運(yùn)動軸擴(kuò)展。 可用Fiber Optic Network將多個控制器聯(lián)網(wǎng)，可以控制更多軸。 步進(jìn)軸（脈沖+方向）、伺服軸（模擬量指令+位置反饋）可混合配置。 2. 數(shù)字量輸入、輸出擴(kuò)展 3. 模擬量輸入、輸出擴(kuò)展 4. 位置反饋接口擴(kuò)展（A/B/Z、SSI、SIN/COS） 5. 現(xiàn)場總線接口擴(kuò)展：CAN、SERCOS、EtherNet、ProfiBus、DeviceNet、 ModBUS、HostLink等 “嵌入式以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備以及嵌入的Internet服務(wù)器不久都將成為現(xiàn)實(shí)”這個來自Siemens Energy & Automation的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Horst Kohlbert的預(yù)言提示工業(yè)以太網(wǎng)即將進(jìn)入現(xiàn)場控制級。 以太網(wǎng)是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，將會成為主導(dǎo)現(xiàn)場總線，但現(xiàn)場總線技術(shù)也絕對不會輕易退出已有的市場，各種現(xiàn)場總線之間可以互相取長補(bǔ)短，進(jìn)一步完善。各種現(xiàn)場總線均有一定的技術(shù)側(cè)重面和應(yīng)用領(lǐng)域互補(bǔ)性較強(qiáng)，在某一方面更具權(quán)威。 多種現(xiàn)場總線總線共存，不利于用戶的投資，不利于生產(chǎn)廠商的投資。眾多的總線標(biāo)準(zhǔn)就等于沒有標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)場總線技術(shù)的百花齊放與興盛發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)（NCS） 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要求用于控制領(lǐng)域的現(xiàn)場總線是具有高網(wǎng)絡(luò)性能的數(shù)字式互連網(wǎng)絡(luò)，具有互操作性和開放性。數(shù)字式互連是網(wǎng)絡(luò)的基本特征?；ゲ僮餍砸蟛捎媒y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。開放性指技術(shù)公開且被廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)并存已成定局。不同公司為了各自的利益，把持著標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，使現(xiàn)場總線不易廣泛應(yīng)用。目前，以太網(wǎng)技術(shù)是最符合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線特點(diǎn)的技術(shù)，因此許多公司已經(jīng)將以太網(wǎng)引入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中。 “網(wǎng)絡(luò)就是控制器” 德國Jetter AG公司的自動化系統(tǒng)、以色列ELMO公司的MAESTRO、英國TRIO公司的立意新穎，它是基于100Mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，宣稱“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)。其特點(diǎn)是： （1）類似Internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)； （2）對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用； （3）從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網(wǎng)總線進(jìn)行直接通信； （4）可連接到Internet，實(shí)現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)； （5）以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線，內(nèi)部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術(shù)被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來。 嵌入以太網(wǎng)的I/O 早在1998年，F(xiàn)oxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統(tǒng)中的以太網(wǎng)I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網(wǎng)將所有現(xiàn)場設(shè)備、控制器和PC機(jī)工作站集成為一個高可靠、低成本的實(shí)時控制的信息網(wǎng)絡(luò)。近年來，一些公司已推出不少以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，舉例如下： （1）Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網(wǎng)I/O產(chǎn)品，并不斷擴(kuò)展和改進(jìn)其產(chǎn)品，如開發(fā)符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網(wǎng)產(chǎn)品和用于管理的SNMP以太網(wǎng)產(chǎn)品； （2）National Instruments的Field Point I/O能提供現(xiàn)場設(shè)備到以太網(wǎng)的鏈接； （3）SixNet提供嵌入以太網(wǎng)芯片的I/O模塊； （4）Optimation（Hutsrille, Ala）發(fā)布內(nèi)裝以太網(wǎng)的I/O新產(chǎn)品； （5）Automation direct.com和Omron Electric聯(lián)合宣布的以太網(wǎng)I/O新產(chǎn)品已面市； （6）GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化產(chǎn)品均支持與以太網(wǎng)的鏈接； （7）Zonework（Temecala, Calif）推出其第一套產(chǎn)品，聲稱是使傳統(tǒng)的自動化控制器能訪問以太網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)； （8）Action公司的子公司Busware公布以太網(wǎng)的E系列I/O模塊，如圖3所示。 此外，現(xiàn)在已有嵌入以太網(wǎng)芯片的智能現(xiàn)場總線設(shè)備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內(nèi)裝有Web服務(wù)器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠(yuǎn)程存取Altivar 58變頻器的各種數(shù)據(jù)。 高速以太網(wǎng)雖然縮短了響應(yīng)時間提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，但并沒有完全解決其在工業(yè)控制中的問題。 1 沒有根本解決不確定性。 2 帶寬利用率不高。 即使以太網(wǎng)最小幀長度為64個字節(jié)也足以使只有16 bit的 I/O不堪重負(fù)。且在這64個字節(jié)中，18個字節(jié)是被以太網(wǎng)自己使用的，TCP/IP的數(shù)據(jù)報頭也要占用40個字節(jié)，因此用戶只能使用剩下的6個字來存放數(shù)據(jù)。 3 安全性不高。 以太網(wǎng)不能給現(xiàn)場設(shè)備供電，沒有冗余，不能及時恢復(fù)，一處故障可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。 4 在應(yīng)用層沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 工業(yè)Ethernet網(wǎng)雖可以將Profibus、Devicnet、modbus、controlnet、canopen協(xié) 議 轉(zhuǎn) 換 到 TCP/IP上 ，把多種不同的協(xié)議應(yīng)用于同一網(wǎng)絡(luò)，并讓它們與同一主機(jī)在同一時間對話，但是它并未真正解決通用標(biāo)準(zhǔn)的問題。 TCP/IP The Technology - TCP/IP Stack & Ethernet Ethernet Daughter Functional Block Diagram 基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的系統(tǒng)構(gòu)件1 1. 利用英國TRIO控制器擴(kuò)展 2. 利用以色列MAESTRO控制器擴(kuò)展 舒志兵 shuzhibing@163.com 南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動控制研究所 南京工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 Tel:13905172465