【知識(shí)】長(zhǎng)文！工控機(jī)與PLC比較
一、概述
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，PLC和工控機(jī)是人們不得不提的兩類控制設(shè)備，它們是大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備。PLC和工控機(jī)的最新技術(shù)發(fā)展是工程師對(duì)設(shè)備應(yīng)用性能要求的完美體現(xiàn)：控制器的硬件標(biāo)準(zhǔn)化，以及用戶的各種控制要求通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行改變。
PLC就是一種利用計(jì)算機(jī)原理為順序控制專門(mén)設(shè)計(jì)的、通用的、使用方便的裝置。它采用了專用設(shè)計(jì)的硬件，而使用性能都是通過(guò)控制程序來(lái)確定的。
工控機(jī)則是利用了個(gè)人計(jì)算機(jī)的PCI總線和PC/104總線、采用功能板卡擴(kuò)展控制I/O點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的一種方便的控制設(shè)備。它具有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用特性，同時(shí)又極大地利用了PC機(jī)的軟件環(huán)境，用戶可以方便地選擇各制造商提供的產(chǎn)品。
PLC和工控機(jī)目前的技術(shù)發(fā)展水平已大大超過(guò)其出現(xiàn)時(shí)技術(shù)水平，并各自定位在不同的層面。PLC適合低成本自動(dòng)化項(xiàng)目和作為大型DCS系統(tǒng)的I/O站，工控機(jī)在中規(guī)模小范圍自動(dòng)化工程中有很好的性能價(jià)格比，當(dāng)然這種定位也不是絕對(duì)的。據(jù)預(yù)測(cè)，2000年我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)170億至207億人民幣，其中工控機(jī)占40億左右、PLC占30億左右，再加上DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)和NCC系統(tǒng)（占60億）中使用的PLC和工控機(jī)，可以看出其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中舉足輕重的作用。這兩類控制設(shè)備在各領(lǐng)域的自動(dòng)化中扮演了不可缺少的角色。圖1給出了某自來(lái)水廠工業(yè)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖，其中采用了PLC作為I/O控制站、工控機(jī)作為監(jiān)控機(jī)。
圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖
目前，PLC的主流廠商有A-B、Siemens和Modicon等。工控機(jī)的主流廠商有上海康泰克、北京康拓和研華、艾訊等。
PLC和工控機(jī)在其技術(shù)發(fā)展的歷程中，為了適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要和用戶二次開(kāi)發(fā)的需要，都積極地發(fā)展高可靠性、網(wǎng)絡(luò)化和高性能的用戶開(kāi)發(fā)軟件方面的技術(shù)性能。以下將重點(diǎn)介紹PLC和工控機(jī)在硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)方面技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
二、PLC和工控機(jī)的硬件技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展
PLC和工控機(jī)的最終用戶為冶金、采礦、水泥、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保等行業(yè)，其主要的用途為：
1、順序控制
順序控制是應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，它包括單機(jī)控制、多機(jī)群控制、自動(dòng)生產(chǎn)線控制，如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書(shū)機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配機(jī)械、包裝生產(chǎn)、電鍍流水線和電梯控制等。
2、運(yùn)動(dòng)控制
應(yīng)用在電力拖動(dòng)系統(tǒng)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制。
3、過(guò)程控制
采用模擬量模塊能控制物理參數(shù)，例如溫度、壓力、速度和流量等，并提供PID等閉環(huán)控制的功能。
4、數(shù)據(jù)處理
可以支持?jǐn)?shù)控機(jī)床的控制和管理、多軸控制等。
由于自動(dòng)化系統(tǒng)的要求日益提高，傳統(tǒng)的提供I/O點(diǎn)服務(wù)的PLC和工控機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜的工藝要求。因此，PLC和工控機(jī)在硬件系統(tǒng)上有了根本的變化。
PLC系統(tǒng)在模塊上的技術(shù)發(fā)展有：
1、處理器模塊
配備大容量?jī)?nèi)存，為滿足實(shí)時(shí)控制的要求而優(yōu)化設(shè)計(jì)，除了一般的I/O掃描和控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換外，支持大型的集成控制、通訊、并行運(yùn)算、處理器獨(dú)立后臺(tái)程序和處理器輸入中斷等功能。如A-B公司的ControlLogix處理器模塊在它的內(nèi)核中設(shè)計(jì)有通信功能，借助于它的無(wú)源數(shù)據(jù)總線，系統(tǒng)的瓶頸得以消除。這種靈活的結(jié)構(gòu)允許多個(gè)處理器、網(wǎng)絡(luò)以及I/O在一個(gè)機(jī)架中搭配使用而沒(méi)有限制。
2、信息協(xié)處理器模塊
讀取主處理器的數(shù)據(jù)表和狀態(tài)文件，或通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言程序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入主處理器，程序可以在實(shí)時(shí)多任務(wù)環(huán)境下以及獨(dú)立于PLC處理器的方法，單獨(dú)在協(xié)處理器中運(yùn)行。
3、高級(jí)語(yǔ)言協(xié)處理器
通過(guò)C和Basic的接口來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和算法實(shí)現(xiàn)。
4、網(wǎng)絡(luò)適配模塊
在現(xiàn)場(chǎng)總線與處理器之間提供通訊接口，以便PLC處理器和I/O模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換。
