現場總線技術標準化的思考與CIP協議架構的啟發
一、現場總線技術的興起和市場動力
七十年代,微處理器技術的進步以及“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據通訊的計算機通訊網絡技術引入了工業自動化領域。但此時由于各自動化廠商的控制系統自成一體,網絡通訊只是其系統的內部功能之一,無需與外界進行數據交換。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、執行機構等工業現場控制器件不斷涌現，但各廠商根據所生產的元器件的特點而開發的數據通訊協議也是五花八門、種類繁多,單個的元器件似乎充滿了“智能”,但與控制系統集成時仍然只能沿用傳統的電纜接線一對一接入I/O接口板,并不能真正體現其“智能化”的優點。因此要將這些眾多不同廠商的“智能化”現場控制元器件集成為一個完全數字化的集散控制系統,公共開放的網絡通訊協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（包括PLC和DCS）的生產廠商基于其原先內部專用的網絡通訊技術紛紛提出了各種各樣開放程度不同的現場總線通訊協議標準,并隨著技術的進步不斷補充和完善。
二、現場總線技術標準化的現狀
從上世紀八十年代開始,美國儀表協會（ISA）和國際電工委員會（IEC）即已設立專門的機構來研究和提出現場總線技術標準。然而由于種種原因,經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議。隨著IT技術不斷向工業領域滲透,以太網（Ethernet）作為新的現場總線技術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技術的新協議,將總線協議的標準增加到十一種,同時還有更多的基于以太網技術的新協議正積極努力加入到標準的協議集內。
三、現場總線技術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場總線的技術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的I/O電纜。其要求是能傳送傳統的I/O數據,并附加傳送一些智能元件特有的告警和故障診斷信息。
2） 在傳送以上實時監控數據的基礎,用戶進一步的要求是希望通過網絡來進行集中的工程設計組態、程序動態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”系統,如在元器件損壞更換、系統改擴建以及系統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條件下的升級產品。
從以上用戶的需求上可以看出,用戶是希望通過現場總線技術,利用網絡數據通訊的手段實現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”的統一網絡來實現。正如在Internet網絡上用戶希望實現電子郵件、文件下載、網絡瀏覽、網上游戲等服務,但這并沒有要求Internet網絡必須是一個“單一”的“同構”網絡。
從通訊協議的構筑模型上看,目前幾乎所有的通訊協議一般來說都是參照OSI的七層模型,但絕大多數協議都是從物理層開始“自底向上”自成一體地構筑一個“垂直一體化”的協議棧,使得八種標準協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元素不同發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合成為一個端對端完整的協議棧,又能夠相互獨立發展而不互相制約。比如在我們最熟悉的Internet網絡協議簇中,因特網之所以能夠如此成功,就是以TCP/IP協議棧為核心,對上可以服務眾多不同的應用層協議（WWW、FTP、電子郵件等）,向下則可在眾多不同的局域網（Ethernet、FDDI等）、廣域網（撥號網絡、X.25等）平臺上實現。
從某種意義上來說,現場總線技術的標準化進程出現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網絡”這一過于“理想”的期望設定為技術標準的目標,結果不但不能達到目的,反而適得其反,出現了“群雄紛爭,互不兼容”的局面。
四、CIP協議架構的啟發
CIP協議規范是疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種完全不同的網絡技術平臺之上的“與網絡硬件技術無關”的公共的“網絡傳輸層、應用層、用戶層”協議規范,也就是說它可以實現“異構網絡”下的系統的“互連”、“互通”,直至“互換”功能。按照OSI七層通訊模型,CIP協議架構下的協議棧結構如下圖所示。
由以上示意圖可以看到,與其它現場總線技術通訊協議一個很大的不同就是有一個具有“網絡傳輸層”功能的“CIP Messaging”協議規范。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范,從而使CIP協議可以不依賴于某一具體的網絡硬件技術,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絡技術平臺抽象為與網絡接口相關的“物理鏈路對象（Link Object）”,這樣使得CIP協議在不同的網絡技術平臺上具體實現時唯一需要的接口就是與該網絡平臺相對應的“物理鏈路對象（Link Object）”,如“DeviceNet Link Object”、“ControlNet Link Object”和“Ethernet Link Object”等等,而其上層的協議都可不受影響并保持一致,這也就為在跨平臺的“異構網絡”條件下實現系統的“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”構筑“垂直一體化”通訊協議的現場總線技術不同,它不是根據物理層和數據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”,根據來自“用戶層和應用層”的用戶和具體應用領域的實際數據通訊需求, 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視、控制等有一定的實時性要求的數據時的通訊關系,其中絕大部分應該是傳送傳統上用于實時監控的I/O數據,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）”相關聯的應用對象及整個數據鏈路上的各個節點進行配置和分配固定的資源后才能建立起來,其優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對數據內容達成共識,因此所有傳送數據均為“元數據”,無需對數據類型或數據本身作任何標識說明或功能描述,傳輸效率最高,而且整個數據鏈路已預分配資源,傳輸可靠性也最高,所以可以滿足“實時”控制數據的傳送要求。
