1.前言

    當(dāng)今，工業(yè)自動化已經(jīng)擴(kuò)展到工廠企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計過程，管理過程，以及企業(yè)間的資源分配與優(yōu)化，生產(chǎn)過程中的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS）。制造業(yè)在經(jīng)濟(jì)中處于支柱地位。2000年的權(quán)威統(tǒng)計，以制造業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)，在我國經(jīng)濟(jì)中約占50%。

    在上個世紀(jì)90年代后期，西方發(fā)達(dá)國家企業(yè)開始實現(xiàn)信息化。國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀是基礎(chǔ)信息化遠(yuǎn)未完成，少數(shù)企業(yè)實現(xiàn)了信息集成CIMS，極少數(shù)企業(yè)開始進(jìn)入全球信息化。現(xiàn)代企業(yè)信息化的主要技術(shù)特征是：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、集成化、綠色化。運用工業(yè)自動化技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)以提高經(jīng)濟(jì)效益為總目標(biāo)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的改造，成為提高國力的主要手段之一。提升改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)；一是軟件技術(shù)，二是硬件技術(shù)，三是集成技術(shù)。目前我國在電力、鋼鐵、煉油、石化、化工、造紙等工業(yè)，擁有上百套的集散控制系統(tǒng)（DCS）在運行。在36條生產(chǎn)線上的試點，證明效益都非常好。如寶鋼冷軋廠用計算機控制系統(tǒng)改造，投資了1300萬元，項目完成投產(chǎn)后，整個冷軋廠的效益，使產(chǎn)值增加6個億，純經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2380萬元。

    2.工廠企業(yè)管控一體的解決方案

    工廠企業(yè)管控一體化，從網(wǎng)絡(luò)角度看，通常分為三層。最上層為internet互聯(lián)網(wǎng)，中層與底層均為工廠企業(yè)內(nèi)部的以太網(wǎng)（或intranet）和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。
 
    隨著時間的推移、技術(shù)的進(jìn)步、計算機集成制造系統(tǒng)CIMS從原來主要內(nèi)容：CAD、CAM、FMS、MIS、OA、已經(jīng)擴(kuò)展到精良生產(chǎn)LP、敏捷制造AM、虛擬制造VM、企業(yè)資源規(guī)劃ERP、企業(yè)流程改造BPR、客戶關(guān)系管理CRM…極大的豐富了CIMS的內(nèi)涵。這一切都依賴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。同時，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、也是重要的組成部分。世界上許多大的跨國公司以極大的商業(yè)熱情，推出了針對企業(yè)（工廠）的管理與控制一體化解決方案。

    Intellntion公司推出基于iHistoriau歷史與實時數(shù)據(jù)庫為核心的解決方案。

    艾默生過程管理（原費希爾?羅斯蒙特公司）推出了工廠管控網(wǎng)PlantWeb。它不僅提供過程控制，同時提供設(shè)備管理和與其他系統(tǒng)的集成。

    Wonderwaer公司推出了Archestr A。它將Factory Syite的管理控制、制造執(zhí)行、批量管理等集成度帶到一個新水平。為企業(yè)的信息管理網(wǎng)絡(luò)提供生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)。

    西門子公司憑供著強大的軟件（wincc）、硬件PLC、IPC、SCADA與現(xiàn)場總線Profibus的支持推出了SIMATIC全集成自動化方案。

    羅克韋爾自動化推出的NetLinx是一個可調(diào)節(jié)的全方位網(wǎng)絡(luò)解決方案。Ether Net/IP、控制網(wǎng)（controlNet）設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet）和基金會現(xiàn)場總線（FF）都是NetLinx結(jié)構(gòu)體系的一部分。

    當(dāng)然，國內(nèi)和利時公司也提出了企業(yè)管控一體全方位解決方案。

    最有特色的是美國風(fēng)河公司（Wind River）推出的，對工廠企業(yè)管控一體化開發(fā)者提供的解決方案。

    3. 工廠企業(yè)管控一體開發(fā)者的解決方案

    工廠企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)以太網(wǎng)不但要有辦公自動化的功能，還要有工業(yè)自動化中的指令控制功能。

    1、工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP

    ①Ethernet（IEEE802．3協(xié)議）

    Ethernet進(jìn)入市場已有20年了，在辦公自動化和工業(yè)界獲得了廣泛的應(yīng)用。Ethernet用于自動控制中，由于它的MAC層協(xié)議CSMA/CD，各個節(jié)點來用BEB（Binary
Exponential Back-off）算法處理，具有排隊延遲不確定性的缺陷，無法保證確定的排隊延遲，使之無法在工業(yè)控制中得到有效地使用。（在通訊過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包）。

