一、現(xiàn)場總線技術(shù)的興起和市場動力

七十年代，微處理器技術(shù)的進步以及“集中管理、分散控制”的風險控制策略促成了基于微處理器芯片的集散控制系統(tǒng)開始進入市場，同時也將用于控制器之間和控制器與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊的計算機通訊網(wǎng)絡技術(shù)引入了工業(yè)自動化領域。但此時由于各自動化廠商的控制系統(tǒng)自成一體，網(wǎng)絡通訊只是其系統(tǒng)的內(nèi)部功能之一，無需與外界進行數(shù)據(jù)交換。八十年代以后，隨著微處理器芯片應用的不斷滲透，“智能化”的傳感器、開關、執(zhí)行機構(gòu)等工業(yè)現(xiàn)場控制器件不斷涌現(xiàn)，但各廠商根據(jù)所生產(chǎn)的元器件的特點而開發(fā)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議也是五花八門、種類繁多，單個的元器件似乎充滿了“智能”，但與控制系統(tǒng)集成時仍然只能沿用傳統(tǒng)的電纜接線一對一接入I/O接口板，并不能真正體現(xiàn)其“智能化”的優(yōu)點。因此要將這些眾多不同廠商的“智能化”現(xiàn)場控制元器件集成為一個完全數(shù)字化的集散控制系統(tǒng)，公共開放的網(wǎng)絡通訊協(xié)議標準就顯得非常必要。在這一市場動力的推動下，各控制系統(tǒng)（包括PLC和DCS）的生產(chǎn)廠商基于其原先內(nèi)部專用的網(wǎng)絡通訊技術(shù)紛紛提出了各種各樣開放程度不同的現(xiàn)場總線通訊協(xié)議標準，并隨著技術(shù)的進步不斷補充和完善。

二、現(xiàn)場總線技術(shù)標準化的現(xiàn)狀

從上世紀八十年代開始，美國儀表協(xié)會（ISA）和國際電工委員會（IEC）即已設立專門的機構(gòu)來研究和提出現(xiàn)場總線技術(shù)標準。然而由于種種原因，經(jīng)過長達十多年的努力，終于在2000年頒布的國際標準IEC61158卻是一份讓所有自動化領域相關人員感到困惑和尷尬的標準，因為它包含八種互不兼容的總線協(xié)議。隨著IT技術(shù)不斷向工業(yè)領域滲透，以太網(wǎng)（Ethernet）作為新的現(xiàn)場總線技術(shù)讓很多人充滿了期望，但2003年第三版的lEC61158標準的頒布，在新版本中增加了三種基于以太網(wǎng)技術(shù)的新協(xié)議，將總線協(xié)議的標準增加到十一種，同時還有更多的基于以太網(wǎng)技術(shù)的新協(xié)議正積極努力加入到標準的協(xié)議集內(nèi)。

三、現(xiàn)場總線技術(shù)標準化進程的分析思考

分析用戶的需求，我們大致可以將用戶對現(xiàn)場總線的技術(shù)要求和期望分為以下三個層次：

1） 智能元器件與控制器（站）之間的互連互通，主要目的是替代傳統(tǒng)的I/O電纜。其要求是能傳送傳統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)，并附加傳送一些智能元件特有的告警和故障診斷信息。

2） 在傳送以上實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的基礎，用戶進一步的要求是希望通過網(wǎng)絡來進行集中的工程設計組態(tài)、程序動態(tài)修改下載以及元器件的遠程診斷和校準等。

3） 在互連互通的基礎上，用戶希望能夠在各種情況下“重構(gòu)”系統(tǒng)，如在元器件損壞更換、系統(tǒng)改擴建以及系統(tǒng)升級或部分升級等情況下，要求能夠無障礙地接入第三方的元件或新技術(shù)條件下的升級產(chǎn)品。

從以上用戶的需求上可以看出，用戶是希望通過現(xiàn)場總線技術(shù)，利用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊的手段實現(xiàn)各種智能元器件與控制器（站）之間的“互連”、“互通”、“互換”，但并沒有要求說所有這些功的必須在一個“單一”的統(tǒng)一網(wǎng)絡來實現(xiàn)。正如在Internet網(wǎng)絡上用戶希望實現(xiàn)電子郵件、文件下載、網(wǎng)絡瀏覽、網(wǎng)上游戲等服務，但這并沒有要求Internet網(wǎng)絡必須是一個“單一”的“同構(gòu)”網(wǎng)絡。