 Explicit Message Connection:主要是針對傳送用于工程設計組態、集中管理維護、故障診斷調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,由于報文中的數據內容會隨著雙方的狀態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據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發起和建立這種“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”。通訊過程結束后即拆除“連接（Connection）”并回收資源,這一模式對“陣發式”信息類數據傳送是非常合適的。
 Bridged Connection:由于在任何一個較大規模的系統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段中,即一般都可能配置成多個網段互連,可能是“同構網段”,也可能是“異構網段”。而當若有數據需從某一個網段傳送到另一網段時,不論是I/O數據還是Explicit Message,則其所要經過的跨網段的中間節點（Bridge）必須承擔路由所需的“連接（Connection）”關系,實際上即是該節點必須在其內部分別創建與每個網段“Link Object”相應的“背靠背”的“連接（Connection）”對象。
縱觀整個CIP協議規范,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協議真正成為一個“與網絡硬件無關的具有路由功能的跨網絡的網絡通訊協議”,同時也使得它成為在“異構網絡”環境下實現系統的“互連”、“互通”,直至“互換”功能的核心技術規范。
五、結論
通過對目前各種現場總線技術通訊協議的研究分析認為，現場總線技術的標準不應該設定為一個從物理層/數據鏈路層直至應用層和用戶層的“垂直一體化”的單一標準,而應該是按照技術元素發展變化的特點,分層次構筑各層次的既相互配合又相互獨立的技術標準,這樣既允許多種技術協議并存競爭,又能促進實現標準化進程的“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協議功能相當的“網絡傳輸層”,CIP協議規范中“連接（Connection）”這一模型是一個很好的范例。
七十年代,微處理器技術的進步以及“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據通訊的計算機通訊網絡技術引入了工業自動化領域。但此時由于各自動化廠商的控制系統自成一體,網絡通訊只是其系統的內部功能之一,無需與外界進行數據交換。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、執行機構等工業現場控制器件不斷涌現，但各廠商根據所生產的元器件的特點而開發的數據通訊協議也是五花八門、種類繁多,單個的元器件似乎充滿了“智能”,但與控制系統集成時仍然只能沿用傳統的電纜接線一對一接入I/O接口板,并不能真正體現其“智能化”的優點。因此要將這些眾多不同廠商的“智能化”現場控制元器件集成為一個完全數字化的集散控制系統,公共開放的網絡通訊協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（包括PLC和DCS）的生產廠商基于其原先內部專用的網絡通訊技術紛紛提出了各種各樣開放程度不同的現場總線通訊協議標準,并隨著技術的進步不斷補充和完善。
二、現場總線技術標準化的現狀
從上世紀八十年代開始,美國儀表協會（ISA）和國際電工委員會（IEC）即已設立專門的機構來研究和提出現場總線技術標準。然而由于種種原因,經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議。隨著IT技術不斷向工業領域滲透,以太網（Ethernet）作為新的現場總線技術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技術的新協議,將總線協議的標準增加到十一種,同時還有更多的基于以太網技術的新協議正積極努力加入到標準的協議集內。
三、現場總線技術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場總線的技術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的I/O電纜。其要求是能傳送傳統的I/O數據,并附加傳送一些智能元件特有的告警和故障診斷信息。
2） 在傳送以上實時監控數據的基礎,用戶進一步的要求是希望通過網絡來進行集中的工程設計組態、程序動態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”系統,如在元器件損壞更換、系統改擴建以及系統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條件下的升級產品。
從以上用戶的需求上可以看出,用戶是希望通過現場總線技術,利用網絡數據通訊的手段實現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”的統一網絡來實現。正如在Internet網絡上用戶希望實現電子郵件、文件下載、網絡瀏覽、網上游戲等服務,但這并沒有要求Internet網絡必須是一個“單一”的“同構”網絡。
