引言 基于开放的、标准化的全集成自动化技术的发展正不断的推动着现代制造业的技术进步和生产力提升。工程师们已经不满足于简单的将自动化控制系统中的I/O信号通过现场总线布置到生产设备旁边。越来越多的用户已经开始考虑如何将更多的设备，比如人机界面、驱动设备、数控设备、现场仪表通过基于现场总线（PROFIBUS总线）或者以太网的平台连接在一起。并且能够使用一个单一的、开放的工程工具对所有的设备进行编程、组态和远程诊断。对于那些生产规模不断扩大、管理水平不断提高的用户还在考虑在适当的时候，通过MES系统将其自动化控制系统和企业资源规划系统（ERP）整合到一起。 因此研发部门的工程师将更多的精力投放到设备之间的互通互联技术上来。 全集成自动化平台有下面三个特征： 1． 采用开放的、标准化的通信平台来构造。从而满足系统最大限度的开放性和通用性。 2． 采用统一的、一致的数据库来管理过程变量。从而使数据定义和数据管理达到系统级的一致性和实时性。 3． 采用单一的、开放的工程工具来管理。从而使编程、组态和诊断可以在一个统一的软件平台上实现。减小工程师的培训费用和学习掌握的时间。 现场总线技术的发展 现场总线技术是近几年自动化领域中发展最快的热门学科。其中尤以PROFIBUS的发展最为瞩目。根据国际PROFIBUS用户组织PI的资料，到2002年底全世界已经有23个PROFIBUS区域性组织，有1000多个厂商推出了超过2000种基于PROFIBUS总线产品，在全世界有超过500万个安装节点。 在2001年的发布的PROFIBUS协议功能扩充版本DP－V2中，实现了从站节点之间通信(Slave to Slave)、同步模式 (Isochronous Mode)、时间日期管理和时间戳(Time Stamp)以及在系统运行中更改远程站参数的功能。 基于PROFIBUS 的总线驱动技术PROFI-drive和故障安全通信技术PROFI-safe也逐渐成为工程师提升自动化系统运动控制水平和系统安全性的有力武器。 最新发布的ProfiNet规范首次明确了PROFIBUS和工业以太网之间数据交换的格式。基于此，跨厂商、跨平台的系统通信问题得到了彻底的解决。PROFInet技术基于开放、智能的分布式自动化设备，将成熟的PROFIBUS现场总线技术的数据交换技术和基于工业以太网的通信技术整合到一起，定义了一个满足IT标准的统一的通信模型。同时PROFIne技术还提供了一种全新的工程方法，即基于组件的自动化技术。 开放性、集成性―――来自最终用户的需求 用户的每一笔投资都希望得到最大限度的回报。来自现场的工程师最不能忍受的就是要在两个不同系统、不同总线平台之间寻找数据交换的可能性。那些不能公开控制系统现场通信协议、互通互联性差的设备制造商会被用户拒之门外。用户会在项目的一开始就确定一个统一的、开放的现场总线标准，以此来要求设备供应商，并确保将来的系统可以方便的集成在一起并易于升级和扩展。 在工程师把现场总线标准写进项目标书和通用技术规范的时候，考虑最多的就是这一现场总线标准的市场占有率、技术先进性、支持厂商的多寡以及实施的难易程度。 在比重更大的技术改造和生产能力提升项目中，可移植性和可继承性会促使用户在项目规划过程中倾向于全集成自动化带来的开放性和集成性。 严格意义上讲，工程师在考虑采购设备时对于“好不好连”比“能不能连”更为关心。无论是在现场总线层面还是在工业以太网层面，设备之间的物理连通仅仅是第一步。完善的工程组态工具和统一的过程数据管理软件能够确保自动化系统迅速可靠的投入运行，同时有效的降低工程费用和缩短工程周期。 模块化、标准化―――来自设备制造商的需求 每一个用户都会对设备制造商提出不同的需求。在日益激烈的市场竞争面前，所有的设备制造商都会“按需制造”。但是为了降低设计、研发和制造费用，标准化和模块化是一条必经之路。在机械设备的结构上，通常采用系列化标准件、机械装配法生产。但是在电气控制系统上如何实现模块化、标准化呢？ 定义模块化和标准化的控制系统应该符合下述条件： 1． 自动化系统（电控）应该包含独立、完整的控制程序。系统按照预先设定好的程序，能够独立运行，完成特定的工艺功能。在运行过程中，与外界的数据交换不会影响本地控制。 2． 自动化系统（电控）应该包含所有本地的输入输出设备，其中包括强电的驱动设备。 3． 自动化系统（电控）应该具有标准的通信接口和数据接口。通过这些接口，不同工艺模块单元之间可以非常方便的交换数据和信息。 需要指出的是，在目前技术水平下数据接口和数据交换通常意味着大量的现场编程工作。 数据接口的工作包含两个部分： 首先要解决的是数据通信的物理接口。