5、具有特殊功能的I/O模塊
如A-B公司在其產(chǎn)品中提供了智能變送器模塊、溫度控制模塊、稱重模塊、開(kāi)環(huán)速度控制模塊、塑料制造模塊、力矩控制模塊、絕對(duì)編碼模塊、可組態(tài)流量計(jì)模塊、電流同步模塊等。這些模塊的設(shè)計(jì)考慮了特殊行業(yè)的需要，使得復(fù)雜的控制功能以模塊化的方式得以解決，提高了可靠性和專業(yè)水平。
同樣，工控機(jī)也從I/O板卡的基礎(chǔ)上飛速向前發(fā)展，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)本身的革命性發(fā)展給工控機(jī)提供了舞臺(tái)。工控機(jī)系列產(chǎn)品除了全系列的I/O板卡外，還發(fā)展了一體化工作站、帶電子盤(pán)的工控機(jī)、遠(yuǎn)程RTU、適用于儀表行業(yè)的微型工控機(jī)、適用于視頻和多媒體行業(yè)的工控機(jī)、適用于通訊行業(yè)的帶監(jiān)控液晶屏的工控機(jī)、與PLC合一的特殊工控機(jī)以及防爆型工控機(jī)。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境要求PLC和工控機(jī)具有很高的可靠性，而可靠性是靠電磁兼容特性（EMC）和容錯(cuò)技術(shù)來(lái)保證的。PLC和工控機(jī)要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的電磁兼容檢測(cè)，如輻射敏感度檢測(cè)、諧波/電壓波動(dòng)/電壓驟降檢測(cè)、靜電/快速脈沖/雷擊檢測(cè)、電磁干擾檢測(cè)等。EMC保證了設(shè)備在本質(zhì)上的抗干擾特性。但是，要保證控制設(shè)備不出故障是不可能的。因此，采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)要求不能停機(jī)、不能失控的高可靠系統(tǒng)是十分重要的。目前重要的容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)有Watchdog和雙機(jī)熱備（包括主機(jī)、模塊和通訊介質(zhì)的熱備）。熱備系統(tǒng)的工作對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的：即當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，所有對(duì)故障點(diǎn)的切除和數(shù)據(jù)的備份都是在最短的控制周期內(nèi)自動(dòng)完成的。此項(xiàng)技術(shù)的完成包括了設(shè)備硬件和軟件二個(gè)方面。圖2給出了PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖2 PLC雙機(jī)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
三、PLC和工控機(jī)的軟件特性
PLC、工控機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)總線為工業(yè)自動(dòng)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(jī)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(kù)、控制邏輯運(yùn)算到高層的人機(jī)圖形界面(MMI)。這里，我們從工控軟件體系結(jié)構(gòu)而不是個(gè)別軟件功能的角度介紹PLC和工控機(jī)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(gè)功能強(qiáng)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(jī)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(shí)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(jiǎn)稱Windows DNA。它是在企業(yè)內(nèi)將各種商業(yè)應(yīng)用軟件進(jìn)行無(wú)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(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)出強(qiáng)壯的、具有多種特性的產(chǎn)品，并使最終用戶將其各自獨(dú)立的制造和商業(yè)軟件應(yīng)用集成到一個(gè)數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)中去。
各個(gè)控制設(shè)備生產(chǎn)廠家如羅克韋爾自動(dòng)化公司，通過(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)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(gè)單獨(dú)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(jì)算機(jī)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(jí)以及進(jìn)行應(yīng)用革新。Windows DNA的關(guān)鍵元素包括工具、集成存儲(chǔ)、商務(wù)過(guò)程、用戶界面和導(dǎo)航。更詳細(xì)地說(shuō)，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(wèn)；
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(qiáng)有力的開(kāi)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(jī)接口和SCADA，制造執(zhí)行系統(tǒng)、批處理和設(shè)備接口。沒(méi)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(dòng)設(shè)備來(lái)填補(bǔ)。這將會(huì)使業(yè)主系統(tǒng)的成本增加，并且由于數(shù)據(jù)格式問(wèn)題而很難共享數(shù)據(jù)。
早在80年代中期，羅克韋爾自動(dòng)化在其CIM版本中首先確定了將工廠底層與上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的需求。但是，直到現(xiàn)在實(shí)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(jī)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(tái)
包括了從最早的Win3.1環(huán)境的人機(jī)界面和編程軟件到Windows NT開(kāi)發(fā)全功能人機(jī)界面。隨著Windows CE的到來(lái)，一些公司正計(jì)劃提供基于CE的全套的PLC編程、人機(jī)界面和控制軟件。
2、COM和DCOM
