不同控制系统的集成

不同控制系统的集成

发布时间：2011-05-10 作者：Jeanine Katzel

摘要：以前，工厂中的自动化功能都是独立的——组件、设备和系统相互独立地运行，管理和功能模块也都互不相关。虽然以太网本身并不能协同工作，但是他的衍生产品却有助于自动化领域内的集成整合作业。对于当今时代的生产制造环境来说，更像是通过协议、网络和标准作为纽带，使我们得以互联和相互通讯。这些工具正在茁壮成长，以一种全新的、有效的方式将我们的工业操作整合为一体，使生产效率得到前所未有地提升。

正如一首流行歌曲中唱到，是爱让我们在一起。然而，对于当今时代的生产制造环境来说，更像是通过协议、网络和标准作为纽带，使我们得以互联和相互通讯。这些工具正在茁壮成长，以一种全新的、有效的方式将我们的工业操作整合为一体，使生产效率得到前所未有地提升。

以前，工厂中的自动化功能都是独立的——组件、设备和系统相互独立地运行，管理和功能模块也都互不相关。这种情况下，过程系统运转缓慢，而且很难优化，同时性能、维护计划和利润率等相关数据也很难获得。

那么今天工业推崇的互联性是如何实现的呢？EtherCAT Technology Group公司的北美代表、项目管理专家和项目工程师Joey Stubbs说道：“众多的技术进步将我们带入了一个与10年前具有天壤之别的自动化和制造业的世界。实际上，今天的技术能够克服几乎所有的网络壁垒。例如，你可以安装一个带有EtherCAT的DIN导轨计算机，与多种协议通讯。虽然这可能并不是最有效的系统，甚至不是最便宜的系统，但是它确实可行。”

OPC基金会总裁兼执行董事Thomas J.Burke补充道，科技继续以创纪录的速度飞速发展，特别是在消费电子领域，所以工业自动化领域的供应商和最终用户也期待这种发展的到来。“今天的经济发展以及一切与其相关的事物——从楼宇自动化、安保到智能电网概念，都在表达一种对开放式工业系统的渴求，期盼真正的跨领域信息整合。”

多种多样的网关、路由器和终端设备使制造商做到了多个不同系统之间的整合。

其中包括Beckhoff Automation公司下一代以太网终端，它可以提供清晰、开放的通讯通道。

此部件为不同设备提供了与EtherCAT I/O节点的直接接口，包括Profibus、DeviceNet和

CANopen。

如何整合

确实，当前有很多理由将不同的生产制造系统进行整合，甚至有很多种实现的方法。现代生产制造使用迥异的设备实现各种各样的过程控制（如果想要在全球化竞争中占得一席之

位，就不得不这样），而它们彼此之间必须能够通讯，包括在所有工厂操作之间编译并交换信息。不管是汽车制造业的自动订单和适时生产还是制药和半导体行业对数据跟踪和追踪有特殊要求的批处理作业，通讯都已成为确保生产系统最优化操作的必要条件。

具有先进通讯技术的OPC服务器可以为不同网络和协议提供协同工作能力。

不管互联和整合是如何实现的，数据的有效移动都意味着只交换有用的信息。将昂贵软件包的需求最小化或者能够削减硬件成本的系统有助于获得更好的过程控制、更好的产品和更高的利润率。Stubbs建议道，系统互联所使用的方法都有以下三个共性：·有效移动数据，例如实时控制系统所使用的瞬时数据传输；

·通过管理数据转换软件和硬件以降低成本；

·低成本作业，减少需要过多地占用CPU资源的数据转换工作，因为这些资源本可以更好地用于提高实际产出和过程控制。

今天的系统为此做了长久的努力。与部件和设备之间的连接不同，现在的系统不但可以在同一个工厂内完成互联，还可以在不同工厂之间做到互联。Beckhoff Automation公司的技术市场经理Corey McAtee说道，工业自动化和工业控制可以在三个独立的概念或者层级之间工作——设备、过程和工厂：

