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现场总线技术标准化的思考与CIP协议架构的启发

时期:2022-08-21 00:44 点击数:
本文摘要:一、现场总线技术的蓬勃发展和市场动力 七十年代,微处理器技术的变革以及集中管理、分散控制的风险控制策略促使了基于微处理器芯片的集散地控制系统开始转入市场,同时也将用作控制器之间和控制器与上位机之间的数据通讯的计算机通讯网络技术引进了工业自动化领域。但此时由于各自动化厂商的控制系统自成一体,网络通讯只是其系统的内部功能之一,需要与外界展开数据交换。

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一、现场总线技术的蓬勃发展和市场动力  七十年代,微处理器技术的变革以及集中管理、分散控制的风险控制策略促使了基于微处理器芯片的集散地控制系统开始转入市场,同时也将用作控制器之间和控制器与上位机之间的数据通讯的计算机通讯网络技术引进了工业自动化领域。但此时由于各自动化厂商的控制系统自成一体,网络通讯只是其系统的内部功能之一,需要与外界展开数据交换。

八十年代以后,随着微处理器芯片应用于的大大渗入,智能化的传感器、电源、执行机构等工业现场掌控器件不断涌现,但各厂商根据所生产的元器件的特点而研发的数据通讯协议也是五花八门、种类多样,单个的元器件或许充满著了智能,但与控制系统构建时依然不能延用传统的电缆接线一对一终端I/O接口板,并无法确实反映其智能化的优点。因此要将这些众多有所不同厂商的智能化现场掌控元器件集沦为一个几乎数字化的集散地控制系统,公共对外开放的网络通讯协议标准就变得十分适当。在这一市场动力的推展下,各控制系统(还包括PLC和DCS)的生产厂商基于其原本内部专用的网络通讯技术争相明确提出了各种各样对外开放程度有所不同的现场总线通讯协议标准,并随着技术的变革大大补足和完备。

  二、现场总线技术标准化的现状  从上世纪八十年代开始,美国仪表协会(ISA)和国际电工委员会(IEC)即已成立专门的机构来研究和明确提出现场总线技术标准。然而由于种种原因,经过宽约十多年的希望,再一在2000年施行的国际标准IEC61158毕竟一份让所有自动化领域涉及人员深感疑惑和失望的标准,因为它包括八种彼此之间相容的总线协议。

随着IT技术大大向工业领域渗入,以太网(Ethernet)作为新的现场总线技术让很多人充满著了希望,但2003年第三版的lEC61158标准的施行,在新版本中减少了三种基于以太网技术的新协议,将总线协议的标准减少到十一种,同时还有更好的基于以太网技术的新协议于是以大力希望重新加入到标准的协议集内。  三、现场总线技术标准化进程的分析思维  分析用户的市场需求,我们大体可以将用户对现场总线的技术拒绝和希望分成以下三个层次:  1)智能元器件与控制器(车站)之间的点对点互通,主要目的是替代传统的I/O电缆。其拒绝是能传送传统的I/O数据,并可选传输一些智能元件特有的监测和故障诊断信息。

  2)在传输以上动态监控数据的基础,用户更进一步的拒绝是期望通过网络来展开集中于的工程设计组态、程序动态改动iTunes以及元器件的远程临床和校准等。  3)在点对点互通的基础上,用户期望需要在各种情况下重构系统,如在元器件损毁替换、系统改扩建以及系统升级或部分升级等情况下,拒绝需要无障碍地终端第三方的元件或新技术条件下的升级产品。  从以上用户的市场需求上可以显现出,用户是期望通过现场总线技术,利用网络数据通讯的手段构建各种智能元器件与控制器(车站)之间的点对点、互通、交换,但并没拒绝说道所有这些功的必需在一个单一的统一网络来构建。

正如在Internet网络上用户期望构建电子邮件、文件iTunes、网络网页、网上游戏等服务,但这并没拒绝Internet网络必需是一个单一的同构网络。  从通讯协议的构筑模型上看,目前完全所有的通讯协议一般来说都是参考OSI的七层模型,但绝大多数协议都就是指物理层开始自底向上自成一体地构筑一个横向一体化的协议栈,使得八种标准协议之间在任何层次上都很难点对点、互通,更加谈不上交换功能。事实上制订OSI分层模型的目的是让涵括有所不同技术元素有所不同发展变化速度的通讯实体分成互相独立国家的层次,以使各层次既需要互相融合沦为一个端对端原始的协议栈,又需要互相独立国家发展而不互相制约。

比如在我们最熟知的Internet网络协议簇中,因特网之所以需要如此顺利,就是以TCP/IP协议栈为核心,对上可以服务众多有所不同的应用层协议(WWW、FTP、电子邮件等),向上则可在众多有所不同的局域网(Ethernet、FDDI等)、广域网(拨号网络、X.25等)平台上构建。  从某种程度上来说,现场总线技术的标准化进程经常出现目前困境的原因相当大程度上有可能是当初一开始就将单一的横向一体化的同构网络这一过分理想的希望原作为技术标准的目标,结果不但无法超过目的,反而适得其反,经常出现了群雄纷争,彼此之间相容的局面。  四、CIP协议架构的灵感  CIP协议规范是变换在ControlNet、DeviceNet和EtherNet这三种几乎有所不同的网络技术平台之上的与网络硬件技术牵涉到的公共的网络传输层、应用层、用户层协议规范,也就是说它可以构建异构网络下的系统的点对点、互通,以后交换功能。

  与其它现场总线技术通讯协议一个相当大的有所不同就是有一个具备网络传输层功能的CIPMessaging协议规范。其中最核心的部分就是将应用于对象之间通讯关系抽象化为相连(Connection),并与之适当制订了应用于对象的逻辑地址规范,从而使CIP协议可以不依赖某一明确的网络硬件技术,而是用逻辑对象地址来定义相连(Connection)关系。

  并将某一种明确的网络技术平台抽象化为与网络接口涉及的物理链路对象(LinkObject),这样使得CIP协议在有所不同的网络技术平台上明确构建时唯一必须的模块就是与该网络平台比较不应的物理链路对象(LinkObject),如DeviceNetLinkObject、ControlNetLinkObject和EthernetLinkObject等等,而其上层的协议都可不不受影响并保持一致,这也就为在跨平台的异构网络条件下构建系统的点对点、互通,以后交换功能奠下了基础。


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