    針對丟包的缺陷，隨著技術(shù)的進(jìn)步，Etnernet發(fā)展到千兆（KM）階段，Ethernet增加了雙工通信技術(shù)，交換技術(shù)，信息優(yōu)先級等提高實時性。同時Ethernet改進(jìn)了容錯技術(shù)。全球成立了工業(yè)Ethernet聯(lián)盟(indusrtial
Ethernet Alliance)即IEA。其目的是建立工業(yè)控制Ethernet產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。由此出現(xiàn)了Ether Net/IP。

    ②EtherNet/IP

    EtherNet/IP由兩部分組成，其中EtherNet是廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)通信技術(shù)（包括芯片、物理介質(zhì)和應(yīng)用基礎(chǔ)等），而IP指的是工業(yè)協(xié)議（industrial
protocol）。與其他眾多的工業(yè)以太網(wǎng)方案不同，EtherNet/IP采用了開放的應(yīng)用層，許多現(xiàn)場總線和廠商組織都支持它的標(biāo)準(zhǔn)。

    EtherNet/IP實際上是一種TCP/IP的工業(yè)擴(kuò)展，因為它采用在普通應(yīng)用層上的TCP/IP封裝，使工業(yè)設(shè)備節(jié)點在以太網(wǎng)信息里將數(shù)據(jù)封裝起來，而后該節(jié)點將帶有TCP/IP的信息擴(kuò)展到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層。這個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層，EtherNet/IP與廠商軟件產(chǎn)品的結(jié)合點就是OPC技術(shù)。OPC技術(shù)在工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP中的出現(xiàn)，大大改進(jìn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的開放性的互操作性。帶TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的EtherNet/IP接口，現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和I/O模塊中使用。它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進(jìn)行直接地、無縫連接、而無需任何專用設(shè)備。

    EtherNet/IP同時受到Control Net和Device Net總線標(biāo)準(zhǔn)的支持。Control
Net與Device Net做為現(xiàn)場總線，分別由CI和ODVA兩個組織來管理技術(shù)和推廣。全球有700多個大廠商在支持，EtherNet/IP的協(xié)議由CI和ODVA兩個組織共同管理，并通過CI、ODVA和IEA對開發(fā)者進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和支持，而且免費提供一些應(yīng)用代碼。

    2、Wind River為企業(yè)管控一體開發(fā)者提供的解決方案

    （1）風(fēng)河（Wind River）系統(tǒng)公司的工業(yè)自動化開發(fā)軟件Tornado與羅克韋爾自動化公司的Ether
Net/IP主程序庫，進(jìn)行以太網(wǎng)/工業(yè)協(xié)議（ethernet/industrial protocol）技術(shù)集成。該技術(shù)將使許多以太網(wǎng)/工業(yè)協(xié)議設(shè)備，如控制器、I/O、驅(qū)動器、自動設(shè)備、操作界面、監(jiān)控站…的開發(fā)大為簡化。為保證工業(yè)設(shè)備協(xié)同工作，EtherNet/IP使目標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層，通用對象模型和通用設(shè)備描述，容納在設(shè)備網(wǎng)和控制網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)河公司與羅克韋爾自動化均為開放設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會（ODVA與CI）的成員。Wind
River規(guī)范由ODVA和CI來維護(hù)。

    EtherNet/IP主程序庫提供給開發(fā)者一組完整的函數(shù)，這些函數(shù)可以使開發(fā)者的產(chǎn)品具有TCP/IP之上的控制和信息協(xié)議（CIP）連通性，在EtherNet/IP規(guī)范中有具體的說明。這些函數(shù)使開發(fā)者不需要了解詳細(xì)的以太網(wǎng)協(xié)議的知識，就可以進(jìn)行EtherNet/IP產(chǎn)品的開發(fā)。

    （Wind River）風(fēng)河系統(tǒng)公司對于企業(yè)管控一體開發(fā)者提供的解決方案，就是基于Tornado、VxWorks、VxOPC、WindNet
Device Net、EtherNet/IP（TCP/IP）的集成。Tornado的設(shè)計使得嵌入式工業(yè)設(shè)備開發(fā)者的重點，由開放技術(shù)的集成轉(zhuǎn)為應(yīng)用程序本身的開發(fā)，從而更加適應(yīng)市場的需求。

