数字通讯正在改变着世界，不仅仅是T w i t t e r 、F a c e b o o k或者LinkedIn这些网站影响了人们的日常生活，工业界的变化也是日新月异。现在，几乎每一台传感器都可以使用微处理器，所以它们不仅能够进行流程测量，还可以进行不同程度的自我诊断，并且能够与其他设备交流信息。这里所谓其他的设备指的是手持通讯终端、控制系统、专业维护系统或者所有这些的集合。实现所有这些通讯的关键，就是标准。幸运的是，实际上每种通讯协议及其基础上的网络都源自开放标准，这些标准通常来自国际电工委员会（IEC）或者国际标准化组织（ISO）。这一趋势将会持续，事实上在像欧盟这些地区它们普及的速度还在加快。全世界的公司都已经认识到为整个人类开发一种产品，要比为每一个地区定制产品更容易实现规模经济。一些工业协议实际上已经比标准又向前迈进了一步：在sourceforge.net这类网站上公开源程序，这样产品开发人员就可以对代码进行修改、升级和完善，很多天才的创新因此也能够集成在其中。所有的通讯都需要基础架构，也就是在节点之间传输数据的设备。基础架构的合理性非常重要，因为如果你不能实现每一个节点的彼此连接，你就不能收集和使用所有的信息。因此在一开始，我们就要看清楚所使用的架构会产生什么样的效果。以太网扩展以太网的样式多样化会继续成为一种趋势。最近由IMS进行的一项研究，预测工业领域以太网在未来五年中年复合增长率将达到大约10%。今天的很多制造商都正在使用IP地址和以太网通讯取代原先的串行端口，这是出于经济方面的原因：由于购买和安装的规模不断扩大，这些功能愈发强大、带宽远远高于串口的以太网接口变得越来越便宜。很快，这就形成了良性循环，因为如果在设备上使用串口的制造商越少，人们就越没有理由用串口接收来自设备和计算机的信号，更新也就变得自然而然了。其实你只需要看看自己的电脑就明白了，就在几年前大多数笔记本还装有串行接口，现在却已经基本找不到了。IEEE 802.3 有线以太网标准将继续增加网络带宽，实际上工业界对此的兴趣正在降低，因为带宽已经不再是网络应用的瓶颈。而现在使用有线以太网的瓶颈在于距离、对于各种类型噪音的免疫力、以及单线通讯能力。其中，最后一条可能最有趣，因为如果这样做可以只需要一条线缆连接以太网设备，而现在则需要两条（也就是一般所指的四线连接）。今天实现单条线缆通讯的方法，就是PoE（通过以太网供电）。然而，公司环境下的PoE工作电压是40伏，而绝大部分工业设备的工作电压则是24伏。最新发布的PoE标准（IEEE 802.3af）从4瓦到15.4瓦将设备定义了五种类别，并且还预留了四个类别以便将来使用。无论是Wi-Fi接入点、LED显示器面板，还是其他高性能设备比如电动云台变焦摄像机，所有这些在工业环境中使用的高性能设备都需要更大的电流负载。因此，从现在开始的很长时间里，PoE除了自身含义之外，或许还将被解释为不可或缺之物（Partof-Every-thing）。一些数据分析显示，工业环境中部署的以太网大概有60%使用标准以太网以及相关协议--比如http，用来获取数据。不幸的是，网页的作用通常就是拖后腿，并不会有什么正面的影响。因为HMI需要按照预置的更新速度向所有的节点发送更新需求，就需要有相应的带宽处理所有的数据节点，而不仅仅是发生改变的那些。因此，所有对实时性有要求的工业场合都在使用专门的工业协议。来自IMS研究的数据显示，有大约40%的场合在使用工业以太网协议，其中EtherNet/IP（主要在北美）和Profinet（欧洲）是今天最主要的两种协议，它们占据了全部工业协议超过一半的市场份额。无线到底怎么样因为有很多选择，现在的问题就是应该使用哪一种无线技术。有多种基于IEEE 802.15.4的传感器网络，感应范围在未来10年可以达到100米。当然，不要忽略了IEEE的802.11系列标准以及最新的范围达到数公里可以替代光纤的802.16（WiMAX）标准。