1. 设备级别控制结构包括安全性和功能性，例如PLC、数字运动和状态监测，这些功能以前都是独立的，但是现在被整合在一起。这都要归功于供应商们对开放标准和技术的接纳，这些小模块更容易通过现场总线网络连接起来，例如EtherCAT，使这些模块可以通过

设备的控制器完成很多功能。

2. 过程级别。没有设备可以独立运作；它们都是流水线或者是过程的一部分。McAtee 说道：“一个制造商可能拥有三台来自于三个不同供应商的设备，而它们必须协同工作并且做到相互通讯。例如OPC-UA （统一架构）之类的标准确保数据通过软件完成交换，使用固定格式连接这些独立模块，使其具有类似的操作模式和体验。共享很成功，因为数据都是统一、一致和兼容的。”

3. 工厂级别遍及企业，包括高层级的通讯，它对于工厂管理至关重要。传统的数据交换要求相当高的硬件和软件支持，以创建、搜集和维护这些信息。McAtee说道，软件工具的整合（例如OPC-UA的软件工具与高层级系统的集成）正在简化这个过程，各种壁垒应声而倒。

Burke对此概念做了详细说明：“今天，信息群落需要高度集成，因为公司正致力于通过不同系统之间的适时数据交换来提升其盈利能力。几年前，当专有系统在工厂和过程应用中大行其道时，没有人担心数据整合，不管是组件之间还是通过防火墙。因为那时候没有网络，而今天每一个人都希望各种各样的信息可以安全可靠地整合在一起。”

软件使其简单、便捷

随着以太网技术的不断进步，它已成为企业系统事实上的标准。开放技术，诸如OPC 及其衍生技术，让以往独立的自动化过程能够实现复杂的交互连接。标准的协议具有易懂、灵活、具有成本效益以及开放性的特点。它们比其它因素更能激励控制系统之间的通讯。例如网络特性和企业层面日常事务处理等的优势扩展到了控制领域，而且随着生产厂商越来越多地采用这些技术，他们发现了越来越多的方法来扩展应用。

然而，Stubbs强调道：不能仅仅因为通讯协议是“标准”的就认为它们是开放的，真正的开放协议必须具有三个特性：

1. 协议必须符合国际标准（例如IEC或者IEEE）。协议说明必须能够直接从标准颁发机构获得。

2. 协议的知识产权拥有者必须允许竞争者和第三方机构将协议应用到各自的系统或者设备中。

3. 第三方设备必须能够轻松配置到控制系统中，特别是知识产权拥有者的控制系统。

开放系统能够在网络协议、专用设备协议和HMI客户端之间搭建桥梁。

Kepware公司的总裁Tony Paine说道：“客户对于不同产品能够相互连接的要求和需要，比其他任何因素更能激励交互连接性和协同工作性的发展。在没有OPC的日子，每次供应商想要和组件连接时，都必须在驱动中建立连接。供应商陷入了设备缺乏连通性的窘境，为了不让此弊端成为产品销售的绊脚石，供应商着手开发工具，令最终用户和OEM厂商可以自行搭建通讯路径。但是系统仍旧与其供应商的技术不可分割。于是，很多业界领先的自动化设备供应商形成了过程控制和生产自动化应用（OPC）的规范，基于最新的微软公司的技术实现设备的协同工作能力。结果是数以百计的支持OPC数据存取的项目蓬勃发展，使用通用接口从设备、组件和系统读取和写入信息的能力得以提升。”

协同工作和一致性是一种很好的业态，这同样激发了用户对于未来的期冀。一旦工厂车间实现协同工作，各大公司就开始对工厂和工厂之间的通讯和数据共享抱有希望了。Paine 补充道：“OPC标准和规范对此具有持续的推动力。”他引述了OPC-UA的近期发展，这些发展确保在因特网上实现安全通讯。（关于OPC和OPC-UA的更多信息请阅读后面《OPC:下一代技术》一文。）

