引言

計算機軟、硬件技術發(fā)展是一個系統(tǒng)推進的過程。目前能夠用于工業(yè)控制設備的技術和軟、硬件資源非常豐富。 設計、研發(fā)出功能強大的新一代工業(yè)控制設備，構造滿足未來工業(yè)生產(chǎn)要求的自動化系統(tǒng)，目前正處于很好的時機。

已往控制設備分為PLC、DCS、FCS、工業(yè)控制計算機、專用嵌入式控制系統(tǒng)等。各種設備的控制原理本質是完全一致的，只是編程組態(tài)方法和I/O接口模塊聯(lián)接方法不同。我們可以將控制系統(tǒng)設備結構抽象成如下模型：

圖1 控制系統(tǒng)設備結構模型
從編程模型看，可將每一種設備抽象成如下結構：

圖2 每種設備抽象結構模型
新一代工業(yè)控制設備的設計目標是使用統(tǒng)一的編程組態(tài)開發(fā)工具軟件，使設備可以方便的實現(xiàn)I/O及網(wǎng)絡互聯(lián)。

從用戶角度出發(fā)，未來的自動控制設備最好能夠向現(xiàn)在通用計算機一樣，不同廠家生產(chǎn)的I/O模塊、控制板、獨立的可編程序控制器、人機接口能夠互相聯(lián)接，接收統(tǒng)一的編程和組態(tài)數(shù)據(jù)。設計出使用方便、功能強大的開發(fā)工具和制訂更多的開放標準是這種目標的重要技術手段。

1、編程語言

自動控制設備的編程語言是通用編程語言（如C或C++）無法替代的IEC61131-3給出了很好的解決方案。新型的自動化設備要求編程語言具有廣泛的適應性，8位、16位計算機芯片組成的控制器的應用是非常廣泛的。在8位、16位、32位計算機芯片之間使用共同的編程語言非常困難，但是新一代產(chǎn)品必須具備這一特性。解決這一問題方法是IEC61131-3的功能進行剪切。一種可行的方案是進行變量預分配。把VAR、VAR-INPUT、VAR-OUTPUT，VAR-IN-OUT，VAR-IXTERNAL，VAR-GLOBAL，VAR-ACCESS按照硬件資源在制造時一次分配完成。這樣既可以完全符合IEC61131-3的語法要求。又可以簡化簡單控制器的編程組態(tài)方法。

將IEC61131-3編程語言編譯成統(tǒng)一的組態(tài)數(shù)據(jù)非常重要，這樣才能夠在各種硬件設備中實現(xiàn)統(tǒng)一的開發(fā)編程工具。

編程語言應當適用網(wǎng)絡連接和現(xiàn)場總線設備的需要。IEC61131-5定義的通訊功能塊，對實時運行的網(wǎng)絡控制行為作了很好的抽象描述。這種抽象描述可以在各種網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線的應用層實現(xiàn)。新一代產(chǎn)品的編程語言應當支持這些功能塊，來實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡設備互聯(lián)。

新一代編程語言應突出事件控制功能。很多控制對象是長時間處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，在很短時間發(fā)生一次狀態(tài)變化后，又進入新的穩(wěn)定狀態(tài)。在網(wǎng)絡上按實時采樣方式進行監(jiān)控就可能丟失狀態(tài)變化描述。如果把這種行為封裝事件描述，就可以完整的記錄每一種狀態(tài)變化過程。

控制器與INTERNET聯(lián)接是必然的趨勢，否則，會使控制系統(tǒng)形成“信息孤島”，不利于未來的管控一體化集成。另外，實現(xiàn)與INEERNET的互聯(lián)，可以實現(xiàn)與通用數(shù)據(jù)庫的連接，避開實現(xiàn)專用實時數(shù)據(jù)庫所帶來的副作用。與INTERNET聯(lián)接很多種方案。從編程語言的角度看，是把IEC61131-3描述的變量翻譯成XML描述，實現(xiàn)與遠程WEB瀏覽器的互動?？梢詫⑦@種翻譯行為抽象成IEC61131-3功能塊。

2、網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線技術目前仍然處于不確定狀態(tài)。隨著以太網(wǎng)技術逐步被采用，我們有機會設計新一代具有多種網(wǎng)絡聯(lián)接和IEC61131-3編程能力的設備。從用戶使用方便的角度看，新型網(wǎng)絡與現(xiàn)場總線設備應當具有如下特征：

