引言

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

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

圖1 控制系統設備結構模型
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
新一代工業控制設備的設計目標是使用統一的編程組態開發工具軟件，使設備可以方便的實現I/O及網絡互聯。

從用戶角度出發，未來的自動控制設備最好能夠向現在通用計算機一樣，不同廠家生產的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接，接收統一的編程和組態數據。設計出使用方便、功能強大的開發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方法。

將IEC61131-3編程語言編譯成統一的組態數據非常重要，這樣才能夠在各種硬件設備中實現統一的開發編程工具。

編程語言應當適用網絡連接和現場總線設備的需要。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絡和現場總線的應用層實現。新一代產品的編程語言應當支持這些功能塊，來實現不同的網絡設備互聯。

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定狀態，在很短時間發生一次狀態變化后，又進入新的穩定狀態。在網絡上按實時采樣方式進行監控就可能丟失狀態變化描述。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變化過程。

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

2、網絡與現場總線

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

⑴ 允許以太網設備和其便于深入設備現場的現場總線設備實現互聯。
⑵ 所有網絡設備和現場總線具有IEC61131-3編程或組態能力。可以在網絡和現場總線上對任何一個網絡設備進行透明編程組態和在線調試。
⑶ 允許廉價的8位、16位計算機芯片組成的控制器實現網絡和現場總線接入，并且具有IEC61131-3編程或組態能力。
⑷ 統一、一致的開發組態工具。

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

目前應用較廣的現場總線協議Profibus和FF的主要問題從物理層到應用層規定的細化，任何技術變化都會造成產品不兼容。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。無法實現統一編程組態工具，也是目前已有的現場的主要缺點。將現場總線協議功能限定在網絡通訊服務，只抽象應用服務功能，不要把現場總線協議無限延伸。將具體的控制行為交給編程語言去實現，是目前開發以太網絡控制設備正確的選擇。當然，開發新一代現場總線產品也沒有必要完全放棄已有的成熟技術，比如：Profibus協議提供的FMS服務，就是一個很好的服務抽象。

為什么以太網技術受到自動控制設備制造商的重視？其根本原因是現有廉價資源可以充分利用。如有統一網絡（現場總線）服務協議標準，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8位、16位計算機芯片的廉價網絡聯接。CAN總線和IEC61158-2總線也應當獲得支持。如果能同時實現以太網、RS485網、CAN、IEC61158-2相互聯接，將大大地提高新一代控制設備的應用領域。

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

現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，可以選擇以太網或用本文后面討論的USB I/O模塊替代。

限制現場總線速度的最大好處是，實現廉價的設備接入。因為大部分需要使用廉價現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絡（現場總線）終端設備中。也就是實現現場控制。這將大大減少網絡上的通訊量，最大地利用有效通訊帶寬。也提高了整個系統的可靠性。