利用以太网的能力

开放协议以一种方式帮助不同系统完成整合，以太网和它的衍生技术以及改良技术则以另一种方式投身其中。以太网出现不久就成为企业系统事实上的标准。然后，那些曾经被认为不可能发生的进步都发生了——随之企业系统进入了现场总线网络和自动化的领域。多种基于以太网的网络协议现在正在自动化领域内找到其用武之地（更多以太网类型请参阅后面文章《各种各样的以太网》）。

Rockwell Automation公司EtherNet/IP网络部经理Mike Hannah说道：“基于以太网的协议有很多，却与EtherNet/IP不尽相同，很多都是针对特殊目的的专用网络，所以即使它们可以在一定程度上支持协同工作能力，将不同功能（例如运动、I/O和用户接口）集成到企业控制室内但仍旧很复杂，通常都要求额外的编程和网关来移动数据。”

高效通讯接口帮助光电产品和汽车供应商完成生产线作业的整合（如图），以及确保标准格式信

息在公司内的横向和纵向移动。

确实，以太网本身并不能协同工作，但是它确实能够帮助硬件交换数据并且确保设备的数据共享更快、更好、更简洁。Kepware公司的Paine补充道：“几年前，如果在两台设备上均安装HMI，从多个设备搜集数据。每一次读取数据是否相同都取决于读取时间，所以操作人员有可能会在各自的屏幕上看到不同的信息。而以太网则允许使用分布式体系结构。设备上的OPC服务器现在可以起到网关的功能，以致所有的HMI或者客户应用程序可以从同一个信源获取数据，并同时显示同样的信息。”

Hannah继续道：“仅仅两年以前，多网络系统在工厂中很普遍，从信源获取数据并将其送至决策单元的过程总是问题不断。例如EtherNet/IP（使用CIP的标准以太网TCP/IP，开放设备网络制造商协会（ODVA）的通用工业协议）之类的单一网络解决方案在自动化领域内更受欢迎；可以和IT以太网络（Ethernet / IP）共存的网络允许在同一条线路上完成信息交换、运动控制、安全性、I/O和点到点控制。”

一些人认为对于很多控制系统功能来说，以太网的确定性不够高，然而，以太网在自动化领域的出色表现却一再令他们惊讶。Hannah承认道：“从某种程度上来说，以太网先天就不太稳定。但是同时，先进的以太网技术（例如网络测量和控制系统中用到的精确时钟同步协议标准IEEE1588），在连接控制系统时，就可以免除代理服务器和…存储转发?工具的必要。这种精确时间协议可以确保创建高确定性网络，并支持高精度运动和顺序报警之类的功能，以及那些可以在与信息系统同样的网络上运行的任务。”

并非通用转换工具，而是……

集成仍旧不算是一项清晰简洁的过程，然而，我们已经看到了巨大的进步，并期待未来取得更多进步。生产厂商在确定互联方案时，必须意识到有多种选择和备选方案，并尽可能多地实践。将控制系统整合或者完成企业数据信息推送的方法几乎和生产设备一样多。

曾经只是幻想的协同工作能力和数据交换今天已经成为现实，它们带来了无尽的可能性。如果系统内含信息，那么人们势必会潜心获得这信息并将其搬移至PC上。目前的障碍更多地来自于组织结构。信息技术和生产制造技术之间的固有文化差异是确实存在的，这或许比技术上的挑战更大。McAtee说道：“我们目前在控制上所做的努力并不一定是新的，使控制系统之间保持独立的罪魁祸首并非技术，而是对于改变的抗拒，它使整合步履维艰。”

虽然要想达到不同控制系统的无障碍通讯仍需努力，然而我们在统一通讯语言上已经取得了长足的进步，而且可以想见，在未来会取得更大进展。McAtee说道：“未来的设备将可以利用即插即用技术的强大能力，例如OPC-UA。这些先进的设备可以检测到使用了哪些供应商的设备，使用了何种标准，这样一来，仪器之间便可以开始通讯了。”

Kepware公司的Paine说道，最新的OPC是不依赖于平台的。“它可以更好利用设备数据，其强大能力不仅仅局限于自动化领域——它可以用于智能电网甚至更广泛的应用场合，它的长足发展将会给我们带来巨大的惊喜。”

