1.前言

    当今，工业自动化已经扩展到工厂企业的产品设计过程，管理过程，以及企业间的资源分配与优化，生产过程中的制造执行系统（MES）和设备管理系统（AMS）。制造业在经济中处于支柱地位。2000年的权威统计，以制造业为主的第二产业，在我国经济中约占50%。

    在上个世纪90年代后期，西方发达国家企业开始实现信息化。国内企业现状是基础信息化远未完成，少数企业实现了信息集成CIMS，极少数企业开始进入全球信息化。现代企业信息化的主要技术特征是：数字化、网络化、虚拟化、智能化、集成化、绿色化。运用工业自动化技术和计算机应用技术，实现以提高经济效益为总目标的传统产业技术的改造，成为提高国力的主要手段之一。提升改造传统产业的技术；一是软件技术，二是硬件技术，三是集成技术。目前我国在电力、钢铁、炼油、石化、化工、造纸等工业，拥有上百套的集散控制系统（DCS）在运行。在36条生产线上的试点，证明效益都非常好。如宝钢冷轧厂用计算机控制系统改造，投资了1300万元，项目完成投产后，整个冷轧厂的效益，使产值增加6个亿，纯经济效益达2380万元。

    2.工厂企业管控一体的解决方案

    工厂企业管控一体化，从网络角度看，通常分为三层。最上层为internet互联网，中层与底层均为工厂企业内部的以太网（或intranet）和现场总线网络。
 
    随着时间的推移、技术的进步、计算机集成制造系统CIMS从原来主要内容：CAD、CAM、FMS、MIS、OA、已经扩展到精良生产LP、敏捷制造AM、虚拟制造VM、企业资源规划ERP、企业流程改造BPR、客户关系管理CRM…极大的丰富了CIMS的内涵。这一切都依赖网络技术。同时，实时多任务操作系统、实时数据库、历史数据库、也是重要的组成部分。世界上许多大的跨国公司以极大的商业热情，推出了针对企业（工厂）的管理与控制一体化解决方案。

    Intellntion公司推出基于iHistoriau历史与实时数据库为核心的解决方案。

    艾默生过程管理（原费希尔?罗斯蒙特公司）推出了工厂管控网PlantWeb。它不仅提供过程控制，同时提供设备管理和与其他系统的集成。

    Wonderwaer公司推出了Archestr A。它将Factory Syite的管理控制、制造执行、批量管理等集成度带到一个新水平。为企业的信息管理网络提供生产过程实时数据。

    西门子公司凭供着强大的软件（wincc）、硬件PLC、IPC、SCADA与现场总线Profibus的支持推出了SIMATIC全集成自动化方案。

    罗克韦尔自动化推出的NetLinx是一个可调节的全方位网络解决方案。Ether Net/IP、控制网（controlNet）设备网（DeviceNet）和基金会现场总线（FF）都是NetLinx结构体系的一部分。

    当然，国内和利时公司也提出了企业管控一体全方位解决方案。

    最有特色的是美国风河公司（Wind River）推出的，对工厂企业管控一体化开发者提供的解决方案。

    3. 工厂企业管控一体开发者的解决方案

    工厂企业内部的局域网以太网不但要有办公自动化的功能，还要有工业自动化中的指令控制功能。

    1、工业以太网EtherNet/IP

    ①Ethernet（IEEE802．3协议）

    Ethernet进入市场已有20年了，在办公自动化和工业界获得了广泛的应用。Ethernet用于自动控制中，由于它的MAC层协议CSMA/CD，各个节点来用BEB（Binary
Exponential Back-off）算法处理，具有排队延迟不确定性的缺陷，无法保证确定的排队延迟，使之无法在工业控制中得到有效地使用。（在通讯过程中产生数据丢包）。

    针对丢包的缺陷，随着技术的进步，Etnernet发展到千兆（KM）阶段，Ethernet增加了双工通信技术，交换技术，信息优先级等提高实时性。同时Ethernet改进了容错技术。全球成立了工业Ethernet联盟(indusrtial
Ethernet Alliance)即IEA。其目的是建立工业控制Ethernet产品标准。由此出现了Ether Net/IP。

