一、现场级自动化监控与信息集成是现代企业的信息化不可缺少的重要部分

    1）企业信息化系统的组成

    现代企业的信息化系统由三部分组成：

    处于最上层的ERP(企业资源计划)系统、处于中间层的MES(制造执行系统)、处于最底层的PCS(过程控制系统)。

    其中，ERP主要根据企业的人、财、物各种资源的状况和产、供、销各个环节的信息，对生产进行合理有效的计划、组织，使生产经营活动协调有序地进行，并对企业的战略计划进行决策。MES则根据ERP系统下达的合同计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报ERP系统。PCS系统主要完成底层设备单机控制、连续控制、通信联网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，过程控制系统是实现工厂自动化及企业信息化的基础。

    2）过程控制系统的现状

    目前的过程控制系统是按生产线或装置进行设置，多是基于DCS或PLC的分布式监控系统，控制对象大多是一条生产线（车间）或一个装置。近年来，自动化技术发展使人们认识到，单纯提高生产设备单机自动化水平，并不一定能给整个企业带来好的效益；因此，企业给自动化技术提出的进一步要求是：将整个工厂作为一个系统实现其自动化，目标是实现企业的最佳经济效益；这即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。另一方面目前系统中现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓 I/O接线方式，信号种类4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。

    系统主要缺点：

    （1）信息集成能力不强： 控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足企业信息化对底层数据的要求。

    （2）系统不开放、可集成性差、专业性不强：除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。

    （3）可靠性不易保证：对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

    （4）可维护性不高：由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

    3）以太网进入自动化领域

    现场总线技术的出现曾经给控制工程师充满着期待，但是2000年通过的IEC61158宣布了自动化行业期待十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败，自动化行业面临一个多种总线技术标准并存的现实世界。

    Intranet/Internet技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。而以太网(Ethernet)技术在没有任何标准化组织支持的情况下得到迅速发展，成为IT行业的事实标准。是目前应用最广泛的计算机网络技术, 在工业控制领域也得到了大规模的应用，目前几乎所有的DCS或PLC都提供以太网接口用于上位监控。

    二、现场级TCP/IP控制器的可行性

    1）以太网与TCP/IP

    以太网是采用CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)的网络，而TCP/IP是多台相同或不同类型计算机进行信息交换的一套通信协议，以太网是TCP/IP使用最普遍的物理网络。当然TCP/IP协议也可以使用其他局域网如令牌总线、令牌环、FDDI等。由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的协议组，而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网协议，因此，以太网+TCP/IP成为IT行业中应用最普遍的技术。通常我们简称以太网（运行TCP/IP协议的以太网）或TCP/IP（运行在以太网上的TCP/IP协议）。

    2）通信技术的进步使得以太网进入工业控制领域成为可能

    以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD－－ Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)机制作为其访问媒体控制协议，通信响应的不确定性是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。另一方面实验表明：以太网的碰撞概率与网络负载（通信量）有关，当负载小于5%，碰撞概率几乎为0；当负载小于20%，碰撞概率小于0.1%，可保证通信畅通；当负载大于40%，碰撞概率将大于5%。随着现代通信技术的发展和进步，多种技术可以用来增强通信确定性和实时性。通常的做法是：

    1）改变网络的拓扑结构，采用星型结构代替总线结构（幸运的是由于综合布线的广泛使用，现在已经很少使用总线结构的以太网）；

    2）使用交换机(Switch)代替集线器，将网络冲突域进一步细化。

    3）低成本是以太网进入现场层的关键

    以太网进入现场层，单点成本是必须考虑的因素。一般认为，完整的TCP/IP协议需要操作系统的支持，这就要求处理器有足够的内存和运行速度，但实际上对于工业控制的而言，节点之间交换的信息相对于计算机而言要少得多而且是固定的，因此完全可以简化TCP/IP协议，一个简单节点的结构如图示：微处理器采用国内最常用的8051系列8位微处理器，以太网控制器采用NE2000兼容产品如DM9008,RTL8019等，实现简化的TCP/IP协议大慨需要4K字节的程序空间，网络部分硬件成本在40元人民币以下，足够与其他的现场总线产品竞争。当然目前也出现了许多直接支持或内嵌TCP/IP协议的微控制器如美国Z-WORLD公司的Rabbit2000/Rabbit300系列，北京华虹的IP51等，其微处理器的价格大都在10$左右，因此可以预计随着开发的简单化将会出现很多基于TCP/IP协议的现场级设备。

    三、现场级TCP/IP控制器的实践

    本公司在现场级TCP/IP控制器方面进行了有益的尝试，开发了EBC1000控制器并在本公司的楼宇智能化系统进行了研证。

    1.EBC1000的功能

    1)控制器具有一个RJ45接口，支持ModBus/TCP或ModBus/UDP;可以方便的与通用监控软件进行连接;

    2)控制器支持网络互操作，每个控制器可接受同一网段上16个网络变量（字）数据；即在同一网段上的一个控制器可以接收其他控制器的数据数目为16个;

    3)控制器支持4组I/O模组，可跟据需要任意选配模拟量输入/输出，开关量输入/输出，最多为32个I/O点（如选择4组模拟量输入）;

    4)内嵌实时时钟，支持时间程序控制；

    5)控制器具有一个RS485接口，以ModBus规约和第三方设备通信

    |2.EBC1000的使用

    我们在本公司中使用EBC1000及其他基于TCP/IP的控制设备，构建了楼宇智能化系统。

    本系统中使用了4套EBC1000分别应用于空调子系统，风机盘管子系统，照明及电力监控，室内安防系统，使用了4台网络摄像机，4套TCP/IP的门禁控制器，同一网络上有150台办公计算机；实现了办公系统、安防系统、楼宇自动化及通信系统的有效集成。实现功能：

    1）授权用户可以使用IE查看监控图像

    2）员工可以使用IE查看自己考勤和电话计费情况

    3）监控与安防系统联动

    4）员工可以通过IE申请使用会议室，系统会在员工使用时段前将室内温度调整合适的温度，自动对会议室门禁进行授权，会议使用完毕，系统会自动关闭照明和冷风门。