    在Ether Net/Ip層的管控設(shè)備中嵌入風(fēng)河公司VxWorks5.4實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），它可以對事件進(jìn)行實時處理。既使了解可能在無法預(yù)知的時刻到來，它也能夠在嚴(yán)格的時間限制內(nèi)作出響應(yīng)。同時VxWorks5.4支持很多的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（ATM、OSPF、MPLS、NAT、PPPOE、PPP……），

    并能夠根據(jù)用戶的需求，進(jìn)行組合。其開放式的結(jié)構(gòu)和對工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持，使開發(fā)者只需要做最少的工作，就可以設(shè)計出有效的，適合工程要求的系統(tǒng)。它有極強的制定性。

    （2）、以下簡要介紹VxWorks系列相關(guān)的幾個功能產(chǎn)品軟件。

    ①VxWorks 5.4

    VxWorks是嵌入式開發(fā)平臺TornadoⅡ的運行期組件，也是嵌入行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。

    TornadoⅡ是向用戶提供的全集成、簡便運行的VxWorks仿真器。它運行于主機開發(fā)系統(tǒng)中。Tornado可以獨立于BSP通信、獨立于操作系統(tǒng)配置。甚至獨立于目標(biāo)硬件，從而可以立即開始應(yīng)用程序的開發(fā)。這是大大方便于初用者。他們借此可以立即運用功能強大的Tornado開發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建應(yīng)用程序。TornadoⅡ集成開發(fā)環(huán)境（IDE）從根本上消除了配置VxWorks的學(xué)習(xí)曲線過程。縮短時間的關(guān)鍵，就在于具備自動裁減功能。這個功能可以分析用戶應(yīng)用代碼并自動裁減VxWorks操作系統(tǒng)，辯識可以完全清除的組件。Tornado獨道之處，在于它可以在各種目標(biāo)系統(tǒng)資源下，所有開發(fā)工具在不同的應(yīng)用開發(fā)階段都可以使用。

    VxWorks擁有超過1800個功能強大的應(yīng)用程序接口（API），具有很強的靈活性，適應(yīng)從最簡單到最復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計，有很好可升級性。VxWorks從汽車防抱死（ABS）系統(tǒng)，到宇宙飛船，空間探測器等，各種關(guān)鍵應(yīng)用中均可使用，具備極高的可靠性。它能夠在所有常見的CPU上運行。

    VxWorks RTOS具有高效率的微內(nèi)核Wind，微核支持所有的實時功能，包括多任務(wù)，中斷功能，搶先和輪轉(zhuǎn)調(diào)度功能。同時微核能使系統(tǒng)開銷達(dá)到最小，對外部事件可做出迅速確定性的響應(yīng)。

    VxWorks是第一個集成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)工具的實時操作系統(tǒng)。它既符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，又為實時應(yīng)用專門進(jìn)行了優(yōu)化。

    易于移植到特定硬件上，是VxWorks的應(yīng)用成功所在的特點。硬件依賴層稱為主板支持包（BSP）。執(zhí)行VxWorks的任何目標(biāo)主板都需要BSP。BSP使得開者能夠在特定硬件上，輕松地使用VxWorks，向開發(fā)者提供的BSP已超過200個。開發(fā)者可從自由選擇目標(biāo)機的驅(qū)動程序。VxWorks
5.4支持16位、32位CPU：Power PC、68K CPU、X86和Pentium、 i960、MIPS、NEC V8xx、SPARC、SH、ST20…。

    ②Vx OPC

    OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成。OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺微機之間交換文檔，圖形等對象。COM是所有OLE機制的基礎(chǔ)，COM是一種為了實現(xiàn)與編程語言無關(guān)的對象而制定的標(biāo)準(zhǔn)。COM的擴(kuò)展，稱為DCOM，通過DCOM技術(shù)和OPC標(biāo)準(zhǔn)，完全可以創(chuàng)建一個開放的，可互操作的控制系統(tǒng)軟件。OPC標(biāo)準(zhǔn)是由OPC基金會建立。它采用了客戶機與服務(wù)器的模式。

    風(fēng)河公司是OPC基金會成員。OPC規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已得到全球工廠自動化和流程工業(yè)控制解決方案領(lǐng)域的大多數(shù)供應(yīng)商的廣泛采用。例如：西門子，N1、intellution、費希爾、羅斯蒙特、Wonderwaer等等。