    ②EtherNet/IP

    EtherNet/IP由两部分组成，其中EtherNet是广泛应用的以太网通信技术（包括芯片、物理介质和应用基础等），而IP指的是工业协议（industrial
protocol）。与其他众多的工业以太网方案不同，EtherNet/IP采用了开放的应用层，许多现场总线和厂商组织都支持它的标准。

    EtherNet/IP实际上是一种TCP/IP的工业扩展，因为它采用在普通应用层上的TCP/IP封装，使工业设备节点在以太网信息里将数据封装起来，而后该节点将带有TCP/IP的信息扩展到以太网的数据链路层。这个标准的应用层，EtherNet/IP与厂商软件产品的结合点就是OPC技术。OPC技术在工业以太网EtherNet/IP中的出现，大大改进了工业控制系统的开放性的互操作性。带TCP/IP协议标准的EtherNet/IP接口，现在已经在智能设备和I/O模块中使用。它能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝连接、而无需任何专用设备。

    EtherNet/IP同时受到Control Net和Device Net总线标准的支持。Control
Net与Device Net做为现场总线，分别由CI和ODVA两个组织来管理技术和推广。全球有700多个大厂商在支持，EtherNet/IP的协议由CI和ODVA两个组织共同管理，并通过CI、ODVA和IEA对开发者进行技术指导和支持，而且免费提供一些应用代码。

    2、Wind River为企业管控一体开发者提供的解决方案

    （1）风河（Wind River）系统公司的工业自动化开发软件Tornado与罗克韦尔自动化公司的Ether
Net/IP主程序库，进行以太网/工业协议（ethernet/industrial protocol）技术集成。该技术将使许多以太网/工业协议设备，如控制器、I/O、驱动器、自动设备、操作界面、监控站…的开发大为简化。为保证工业设备协同工作，EtherNet/IP使目标准应用层，通用对象模型和通用设备描述，容纳在设备网和控制网络。风河公司与罗克韦尔自动化均为开放设备网络和控制网络供应商协会（ODVA与CI）的成员。Wind
River规范由ODVA和CI来维护。

    EtherNet/IP主程序库提供给开发者一组完整的函数，这些函数可以使开发者的产品具有TCP/IP之上的控制和信息协议（CIP）连通性，在EtherNet/IP规范中有具体的说明。这些函数使开发者不需要了解详细的以太网协议的知识，就可以进行EtherNet/IP产品的开发。

    （Wind River）风河系统公司对于企业管控一体开发者提供的解决方案，就是基于Tornado、VxWorks、VxOPC、WindNet
Device Net、EtherNet/IP（TCP/IP）的集成。Tornado的设计使得嵌入式工业设备开发者的重点，由开放技术的集成转为应用程序本身的开发，从而更加适应市场的需求。

    在Ether Net/Ip层的管控设备中嵌入风河公司VxWorks5.4实时多任务操作系统（RTOS），它可以对事件进行实时处理。既使了解可能在无法预知的时刻到来，它也能够在严格的时间限制内作出响应。同时VxWorks5.4支持很多的网络通信协议（ATM、OSPF、MPLS、NAT、PPPOE、PPP……），

    并能够根据用户的需求，进行组合。其开放式的结构和对工业标准的支持，使开发者只需要做最少的工作，就可以设计出有效的，适合工程要求的系统。它有极强的制定性。

    （2）、以下简要介绍VxWorks系列相关的几个功能产品软件。

    ①VxWorks 5.4

    VxWorks是嵌入式开发平台TornadoⅡ的运行期组件，也是嵌入行业应用最为广泛的实时操作系统（RTOS）。

    TornadoⅡ是向用户提供的全集成、简便运行的VxWorks仿真器。它运行于主机开发系统中。Tornado可以独立于BSP通信、独立于操作系统配置。甚至独立于目标硬件，从而可以立即开始应用程序的开发。这是大大方便于初用者。他们借此可以立即运用功能强大的Tornado开发环境，创建应用程序。TornadoⅡ集成开发环境（IDE）从根本上消除了配置VxWorks的学习曲线过程。缩短时间的关键，就在于具备自动裁减功能。这个功能可以分析用户应用代码并自动裁减VxWorks操作系统，辩识可以完全清除的组件。Tornado独道之处，在于它可以在各种目标系统资源下，所有开发工具在不同的应用开发阶段都可以使用。