考虑及此，不得不遗憾地对John Donne说，今天没有控制系统还会保持独立，而且也不应该保持独立。

OPC:下一代技术

开放连通性源自开放标准，即我们今天所说的OPC，它诞生于1995年，帮助供应商实现工厂车间和顶层可视化应用之间的协同工作。基于微软技术的OPC是供方驱动的举措。 OPC基金会的Tom Burke解释道：“供应商们厌倦了为实现工厂车间的硬件通讯而去开发软件，以及不得不维护的相应驱动程序。目前的情形与打印机类似：打印机公司为应用提供相应的软件，使其连接打印机并将文档打印任务发送至目标打印机。对于OPC来说，软件公司形成一种业态，为设备开发软件，这些软件的性能比硬件供应商所开发的软件要好得多。”

这种模型持续作用于OPC统一架构（OPC-UA）。Burke继续道：“OPC-UA将数据与服务分离，与设备或者其他应用程序连接的应用程序可以挖掘数据以及构成数据的元数据，为目前以及未来提供长久有效的系统。”

最终用户基于安全性和可靠性的需求使相互竞争的供应商合作，一同开发工业标准，例如OPC-UA。行业协会也与OPC基金会合作开发配套技术规范，嵌入OPC-UA用于各自的信息模型。Burke说道：“OPC为各种各样的协会建模提供信息挖掘、查询、订阅、读取和写入提供了必须的基础结构。他们的供应商可以便捷地开发复杂应用，无需知晓信息模型的内部构造，不管是今天还是未来。”

这种概念的一个简单的例子就是通用串行总线（USB），正是USB带领我们进入了消费电子世界。Burke解释道：“将一台设备插入到支持USB的笔记本电脑上，你立刻就可以使用这台设备。当今的工业自动化系统也将支持这种即插即用的操作。设备一旦接入，项目应用就可以发现新设备，对其进行设置、诊断并从其获得数据。”

各种各样的以太网

虽然以太网本身并不能协同工作，但是他的衍生产品却有助于自动化领域内的集成整合作业，例如OPC之类的开放协议可以完美发挥其功能。今天有很多种类的以太网网络，EtherNet/IP和EtherCAT便是是其中的两种。

采用标准以太网技术，例如EtherNet/IP技术，允许工厂整合不同的批处理过程、连续加工、分布式作业、安全功能、运动和驱动控制工业网络技术，使其形成一个多元工业网络。EtherNet/IP是一种基于通用工业协议（CIP）的网络技术，由ODVA管理。这种网络可以与IT以太网网络共存，被Rockwell Automation公司的Mike Hannah称之为使能器。他补

充道：“它或多或少地可以看做是数据传输的通道，因为它使用了和以太网数据传输一样的TCP/IP协议，数据在VLAN和子网之间的交换无需专门的交换机或者网关。这意味着EtherNet/IP不仅仅是现场总线网络，它还可以作为自动化网络使用，简化了网络体系结构。” EtherCAT是另一种以太网，它是一种开放的实时网络，用于自动化控制领域。这种现场总线协议源于光电产品和汽车供应商近期为了满足通讯上的要求所做的技术革新。EtherCAT更多地扮演主现场总线系统的角色，Beckhoff Automation公司的端子系统可以用于连接串行设备和子系统。

EtherCAT技术团队代表Stubbs解释道：“EtherCAT使用多种软件，可以与现场硬件高效无阻通讯。它可以作为网关使用，与其他现场总线协议完美兼容，包括相关的老式设备。它可以用于运动控制、复杂CNC机床和机器人，具有灵活的拓扑结构，确保先进的数据采集和高速性能。EtherCAT高效地使用控制器，预先做好数据分类，无需在每次I/O扫描时重新定位数据映射表。使用了以太网带宽就是其高速的原因，各种优势积少成多，最终创造了一个简单明了的系统。”

原本孤立的生产和控制自动化系统越来越多地整合于一个遍布整个工厂范围的控制和信息平台。

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