因为不同通信协议之间的数据报文转换通常没有现成的器件和程序。设备制造商的工程师需要在现场对不同报文长度、不同报文格式、不同通信机制进行复杂的转换。测试周期和调试工作量会随着设备数目的增加呈几何级数增加。 数据接口通常是根据数据类型、字节长度通过定义基于内存区的地址和通信端口来构造一张数据接口表格。这张表格描述了数据是如何从源地址，经过一系列的操作，来到目的地址。一个真实世界的温度变量会从一个带符号位的15位二进制数，最终传输结束时很可能已经分成4个字节存储在不同的内存区里。这些操作对于一个有经验的电器工程师来说可能仅仅是一种体力劳动。但是，很难要求用户的工艺、操作人员都能掌握复杂的编程语言。 因此如何能实现模块之间数据交换的简单化、进而做到“无须编程，即插即用”，成为模块化、标准化工厂的最大问题。同时也制约着设备制造商提高生产效率、降低服务周期的能力。 基于组件的自动化 基于组件的自动化―Component Based Automation，是TIA技术的延伸。 基于组件的自动化是基于“组件”原理实现的。所谓“组件”就是实现基于开放标准的模块化、分布式应用的一种统一的软件结构。具体讲，就是将机械部件、电力电子器件和用户程序―也就是一个具有独立工作能力的工艺模块抽象成一个可以反复使用的“组件封装”。组件可以独立运行，并且可以方便的和其他组件交换数据。 实现水平和垂直的集成 借助于标准化的现场总线技术（PROFIBUS），组件之间可以灵活的配置通信关系。基于组件的自动化能够扩展现有的基于机器控制的自动化理念，从而实现基于生产过程的多设备多进程控制结构。这种横向的集成由于无需编程，使得集成工作简单易行。 通过TIA结构中的网络路由和ProfiNet提供的现场总线层和工业以太网层快捷的数据交换功能，生产过程信号可以方便的传输到管理层；同时来自管理层的生产指令也可以直接到达现场。这种垂直透明的集成可以轻松满足日益增长的信息管理需求和管控一体化需求。 使用“积木”原理 组件表征了一个满足“易于使用”和“重复使用”的软件功能。这种“积木”原理已经大量的使用于自动化系统中。由于大多数数据交换和通信模型都是基于PC平台的，所以微软公司的软件组件技术――COM/DCOM已经在自动化系统中成为一种事实标准。 依据一种既定的、开放的通信协议，使得不同软件供应商之间的软件组件之间可以自由的交换数据。这一原理对于自动化系统仍然适用。 基于组件的自动化技术的最终目标就是实现自动化系统的“即插即用”。 通信封装 基于组件的技术决定了组件单元所有的控制功能都在内部实现，所有的机械、电工电子和用户程序都封装在组件内部。因此，组件之间的通信可以设计成于与组件内部的控制逻辑完全不同的结构。来自于最终用户和设备制造商的期望是，组件之间的数据交换是基于工艺语言的。 比如说，组件A和组件B之间需要交换的信息包括速度、压力、方向等过程量和使能、等待、运行等状态量。传统的方法是将这些信息转化为二进制数，数据的交换是基于内存地址和通信端口的。通信封装的结构使得组件之间的通信是真正基于“工艺语言”的。组件A将过程量和状态量直接通过封装引脚传输到组件B。因为封装的存在，传输过程中系统无需知道对方将信息存储在哪个内存区，通过哪个通信端口。反之亦然。 封装技术将组件变成了一个只需输入参数就能运行的“控制黑箱”。这就提供了一种可能性：组件之间的连接、生产设备的集成、生产工艺的组织可以完全由工艺人员来实施。因为整个过程无需专业的电气知识和编程技巧。 全厂范围的工程 基于组件技术的生产系统实施过程，就像“搭积木”一样。生产线的连接和装配是基于一个个单元化的组件。真正意义的配置和组态，只是设定组件之间的通信关系。 为了确保不同供应商和不同控制系统之间可以方便的连接和通信。需要一个支持跨厂商、跨系统的工程工具。 组件是以一个.xml文件的形式存在的。这是一个开放和标准化的文件格式，描述了组件的功能和通信封装。SIMATIC－iMAP能够将设备制造商提供的XML文件导入到组件库中。这是一个真正意义的开放系统，所有满足XML文件规范的系统都可以集成在一起。由于XML文件中不涉及到真实的硬件，所以它和硬件平台无关。 组态替代编程。由于所有的通信都是通过连接通信封装的引脚来完成的，因此组态数据交换无需编程。同时，这些引脚的连接在计算机屏幕上用鼠标图形化的方式实现，符合所见机所得的特性。 总结 基于组件的自动化使用最新的PROFInet标准，为模块化设备和工厂的实施提供了最大的方便性。这一全新的工程方法在多供应商的项目中为业主和设备制造商带来巨大的经济效益。通过组件技术和通信封装，设备制造商解决了模块化、标准化生产的瓶颈。通过