    風(fēng)河公司的Vx OPC解決方案，實施了OPC規(guī)范，這種標(biāo)準(zhǔn)接口能實現(xiàn)自動執(zhí)行/控制應(yīng)用、現(xiàn)場設(shè)備以及商業(yè)/辦公室應(yīng)用之間的互操作性。Vx
OPC能為開放者大大縮短開發(fā)基于OPC的行業(yè)測量和控制應(yīng)用程序的時間。Vx OPC不但提供源代碼，還包含OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器和Win32應(yīng)用程序接口（API）的交互式客戶機樣例，這種接口可用于測式和調(diào)試OPC服務(wù)器的實施過程。

    Vx OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器是一種靈活、有效的32位多線程接口，可通過擴(kuò)展、適應(yīng)大小應(yīng)用。借數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器接口，應(yīng)用可以很容易地在不同的時間，以不同的響應(yīng)和解決時間要求，通過網(wǎng)絡(luò)訪問許多數(shù)據(jù)子集。數(shù)據(jù)訪問的實現(xiàn)可以不依賴于子系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

    Vx OPC解決方案適合與VxWorks和Vx DCOM一起使用。它們可以擴(kuò)展并為基于VxWorks的嵌入式應(yīng)用實施DCOM。當(dāng)以COM/DCOM技術(shù)通信基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)類型傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)時，VxDCOM可保證其兼容性。因此，VxOPC不但能夠為工廠自動化和流程工業(yè)控制系統(tǒng)，提供真正的分布式解決方案，還能順利集成在分布式設(shè)備――無論它們是基于PC的設(shè)備還是基于VxWorks的嵌入式設(shè)備。

    VxOPC交互式客戶機工具，使開發(fā)人員能很容易地為其基于VxOPC的應(yīng)用訪問數(shù)據(jù)記錄。交互式工具能夠在PC客戶機（用于測試和調(diào)度VxOPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器）上實施OPC客戶機接口，或者向新老應(yīng)用添加OPC接口。這個工具提供源代碼，因此設(shè)計者可以根據(jù)自已目的進(jìn)行修改。

    VxOPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器和VxOPC交互式客戶機工具與Tornado平臺緊密集成在一起，因而快速生成嵌入式應(yīng)用。供助Tornado集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的項目設(shè)施，開發(fā)者可以快速地組合實施符合特殊應(yīng)用要求的VxOPC、VxDCOM和VxWorks。VxOPC交互式客戶機軟件為Tornado環(huán)境添加了OPC專用調(diào)試工具，使Tornado
IDE成為形成基于VxWorks的OPC設(shè)備的完整工具解決方案。

    VxOPC對于系統(tǒng)要求：▲TornadoⅡ/Vxworks 5.4▲VxDCOM▲MSVC5.0或VisualStudio6.0▲Windows
98/NT主機支持。

    VxOPC支持的目標(biāo)：X86系列CPU▲ i960系列▲ARM系列▲MIP系列▲Power
PC▲68K/CPU32系列▲SPARC系列。

    ③Wind Net Device Net

    風(fēng)河公司支持Device Net現(xiàn)場總線設(shè)備網(wǎng)。

    風(fēng)河的Tornado for industrial Automation――Device
Net開發(fā)平臺，提供了完整的嵌入式軟件解決方案，用于開發(fā)基于市場第一位的VxWorks實時操作系統(tǒng)的，完整兼容Device Net客戶機和服務(wù)器的設(shè)備。隨著制造業(yè)和工業(yè)自動化工藝日益變得繁多而復(fù)雜，業(yè)界用戶要求開發(fā)者，制造更加智能化的現(xiàn)場設(shè)備，以便通過不斷擴(kuò)大分布式控制網(wǎng)絡(luò)，來發(fā)送實時數(shù)據(jù)。Device
Net成為開放的標(biāo)準(zhǔn)通訊網(wǎng)絡(luò)的一員。Device Net有利于低端智能現(xiàn)場設(shè)備如傳感器、閥門、開關(guān)、電機、驅(qū)動與傳動設(shè)備和高端設(shè)備（控制器）PLC、工控機（IPC與PC/104等）之間的連接與通信。