    VxWorks拥有超过1800个功能强大的应用程序接口（API），具有很强的灵活性，适应从最简单到最复杂的产品设计，有很好可升级性。VxWorks从汽车防抱死（ABS）系统，到宇宙飞船，空间探测器等，各种关键应用中均可使用，具备极高的可靠性。它能够在所有常见的CPU上运行。

    VxWorks RTOS具有高效率的微内核Wind，微核支持所有的实时功能，包括多任务，中断功能，抢先和轮转调度功能。同时微核能使系统开销达到最小，对外部事件可做出迅速确定性的响应。

    VxWorks是第一个集成TCP/IP网络工具的实时操作系统。它既符合工业标准，又为实时应用专门进行了优化。

    易于移植到特定硬件上，是VxWorks的应用成功所在的特点。硬件依赖层称为主板支持包（BSP）。执行VxWorks的任何目标主板都需要BSP。BSP使得开者能够在特定硬件上，轻松地使用VxWorks，向开发者提供的BSP已超过200个。开发者可从自由选择目标机的驱动程序。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标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成。OLE标准允许多台微机之间交换文档，图形等对象。COM是所有OLE机制的基础，COM是一种为了实现与编程语言无关的对象而制定的标准。COM的扩展，称为DCOM，通过DCOM技术和OPC标准，完全可以创建一个开放的，可互操作的控制系统软件。OPC标准是由OPC基金会建立。它采用了客户机与服务器的模式。

    风河公司是OPC基金会成员。OPC规范标准已得到全球工厂自动化和流程工业控制解决方案领域的大多数供应商的广泛采用。例如：西门子，N1、intellution、费希尔、罗斯蒙特、Wonderwaer等等。

    风河公司的Vx OPC解决方案，实施了OPC规范，这种标准接口能实现自动执行/控制应用、现场设备以及商业/办公室应用之间的互操作性。Vx
OPC能为开放者大大缩短开发基于OPC的行业测量和控制应用程序的时间。Vx OPC不但提供源代码，还包含OPC数据访问服务器和Win32应用程序接口（API）的交互式客户机样例，这种接口可用于测式和调试OPC服务器的实施过程。

    Vx OPC数据访问服务器是一种灵活、有效的32位多线程接口，可通过扩展、适应大小应用。借数据访问服务器接口，应用可以很容易地在不同的时间，以不同的响应和解决时间要求，通过网络访问许多数据子集。数据访问的实现可以不依赖于子系统使用的数据结构。

    Vx OPC解决方案适合与VxWorks和Vx DCOM一起使用。它们可以扩展并为基于VxWorks的嵌入式应用实施DCOM。当以COM/DCOM技术通信基础设施为基础，将数据类型传送到远程系统时，VxDCOM可保证其兼容性。因此，VxOPC不但能够为工厂自动化和流程工业控制系统，提供真正的分布式解决方案，还能顺利集成在分布式设备――无论它们是基于PC的设备还是基于VxWorks的嵌入式设备。

    VxOPC交互式客户机工具，使开发人员能很容易地为其基于VxOPC的应用访问数据记录。交互式工具能够在PC客户机（用于测试和调度VxOPC数据访问服务器）上实施OPC客户机接口，或者向新老应用添加OPC接口。这个工具提供源代码，因此设计者可以根据自已目的进行修改。

    VxOPC数据访问服务器和VxOPC交互式客户机工具与Tornado平台紧密集成在一起，因而快速生成嵌入式应用。供助Tornado集成开发环境（IDE）的项目设施，开发者可以快速地组合实施符合特殊应用要求的VxOPC、VxDCOM和VxWorks。VxOPC交互式客户机软件为Tornado环境添加了OPC专用调试工具，使Tornado
IDE成为形成基于VxWorks的OPC设备的完整工具解决方案。

    VxOPC对于系统要求：▲TornadoⅡ/Vxworks 5.4▲VxDCOM▲MSVC5.0或VisualStudio6.0▲Windows
98/NT主机支持。