從通訊協(xié)議的構(gòu)筑模型上看，目前幾乎所有的通訊協(xié)議一般來說都是參照OSI的七層模型，但絕大多數(shù)協(xié)議都是從物理層開始“自底向上”自成一體地構(gòu)筑一個“垂直一體化”的協(xié)議棧，使得八種標準協(xié)議之間在任何層次上都很難“互連”、“互通”，更談不上“互換”功能。事實上制定OSI分層模型的目的是讓涵蓋不同技術(shù)元素不同發(fā)展變化速度的通訊實體分為相互獨立的層次，以使各層次既能夠相互結(jié)合成為一個端對端完整的協(xié)議棧，又能夠相互獨立發(fā)展而不互相制約。比如在我們最熟悉的Internet網(wǎng)絡協(xié)議簇中，因特網(wǎng)之所以能夠如此成功，就是以TCP/IP協(xié)議棧為核心，對上可以服務眾多不同的應用層協(xié)議（WWW、FTP、電子郵件等），向下則可在眾多不同的局域網(wǎng)（Ethernet、FDDI等）、廣域網(wǎng)（撥號網(wǎng)絡、X.25等）平臺上實現(xiàn)。

從某種意義上來說，現(xiàn)場總線技術(shù)的標準化進程出現(xiàn)目前困境的原因很大程度上可能是當初一開始就將“單一的垂直一體化的同構(gòu)網(wǎng)絡”這一過于“理想”的期望設定為技術(shù)標準的目標，結(jié)果不但不能達到目的，反而適得其反，出現(xiàn)了“群雄紛爭，互不兼容”的局面。

四、CIP協(xié)議架構(gòu)的啟發(fā)

CIP協(xié)議規(guī)范是疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種完全不同的網(wǎng)絡技術(shù)平臺之上的“與網(wǎng)絡硬件技術(shù)無關”的公共的“網(wǎng)絡傳輸層、應用層、用戶層”協(xié)議規(guī)范，也就是說它可以實現(xiàn)“異構(gòu)網(wǎng)絡”下的系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能。按照OSI七層通訊模型，CIP協(xié)議架構(gòu)下的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如下圖所示。

與其它現(xiàn)場總線技術(shù)通訊協(xié)議一個很大的不同就是有一個具有“網(wǎng)絡傳輸層”功能的“CIP Messaging”協(xié)議規(guī)范。其中最核心的部分就是將應用對象之間通訊關系抽象為“連接（Connection）”，并與之相應制定了應用對象的邏輯地址規(guī)范，從而使CIP協(xié)議可以不依賴于某一具體的網(wǎng)絡硬件技術(shù)，而是用邏輯對象地址來定義“連接（Connection）”關系。

并將某一種具體的網(wǎng)絡技術(shù)平臺抽象為與網(wǎng)絡接口相關的“物理鏈路對象（Link Object）”，這樣使得CIP協(xié)議在不同的網(wǎng)絡技術(shù)平臺上具體實現(xiàn)時唯一需要的接口就是與該網(wǎng)絡平臺相對應的“物理鏈路對象（Link Object）”，如“DeviceNet Link Object”、“ControlNet Link Object”和“Ethernet Link Object”等等，而其上層的協(xié)議都可不受影響并保持一致，這也就為在跨平臺的“異構(gòu)網(wǎng)絡”條件下實現(xiàn)系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能奠定了基礎。

更進一步，與其它眾多“自底向上”構(gòu)筑“垂直一體化”通訊協(xié)議的現(xiàn)場總線技術(shù)不同，它不是根據(jù)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層所能提供的通訊服務原語來定義“連接（Connection）”關系，而是“自頂向上”，根據(jù)來自“用戶層和應用層”的用戶和具體應用領域的實際數(shù)據(jù)通訊需求， 將“連接（Connection）”關系又細分定義為以下三種類型：