    風(fēng)河的Tornado for industrial Automation――Device
Net軟件提供了一種經(jīng)過預(yù)先嚴(yán)格集成和測試的解決方案。包括VxWorksRTOS、Tornado集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和工具、以及Wind
Net Device Net協(xié)議堆棧。這些部件使開發(fā)者能夠?qū)⒕械介_發(fā)增值應(yīng)用軟件和縮短產(chǎn)品上市的時間上。

    Wind Net Device Net是風(fēng)河公司對“開放型Device Net廠家協(xié)會（ODVA）”Device
Net規(guī)范2.04版本的具體實施。它允許開發(fā)者設(shè)計基于VxWorks RTOS的Device Net工業(yè)應(yīng)用程序。WindNet
DeviceNet是專為VxWorks RTOS優(yōu)化的源代碼產(chǎn)品，現(xiàn)有的Device Net產(chǎn)品和功能可進(jìn)行單獨擴(kuò)展，并可創(chuàng)建用戶定義的新目標(biāo)，快速開發(fā)和集成設(shè)備的專用功能。協(xié)議堆既可以啟動服務(wù)器/客戶機操作模式，也可同時啟動服務(wù)器/客戶機設(shè)備操作模式。實施過程的模塊化和優(yōu)化，使其完全適于資源缺乏的嵌入式的工業(yè)設(shè)備。

    Wind Net Device Net堆棧執(zhí)行ODVA Device Net規(guī)范中所描述的諸多特性。Tornado IDE使開發(fā)者能夠方便地將顯示消息、I/O消息（查詢位選通、COS/CYCLIS）、顯示和I/O消息分段、UCMM顯示消息、設(shè)備停機消息、雙重MAC地址校驗、應(yīng)答處理和設(shè)備核消息等結(jié)合在一起。這些能力是作為Device
Net服務(wù)器/客戶機設(shè)備的，基本特征提供的。堆棧也支持125、250和500Kbps數(shù)據(jù)傳輸率。另外，采用了新的ODVA Devicee
Net協(xié)議一致性測試軟件、Wind Net Device Net協(xié)議堆棧已實現(xiàn)質(zhì)量工程化，故而便于開發(fā)者用自己的設(shè)備通過一致性測試。

    Wind Net Device Net應(yīng)用程序向?qū)В归_發(fā)者通過一系列的配置步驟確定設(shè)備功能參數(shù)，并給項目配以適當(dāng)?shù)奈募O(shè)備特性包括設(shè)備配置參數(shù)的定義和適合那些參數(shù)的公共界面。項目包括建立應(yīng)用所需要的所有文件索引。應(yīng)用程序向?qū)Ш喕丝傮w開發(fā)過程。

    CAN驅(qū)動程序是Wind Net Device Net備有專為VxWorksRTOS設(shè)計和優(yōu)化的CAN驅(qū)動程序。CAN控制器軟件以源代碼方式提供，并用API文件說明，以便于其應(yīng)用新的CAN控制器硬件。

    Wind Ner Device Net備有大量的樣例文件說明和源代碼樣例。樣例可在幾分鐘內(nèi)運行。這是使開發(fā)者能很快熟悉開發(fā)環(huán)境，并開發(fā)出自已的Device
Net專用程序。

    總之，在工廠企業(yè)管控一體網(wǎng)絡(luò)的低端設(shè)備，IPC、PLC、變送器、閥門、開關(guān)、電機、驅(qū)動與傳動設(shè)備中嵌入VxWorks實時操作系統(tǒng)，支持現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。使得工廠企業(yè)管控一體化解決方案中的事件得到實時處理，保證了整個系統(tǒng)的可靠性和高可用性。

    4、結(jié)束語

    綜上所述，工廠企業(yè)管控一體化中，風(fēng)河公司向開發(fā)者提供了一個非常實時可靠處理事件發(fā)生的高可用的解決方案。它在中層網(wǎng)絡(luò)和低端網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備中都嵌入可裁剪的VxWorks實時操作系統(tǒng)，為開發(fā)者提供具有具體工廠企業(yè)個性管控一體化的解決方案。

    自從風(fēng)河公司進(jìn)入中國以后，通過這幾年的發(fā)展，已擁有了龐大的用戶群和一支成熟的技術(shù)支持隊伍。服務(wù)基本上覆蓋了全國各主要區(qū)域。同時風(fēng)河公司也在北京、上海、深圳分別設(shè)立了辦事處，更好地對客戶進(jìn)行支持。目前，整個技術(shù)隊伍已有近百人，并且還在不斷的壯大之中。