建立COM（組件對(duì)象模型）和DCOM（分布式組件對(duì)象模型）使得產(chǎn)品具有互操作性、擴(kuò)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(dú)立軟件的模塊化程度和促進(jìn)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(gè)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(kù)系統(tǒng)的雙向聯(lián)系，是支持制造業(yè)DNA數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境的版本。
3、Visual Basic的應(yīng)用
微軟認(rèn)為VB是在DNA框架內(nèi)實(shí)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(yǔ)言而能編制自己的實(shí)際應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)方法；其次，VBA提供了多個(gè)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(jī)界面軟件可以利用微軟的Excel表格的功能，這是一個(gè)系統(tǒng)模型公司的產(chǎn)品，具有計(jì)算功能和生產(chǎn)計(jì)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(kāi)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(gè)授權(quán)的軟件開(kāi)發(fā)商，同時(shí)能將VBA嵌入到核心產(chǎn)品中去。
5、OPC－過(guò)程控制OLE
DDE是微軟為front-office應(yīng)用開(kāi)發(fā)的共享小量相對(duì)不變的數(shù)據(jù)的技術(shù)。與DDE不同，過(guò)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(jì)。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(kāi)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(kāi)發(fā)者。OPC負(fù)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(wèn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)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(duì)功能框圖進(jìn)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(duì)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(wú)縫連接、投資有效、規(guī)模靈活和兼顧未來(lái)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(shí)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(yùn)作結(jié)合起來(lái)，才能使其整個(gè)系統(tǒng)更接近用戶。雖然計(jì)算機(jī)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。
四、PLC和工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)特性
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化最深刻變革之一。PLC和工控機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)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?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種取代4～20mA標(biāo)準(zhǔn)，用于連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制設(shè)備的雙向數(shù)字通訊技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線具有開(kāi)放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。
現(xiàn)場(chǎng)總線還可以處理復(fù)雜的事情：本質(zhì)安全、危險(xiǎn)場(chǎng)合、多變量的過(guò)程以及法規(guī)要求嚴(yán)格的環(huán)境。PLC和工控機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線有以下益處：
1、互操作性
互操作性定義為在沒(méi)有任何功能損失的條件下，不同廠家的多個(gè)設(shè)備可以工作在一個(gè)系統(tǒng)中，互操作性允許工廠工程師可在相同的現(xiàn)場(chǎng)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(lái)替換一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。
2、更低的安裝費(fèi)用
現(xiàn)場(chǎng)總線將極大地降低工廠最初的費(fèi)用，包括簡(jiǎn)化接線、更少的接線端子排和簡(jiǎn)化了的儀表選型。此外，減少的費(fèi)用還有：簡(jiǎn)化了圖紙、簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的工程實(shí)施、減少了用于連線、接線柜和接線盒的費(fèi)用。通過(guò)把控制功能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)，控制系統(tǒng)的費(fèi)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(diǎn)數(shù)，減少了機(jī)柜的空間和I/O接線端子排?，F(xiàn)場(chǎng)總線將能提供在線的遠(yuǎn)方數(shù)字通訊，可用來(lái)實(shí)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(fèi)用。
3、更低的維護(hù)費(fèi)用
現(xiàn)場(chǎng)總線將擴(kuò)大操作人員觀察整個(gè)過(guò)程的視角，這樣，可以方便和有效地進(jìn)行維護(hù)和過(guò)程管理，加快查找和消除故障的速度?，F(xiàn)場(chǎng)總線可以實(shí)現(xiàn)在線診斷，更方便的標(biāo)定和預(yù)測(cè)維護(hù)性。
4、改進(jìn)性能
隨著控制功能從DCS轉(zhuǎn)移到單獨(dú)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(chǎng)總線還能充分利用具有多傳感器設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谝粚?duì)導(dǎo)線上允許多個(gè)信息流動(dòng)。