從通訊協議的構筑模型上看,目前幾乎所有的通訊協議一般來說都是參照OSI的七層模型,但絕大多數協議都是從物理層開始“自底向上”自成一體地構筑一個“垂直一體化”的協議棧,使得八種標準協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元素不同發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合成為一個端對端完整的協議棧,又能夠相互獨立發展而不互相制約。比如在我們最熟悉的Internet網絡協議簇中,因特網之所以能夠如此成功,就是以TCP/IP協議棧為核心,對上可以服務眾多不同的應用層協議（WWW、FTP、電子郵件等）,向下則可在眾多不同的局域網（Ethernet、FDDI等）、廣域網（撥號網絡、X.25等）平臺上實現。
從某種意義上來說,現場總線技術的標準化進程出現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網絡”這一過于“理想”的期望設定為技術標準的目標,結果不但不能達到目的,反而適得其反,出現了“群雄紛爭,互不兼容”的局面。
四、CIP協議架構的啟發
CIP協議規范是疊加在ControlNet、DeviceNet和EtherNet這三種完全不同的網絡技術平臺之上的“與網絡硬件技術無關”的公共的“網絡傳輸層、應用層、用戶層”協議規范,也就是說它可以實現“異構網絡”下的系統的“互連”、“互通”,直至“互換”功能。按照OSI七層通訊模型,CIP協議架構下的協議棧結構如下圖所示。
由以上示意圖可以看到,與其它現場總線技術通訊協議一個很大的不同就是有一個具有“網絡傳輸層”功能的“CIP Messaging”協議規范。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范,從而使CIP協議可以不依賴于某一具體的網絡硬件技術,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絡技術平臺抽象為與網絡接口相關的“物理鏈路對象（Link Object）”,這樣使得CIP協議在不同的網絡技術平臺上具體實現時唯一需要的接口就是與該網絡平臺相對應的“物理鏈路對象（Link Object）”,如“DeviceNet Link Object”、“ControlNet Link Object”和“Ethernet Link Object”等等,而其上層的協議都可不受影響并保持一致,這也就為在跨平臺的“異構網絡”條件下實現系統的“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”構筑“垂直一體化”通訊協議的現場總線技術不同,它不是根據物理層和數據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”,根據來自“用戶層和應用層”的用戶和具體應用領域的實際數據通訊需求, 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視、控制等有一定的實時性要求的數據時的通訊關系,其中絕大部分應該是傳送傳統上用于實時監控的I/O數據,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）”相關聯的應用對象及整個數據鏈路上的各個節點進行配置和分配固定的資源后才能建立起來,其優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對數據內容達成共識,因此所有傳送數據均為“元數據”,無需對數據類型或數據本身作任何標識說明或功能描述,傳輸效率最高,而且整個數據鏈路已預分配資源,傳輸可靠性也最高,所以可以滿足“實時”控制數據的傳送要求。
 Explicit Message Connection:主要是針對傳送用于工程設計組態、集中管理維護、故障診斷調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,由于報文中的數據內容會隨著雙方的狀態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據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發起和建立這種“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”。通訊過程結束后即拆除“連接（Connection）”并回收資源,這一模式對“陣發式”信息類數據傳送是非常合適的。
 Bridged Connection:由于在任何一個較大規模的系統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段中,即一般都可能配置成多個網段互連,可能是“同構網段”,也可能是“異構網段”。而當若有數據需從某一個網段傳送到另一網段時,不論是I/O數據還是Explicit Message,則其所要經過的跨網段的中間節點（Bridge）必須承擔路由所需的“連接（Connection）”關系,實際上即是該節點必須在其內部分別創建與每個網段“Link Object”相應的“背靠背”的“連接（Connection）”對象。
縱觀整個CIP協議規范,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協議真正成為一個“與網絡硬件無關的具有路由功能的跨網絡的網絡通訊協議”,同時也使得它成為在“異構網絡”環境下實現系統的“互連”、“互通”,直至“互換”功能的核心技術規范。
五、結論
通過對目前各種現場總線技術通訊協議的研究分析認為，現場總線技術的標準不應該設定為一個從物理層/數據鏈路層直至應用層和用戶層的“垂直一體化”的單一標準,而應該是按照技術元素發展變化的特點,分層次構筑各層次的既相互配合又相互獨立的技術標準,這樣既允許多種技術協議并存競爭,又能促進實現標準化進程的“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協議功能相當的“網絡傳輸層”,CIP協議規范中“連接（Connection）”這一模型是一個很好的范例。
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