⑴ 允許以太網(wǎng)設備和其便于深入設備現(xiàn)場的現(xiàn)場總線設備實現(xiàn)互聯(lián)。
⑵ 所有網(wǎng)絡設備和現(xiàn)場總線具有IEC61131-3編程或組態(tài)能力。可以在網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線上對任何一個網(wǎng)絡設備進行透明編程組態(tài)和在線調試。
⑶ 允許廉價的8位、16位計算機芯片組成的控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡和現(xiàn)場總線接入，并且具有IEC61131-3編程或組態(tài)能力。
⑷ 統(tǒng)一、一致的開發(fā)組態(tài)工具。

實現(xiàn)以上特性是一種比較理想的狀態(tài)。從目前計算機軟件技術的發(fā)展水平來看，是完全可行的。只要有或組織克服商業(yè)風險持續(xù)開發(fā)就可以實現(xiàn)。

目前應用較廣的現(xiàn)場總線協(xié)議Profibus和FF的主要問題從物理層到應用層規(guī)定的細化，任何技術變化都會造成產(chǎn)品不兼容。結果是應用層的功能無法真正與IEC61131-3相一致，物理層和硬件又無法與主流的8位、16位嵌入式計算機芯片相融合。使Profibus和FF只能限制到特定應用領域。無法實現(xiàn)統(tǒng)一編程組態(tài)工具，也是目前已有的現(xiàn)場的主要缺點。將現(xiàn)場總線協(xié)議功能限定在網(wǎng)絡通訊服務，只抽象應用服務功能，不要把現(xiàn)場總線協(xié)議無限延伸。將具體的控制行為交給編程語言去實現(xiàn)，是目前開發(fā)以太網(wǎng)絡控制設備正確的選擇。當然，開發(fā)新一代現(xiàn)場總線產(chǎn)品也沒有必要完全放棄已有的成熟技術，比如：Profibus協(xié)議提供的FMS服務，就是一個很好的服務抽象。

為什么以太網(wǎng)技術受到自動控制設備制造商的重視？其根本原因是現(xiàn)有廉價資源可以充分利用。如有統(tǒng)一網(wǎng)絡（現(xiàn)場總線）服務協(xié)議標準，那么廉價的嵌入式計算機UART接口加RS485總線就是一種很好的總線標準，就可以實現(xiàn)8位、16位計算機芯片的廉價網(wǎng)絡聯(lián)接。CAN總線和IEC61158-2總線也應當獲得支持。如果能同時實現(xiàn)以太網(wǎng)、RS485網(wǎng)、CAN、IEC61158-2相互聯(lián)接，將大大地提高新一代控制設備的應用領域。

TCP/IP協(xié)議也是一個不能不討論的技術問題。本文認為TCP/IP協(xié)議是INTERNET的基礎。但是，在以太網(wǎng)用于實時控制時，通過TCP/IP再套上實時控制協(xié)議，將是產(chǎn)生幀沖突的根本原因。如果直接在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)現(xiàn)場總線通訊服務協(xié)議，就可以直接控制以太網(wǎng)的幀沖突，從而獲得時間確定性。這樣做的負作用是，使控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)INTERNET接入。為了解決這一問題，可以在需要INTERNET接入的設備中，插入第二塊以太網(wǎng)卡或其它網(wǎng)絡接口，來支持TCP/IP協(xié)議，使其專門用于INTERNET接入。

現(xiàn)場總線的通訊速率有多高就能滿足使用要求？本文認為對RS485聯(lián)接通訊速率，可以設定在192Kbps以下，IEC61158-2是31.25Kbps,CAN總線最高為1Mbps。這些通訊速率完全可以滿足現(xiàn)場設備的接入要求。如果還需要更高的接入速率，可以選擇以太網(wǎng)或用本文后面討論的USB I/O模塊替代。

限制現(xiàn)場總線速度的最大好處是，實現(xiàn)廉價的設備接入。因為大部分需要使用廉價現(xiàn)場總線設備的控制點一般在幾十個控制點以內，沒有合理價格，將影響用戶的使用。

還有一個影響通訊速率的因素是網(wǎng)絡終端設備自身的可編程能力。本文的設計目標就是將IEC61131-3的編程能力分配到各個網(wǎng)絡（現(xiàn)場總線）終端設備中。也就是實現(xiàn)現(xiàn)場控制。這將大大減少網(wǎng)絡上的通訊量，最大地利用有效通訊帶寬。也提高了整個系統(tǒng)的可靠性。