由于現(xiàn)場(chǎng)總線使得更容易從現(xiàn)場(chǎng)獲取設(shè)備信息，工廠操作員和管理人員能夠?qū)ζ溥^(guò)程進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，從而改進(jìn)性能、增加過(guò)程的可用性和一致性。
現(xiàn)場(chǎng)總線不僅是一種信號(hào)通訊協(xié)議，還是一種全新的控制過(guò)程的方法。目前，在PLC和工控中使用的主流現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議有西門(mén)子的ProfiBus，羅克韋爾自動(dòng)化的ControlNet和DeviceNet以及基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF等。以下以ControlNet和DeviceNet為例介紹工業(yè)自動(dòng)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(lái)推出的一種新的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，在同一物理介質(zhì)鏈路上提供時(shí)間關(guān)鍵性I/O數(shù)據(jù)和報(bào)文數(shù)據(jù)，包括程序的上載/下載，組態(tài)數(shù)據(jù)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的報(bào)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(fèi)者（Producer/ Consumer）模式的網(wǎng)絡(luò)，允許在同一鏈路上有多個(gè)主控制器共存，支持輸入數(shù)據(jù)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jiàn)數(shù)據(jù)何時(shí)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(shí)間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)選擇性設(shè)定有計(jì)劃I/O分組或互鎖時(shí)間，這些要求能得到更進(jìn)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(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)傳輸速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。如協(xié)同工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，焊接控制，運(yùn)動(dòng)控制，視覺(jué)系統(tǒng)，復(fù)雜的批次控制，有大量數(shù)據(jù)傳送要求的過(guò)程控制系統(tǒng)，有多個(gè)控制器和人機(jī)界面共存的系統(tǒng)等。對(duì)于有多個(gè)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(chǎng)合， ControlNet非常適用。ControlNet允許多個(gè)各自擁有自己獨(dú)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(shí)時(shí)性、確定性、可選的本征安全等特性，越來(lái)越多地應(yīng)用于過(guò)程控制等要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。
ControlNet是開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)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(dú)立國(guó)際組織——控制網(wǎng)國(guó)際（ControlNet International）負(fù)責(zé)管理，該組織旨在維護(hù)和發(fā)行ControlNet技術(shù)規(guī)范，管理成員單位的共同的市場(chǎng)推廣工作。同時(shí)提供各個(gè)廠商產(chǎn)品之間的一致性和互操作性測(cè)試服務(wù)，保證 ControlNet的開(kāi)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(fèi)者通訊模式。工業(yè)控制要求控制網(wǎng)絡(luò)提供越來(lái)越高的生產(chǎn)率、更高的系統(tǒng)性能，同時(shí)又提供確定性的、可重復(fù)的、可估計(jì)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(wèn)題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊模型是源/目的型或者稱點(diǎn)到點(diǎn)的通訊方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是通訊的內(nèi)容和形式都十分明確，在傳送的報(bào)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須經(jīng)過(guò)多次才能實(shí)現(xiàn)，這就大大增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，降低了通訊的效率。另外，由于數(shù)據(jù)到達(dá)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間可能因網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不同而變化，不同節(jié)點(diǎn)之間的同步就變得困難，通訊的實(shí)時(shí)性不能得到保障。
不同于以往的通訊模式，生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式允許網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)存取同一個(gè)源的數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式下，數(shù)據(jù)被分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，根據(jù)具體的標(biāo)識(shí)，網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)可以接收到來(lái)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(jì)，每個(gè)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(diǎn)選擇性的收取這些數(shù)據(jù)，不浪費(fèi)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(gè)節(jié)點(diǎn)需要接收這個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)同樣的時(shí)間傳送到不同的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)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(kāi)關(guān)、光電傳感器、閥門(mén)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器、過(guò)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(chǎng)總線，其特點(diǎn)是成本低、開(kāi)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(gè)開(kāi)放式的協(xié)議，它最初是由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)應(yīng)用。