    VxOPC支持的目标：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

    风河公司支持Device Net现场总线设备网。

    风河的Tornado for industrial Automation――Device
Net开发平台，提供了完整的嵌入式软件解决方案，用于开发基于市场第一位的VxWorks实时操作系统的，完整兼容Device Net客户机和服务器的设备。随着制造业和工业自动化工艺日益变得繁多而复杂，业界用户要求开发者，制造更加智能化的现场设备，以便通过不断扩大分布式控制网络，来发送实时数据。Device
Net成为开放的标准通讯网络的一员。Device Net有利于低端智能现场设备如传感器、阀门、开关、电机、驱动与传动设备和高端设备（控制器）PLC、工控机（IPC与PC/104等）之间的连接与通信。

    风河的Tornado for industrial Automation――Device
Net软件提供了一种经过预先严格集成和测试的解决方案。包括VxWorksRTOS、Tornado集成开发环境（IDE）和工具、以及Wind
Net Device Net协议堆栈。这些部件使开发者能够将精力集中到开发增值应用软件和缩短产品上市的时间上。

    Wind Net Device Net是风河公司对“开放型Device Net厂家协会（ODVA）”Device
Net规范2.04版本的具体实施。它允许开发者设计基于VxWorks RTOS的Device Net工业应用程序。WindNet
DeviceNet是专为VxWorks RTOS优化的源代码产品，现有的Device Net产品和功能可进行单独扩展，并可创建用户定义的新目标，快速开发和集成设备的专用功能。协议堆既可以启动服务器/客户机操作模式，也可同时启动服务器/客户机设备操作模式。实施过程的模块化和优化，使其完全适于资源缺乏的嵌入式的工业设备。

    Wind Net Device Net堆栈执行ODVA Device Net规范中所描述的诸多特性。Tornado IDE使开发者能够方便地将显示消息、I/O消息（查询位选通、COS/CYCLIS）、显示和I/O消息分段、UCMM显示消息、设备停机消息、双重MAC地址校验、应答处理和设备核消息等结合在一起。这些能力是作为Device
Net服务器/客户机设备的，基本特征提供的。堆栈也支持125、250和500Kbps数据传输率。另外，采用了新的ODVA Devicee
Net协议一致性测试软件、Wind Net Device Net协议堆栈已实现质量工程化，故而便于开发者用自己的设备通过一致性测试。

    Wind Net Device Net应用程序向导，使开发者通过一系列的配置步骤确定设备功能参数，并给项目配以适当的文件，设备特性包括设备配置参数的定义和适合那些参数的公共界面。项目包括建立应用所需要的所有文件索引。应用程序向导简化了总体开发过程。

    CAN驱动程序是Wind Net Device Net备有专为VxWorksRTOS设计和优化的CAN驱动程序。CAN控制器软件以源代码方式提供，并用API文件说明，以便于其应用新的CAN控制器硬件。

    Wind Ner Device Net备有大量的样例文件说明和源代码样例。样例可在几分钟内运行。这是使开发者能很快熟悉开发环境，并开发出自已的Device
Net专用程序。

    总之，在工厂企业管控一体网络的低端设备，IPC、PLC、变送器、阀门、开关、电机、驱动与传动设备中嵌入VxWorks实时操作系统，支持现场总线标准。使得工厂企业管控一体化解决方案中的事件得到实时处理，保证了整个系统的可靠性和高可用性。

    4、结束语

    综上所述，工厂企业管控一体化中，风河公司向开发者提供了一个非常实时可靠处理事件发生的高可用的解决方案。它在中层网络和低端网络的设备中都嵌入可裁剪的VxWorks实时操作系统，为开发者提供具有具体工厂企业个性管控一体化的解决方案。

    自从风河公司进入中国以后，通过这几年的发展，已拥有了庞大的用户群和一支成熟的技术支持队伍。服务基本上覆盖了全国各主要区域。同时风河公司也在北京、上海、深圳分别设立了办事处，更好地对客户进行支持。目前，整个技术队伍已有近百人，并且还在不断的壮大之中。