除了这些之外，那些过去用在手机网络上的标准现在越来越普遍的应用在SCADA骨干网之中。我们正从3G向4G迈进，带宽将不再是一个限制。这些技术如何进行组合，需要取决于应用的环境。现在，我们仍然在研究在哪里使用哪一种无线技术是最合适的。如果你需要实时控制，那么一些专业网络就比那些手机供应商提供的网络更加可靠，因为后一种网络中的信号可能会被他人使用。手机网络可以用于远程I/O或者SCADA应用，在这些情况下并不是每一次请求都需要进行连接。当然，在偏远地区，尽管没有做到百分之百，手机网络还是有着相当的覆盖率。在工业环境下，无线网络现在主要面临的挑战是所谓的钢谷问题，也就是一些情况下，多条反射路径可能会造成混淆或者信号屏蔽，因此才会有网状网络的概念。然而，每一次网络阶跃都会增加信号的延迟，并且给每一个重复节点的电源提出了更高的要求。能源捕捉和储存技术的巨大进步，使得无线网络的可靠性大幅高高，成为控制应用的新宠。就和之前现场总线系统的情况一样，随着最终用户在无线方面的经验累积，他们对于这项技术的用途和范围也就更加清楚，所以无线也就自然而然的成为控制工程师的必要工具。安全风险因为我们正在让以太网无处不在，安全方面的风险就不可避免。最近的超级工厂（Stuxnet）病毒不仅仅让人们更加关注安全问题，还让他们将注意力的重心同时放在工业内部和一般的黑客身上。尽管Stuxnet是一个有目标的攻击，其开发成本也高达数百万美元，但是现在它的核心模块已经公开，有更多的人了解到它的工作原理，所以未来安全方面的问题需要更加注意。我们也需要记住，安全并不只是把那些坏小子拒之门外那么简单，而是需要防止数据流失，这和防止内部人为错误一样重要。相当部分的安全事故源自防火墙的配置不合理、或者网络设备失效导致的大量数据。未来的安全工具将会是非接触式的，不仅可以监控网络之间的接口，还可以监控网络本身是否出现异常，然后自动采取适当的行动。智能连接在所有的通讯连接方面，可以展望的其中一个方面就是智能电网，它使用ZigBee（紫蜂）无线技术（802.15.4）连接室内所有的传感器，包括各种家电和电表。根据这些设备反馈，可以用无线网络连接接入点，最终与电力公司连通，实时预测电力需求。同样重要的是，智能电网还允许电力公司远程设置和关闭客户端的设备，提高系统整体的运营绩效。智能电网和实时数据收集的另外一项收益，是每个人都可以建立自己为峰值负载支付多少费用的期望，以及需要远程管理的锅炉和空调的介绍。同样重要的是，智能电网还允许电力公司远程设置和关闭客户端的设备，提高系统整体的运营绩效。智能电网和实时数据收集的另外一项收益，是每个人都可以建立自己为峰值负载支付多少费用的期望，以及需要远程管理的锅炉和空调的介绍。同样重要的是，智能电网还允许电力公司远程设置和关闭客户端的设备，提高系统整体的运营绩效。智能电网和实时数据收集的另外一项收益，是每个人都可以建立自己为增值负载支付多少费用的期望，以及需要远程管理的锅炉和空调的介绍。同样重要的是，智能电网还允许电力公司远程设置和关闭客户端的设备，提高系统整体的运营绩效。智能电网和实时数据收集的另外一项收益，是每个人都可以建立自己为峰值负载支付多少费用的期望，以及需要远程管理的锅炉和空调的介绍。智能电网以及类似的概念，在硬件和软件方面需要将数据集成从传感器升级到控制室。我们已经讨论过如何获取数据，但是还没有讨论如何在不同系统之间传递数据，以及如何管理这些数据，这都是数据管理实际中会碰到的问题。数据驱动一旦我们将工厂数据传送到控制系统，下一步就是使用软件工具在不同控制器、数据历史库/商业系统之间实现信息转换。对于控制系统来说，最常见的驱动力，是在不同版本的OPC（流程行业中的对象链接与嵌入技术）之间的实时数据传输。最新的版本是OPC UA（统一架构），它不再需要依赖于Windows软件，具有很好的平台独立性。