目前，DeviceNet技術(shù)屬“開(kāi)放DeviceNet廠商協(xié)會(huì)”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(dòng)化設(shè)備廠商的會(huì)員（如羅克韋爾自動(dòng)化、ABB、歐姆龍）。中國(guó)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(lái)得到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的幫助。DeviceNet產(chǎn)品的開(kāi)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(lái)的，并已成為開(kāi)放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議（ISO 11898），在包括工業(yè)自動(dòng)化在內(nèi)的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
DeviceNet在1994年問(wèn)世，1995年成為開(kāi)放協(xié)議，并由ODVA負(fù)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(hào)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(diǎn)有：
它是一種支持多方廠家產(chǎn)品互操作的開(kāi)放式通訊標(biāo)準(zhǔn)；
能快速方便地安裝；
是一種考慮未來(lái)的設(shè)計(jì)，能根據(jù)擴(kuò)展和變化需要來(lái)方便地增加功能；
由設(shè)備內(nèi)部的智能機(jī)制提高運(yùn)行效率；
通過(guò)數(shù)據(jù)生成源/消費(fèi)源通訊結(jié)構(gòu)提供高效的帶寬；
可不斷電地在線對(duì)設(shè)備組態(tài)和增加設(shè)備。
現(xiàn)場(chǎng)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(gè)明顯的趨勢(shì)是DCS的進(jìn)一步分散化。傳統(tǒng)的DCS，在I/O控制站這一層仍然是一個(gè)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(jià)格己降得很低，為了充分發(fā)揮CPU的能力，可以將一個(gè)I/O控制站的點(diǎn)數(shù)、回路數(shù)擴(kuò)充，以降低成本。但是這種設(shè)計(jì)提高了危險(xiǎn)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(huì)上升，因此并不是一個(gè)理想的解決方案。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)看，利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)和智能化設(shè)備、智能化儀表，加上通用的工控機(jī)完全可以組成一個(gè)小型的DCS，這就對(duì)傳統(tǒng)的DCS提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)榛诂F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的DCS具有很多優(yōu)越性，無(wú)論從系統(tǒng)的成本上、可靠性上，安裝使用、維護(hù)的方便性及可擴(kuò)充性上都有很大的優(yōu)勢(shì)。那么，傳統(tǒng)的DCS將如何發(fā)展才能接受這個(gè)挑戰(zhàn)呢？
答案是明確的，只有在I/O控制站這一層進(jìn)一步分散化，采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)技術(shù)，形成以現(xiàn)場(chǎng)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(shuō)，將過(guò)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，形成設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)、控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)和管理級(jí)網(wǎng)絡(luò)這樣三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此來(lái)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(jí)，向上，DCS的功能延伸到管理控制級(jí)，逐步形成了一個(gè)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(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其低層是以DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線將設(shè)備、PLC的遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)連接在一起的設(shè)備層、中間是以ControlNet（或DH+、DH485等）將PLC、工控機(jī)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)。
圖3 典型工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
五、結(jié)論
隨者微機(jī)的軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了革命性的技術(shù)進(jìn)步。而PLC及工控機(jī)作為工業(yè)控制的設(shè)備基礎(chǔ)，通過(guò)技術(shù)的不斷革新，在工業(yè)控制中的地位日益加強(qiáng)，并且成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制技術(shù)進(jìn)步的主要工具。