I/O Connection：主要是針對傳送用于監(jiān)視、控制等有一定的實時性要求的數(shù)據(jù)時的通訊關系，其中絕大部分應該是傳送傳統(tǒng)上用于實時監(jiān)控的I/O數(shù)據(jù)，故以此命名。這種“連接（Connection）”關系的特點是必須預先通過配置工具逐一對與該“連接（Connection）”相關聯(lián)的應用對象及整個數(shù)據(jù)鏈路上的各個節(jié)點進行配置和分配固定的資源后才能建立起來，其優(yōu)勢就是一旦建立起這一“連接（Connection）”，則所有加入這一通訊關系的應用對象之間已經(jīng)對數(shù)據(jù)內(nèi)容達成共識，因此所有傳送數(shù)據(jù)均為“元數(shù)據(jù)”，無需對數(shù)據(jù)類型或數(shù)據(jù)本身作任何標識說明或功能描述，傳輸效率最高，而且整個數(shù)據(jù)鏈路已預分配資源，傳輸可靠性也最高，所以可以滿足“實時”控制數(shù)據(jù)的傳送要求。

Explicit Message Connection：主要是針對傳送用于工程設計組態(tài)、集中管理維護、故障診斷調(diào)試等過程中所需傳送的非實時信息。它通常是通過點對點的報文傳送在兩個應用對象之間以相互交互的方式傳送，由于報文中的數(shù)據(jù)內(nèi)容會隨著雙方的狀態(tài)變化和交互過程而變化，因此報文本身必須同時攜帶對傳送數(shù)據(jù)的類型標識和功能描述，因此將其命名為“顯式報文連接（Explicit Message Connection）”。這種“連接（Connection）”關系的特點是通訊雙方的任何一方應用對象均可應自身的信息傳送需求動態(tài)發(fā)起和建立這種“連接（Connection）”關系，而且是“點對點”的“雙工”通訊模式，非常便于應用對象之間的“交互式對話”。通訊過程結(jié)束后即拆除“連接（Connection）”并回收資源，這一模式對“陣發(fā)式”信息類數(shù)據(jù)傳送是非常合適的。

Bridged Connection：由于在任何一個較大規(guī)模的系統(tǒng)中都不可能或不會將所有的控制元器件集中在一個物理網(wǎng)段中，即一般都可能配置成多個網(wǎng)段互連，可能是“同構(gòu)網(wǎng)段”，也可能是“異構(gòu)網(wǎng)段”。而當若有數(shù)據(jù)需從某一個網(wǎng)段傳送到另一網(wǎng)段時，不論是I/O數(shù)據(jù)還是Explicit Message，則其所要經(jīng)過的跨網(wǎng)段的中間節(jié)點（Bridge）必須承擔路由所需的“連接（Connection）”關系，實際上即是該節(jié)點必須在其內(nèi)部分別創(chuàng)建與每個網(wǎng)段“Link Object”相應的“背靠背”的“連接（Connection）”對象。

縱觀整個CIP協(xié)議規(guī)范，其中最具特色的是其“Connection”這一抽象對象，以及非常符合“控制和信息”傳送需求的“Connection”分類模型：“I/O Connection”、“Explicit Message Connection”、“Bridged Connection”。這使得CIP協(xié)議真正成為一個“與網(wǎng)絡硬件無關的具有路由功能的跨網(wǎng)絡的網(wǎng)絡通訊協(xié)議”，同時也使得它成為在“異構(gòu)網(wǎng)絡”環(huán)境下實現(xiàn)系統(tǒng)的“互連”、“互通”，直至“互換”功能的核心技術(shù)規(guī)范。

五、結(jié) 論

通過對目前各種現(xiàn)場總線技術(shù)通訊協(xié)議的研究分析認為，現(xiàn)場總線技術(shù)的標準不應該設定為一個從物理層/數(shù)據(jù)鏈路層直至應用層和用戶層的“垂直一體化”的單一標準，而應該是按照技術(shù)元素發(fā)展變化的特點，分層次構(gòu)筑各層次的既相互配合又相互獨立的技術(shù)標準，這樣既允許多種技術(shù)協(xié)議并存競爭，又能促進實現(xiàn)標準化進程的“互連”、“互通”，直至“互換”的目標。其核心部分或許可以放在與TCP/IP協(xié)議功能相當?shù)摹熬W(wǎng)絡傳輸層”，CIP協(xié)議規(guī)范中“連接（Connection）”這一模型是一個很好的范例。