OPC标准现在已经被I E C 所采用。O P C 没有进行定义的是每一个相关数据区域的数据结构和参数。所以，有时候就像Modbus所需要的那样，每一个注册机都必须映射一个相应的参数，与之类似，OPC需要将一台设备上的参数人工映射到第二台设备相应的参数上。尽管 OPC UA 不能安装在现场设备上， 现场总线基金会、Profibus 和 Hart协会正在进行合作，基于设备描述技术，开发名为FDI（现场设备接口）的下一代协议。FDI将融入一个OPC UA 界面，可以轻松获取OPC环境下任何设备的参数，无需进行上述的匹配。假定相关的非营利机构可以同心同德的话，FDI就可以成为一个选项。如果Hart、Profibus和现场总线基金会都使用FDI，那么在互操作方面就会出现一个标记检查的问题。比如说， 如果我从Hart基金会得到了认可，其他机构会承认吗？这个问题只能交给时间来回答了。尽管叫做OPC，实际上它既可以用在连续和流程行业，也可以用在离散制造工厂当中，然而，在后一种情况下使用更多的是Pack/ML标准，工厂中的不同机器和节点彼此之间可以进行通讯。因为不同网络之间通讯的复杂性和超大的数据结构，这种使用开放式标准的趋势将在未来变得日益重要，尤其是当我们使用在基于现代微处理器的设备中所有与诊断和资产管理相关的数据的时候。主要挑战尽管工业网络技术在近些年发展迅猛，其性能的完全发挥还是受到了一些限制。举例来说，今天的设备中有超过85%的数据被局限在本机当中。很多情况下，设备的通讯能力主要体现在与维护团队的手持通讯终端连接，但是实际上可以使用的信息远不止于此。其中的一个原因在于，没有标准定义出如何获取数据、如何设计并且实施系统使用数据，以及如何将结果信息与其余的工厂维护计划工具结合，使之成为全面集成维护策略的一部分。这一维护策略不能仅仅停留在仪表资产管理工具的层面，还要涉及到对其他现场工作的衡量，比如脚手架、装配等等。所以，我们不仅需要标准定义如何从某个中心位置获取数据，然后开始相关的工作流，我们还需要从多个独立系统（比如仪表、振动器等等）中获取数据，将其传输到中心维护计划系统，并且协调预防性维护所需要的各种资源，保证工厂运行的可靠性达到最高。另外一个挑战在于以太网寻找网络中设备所需要的IP地址。不幸的是，最后一个IPv4地址在今年早些时候就可以被分配了，所以大家都需要转向使用 IPv6，这样地址就不会再出现短缺了。然而，并不是所有的现有架构都能够支持IPv6，迁移的成本也可能不低，好在还是有一些技术可以集成现有设备中两种不同的IP地址版本。大部分无线网络，包括基于 IEEE 802.15.4 的工业网络，都使用无需许可的 2.4 GHz 工业、科学和医疗用频段，因为这是全世界唯一统一的一个频率。这是因为每个人都在使用这一频率，所以它就不需要再进行注册了。我们很多人都有过这样的经历：网络的信号貌似很强，但是却会发生电话掉线、短信无法发出的情况。最后一个重要的挑战，是总线之战可能又要蔓延到无线领域了。现在已经有三种甚至四种标准，都在使用802.15.4，包括 ZigBee、WIA（中国标准）、ISA-100.11还有WirelessHart，它们都希望得到流程自动化行业的认可。很遗憾，15年前那场在 Profibus PA 和 FoundationFieldbus H1，ISA-100 和 WirelessHart之间面对相同市场而爆发的现场总线战争仿佛又要重演了。战争的目标是市场份额，保证现有的研发投资得到回报。总线之战，还有之前发生的录像机制式之战，实际上发生的越早越好。未来工业网络唯一可以确定的事情是，我们将会在很短的时间内连接更多的设备，就像今天的手机、无线笔记本、桌面电脑一样。所有在传感器中数据都可以无缝传输到控制器中，需要的人为干预也尽可能最少。当然，保证实时控制系统具有很好的可用性，能够达到用户期望和要求的效果，将是控制工程师未来工作的重中之重。