1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的控制技術(shù)，它的出現(xiàn)被譽(yù)為20世紀(jì)90年代產(chǎn)業(yè)控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命[1]。與其他產(chǎn)業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線采用串行的數(shù)字通訊方式，具有實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，迅速發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的通訊網(wǎng)絡(luò)。目前現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
?、?多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存
為了反映產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，國際電工委員會(huì)(IEC)于2000年公布通過了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，容納了8種互不兼容的控制層協(xié)議。2003年的新版本進(jìn)一步達(dá)到了10種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，另外還有3種設(shè)備級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)稱為“10+3”種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
同時(shí)存在這么多種國際標(biāo)準(zhǔn)，原因除了經(jīng)濟(jì)利益上的沖突以外，還有著客觀上的原因：
新技術(shù)和新事物的層出不窮，目前沒有一種現(xiàn)場(chǎng)總線可以滿足所有要求，用戶不得不根據(jù)自己的需要選擇不同的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。因此，多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)狀還將持續(xù)下往。
?、?以太網(wǎng)技術(shù)融進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線
在OSI/ISO七層協(xié)議中，以太網(wǎng)本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，它的控制協(xié)議使用TCP/IP協(xié)議:TCP(transmission control protocol)用來保證傳輸?shù)目煽啃?IP(internet protocol)用來確定信息傳遞路線。
隨著過程控制領(lǐng)域內(nèi)上層通訊與互聯(lián)網(wǎng)通訊一樣逐步同一到以太網(wǎng)，將以太網(wǎng)用于產(chǎn)業(yè)控制的呼聲越來越高。以太網(wǎng)融進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線的最大障礙是以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層采用CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè))介質(zhì)訪問控制協(xié)議，這種協(xié)議在負(fù)載較重的情況下，會(huì)由于在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生碰撞而產(chǎn)生擁塞，影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。另外以太網(wǎng)一般抗干擾性能較差，不具備本質(zhì)安全性能，不能向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電。但隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，它的傳送速率大幅度進(jìn)步，物理層標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)化以及千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)性得到進(jìn)步，使其逐步可以應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，形成了產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[13]。
與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線相比，產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)有著明顯的上風(fēng)。它可以實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及監(jiān)管控一體化，具有低本錢、高性能的特點(diǎn)[9]。
現(xiàn)在常用的產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)主要包括美國 Rockwell 公司推出的Ethernet/IP、德國Siemens 公司推出的ProfiNet、法國施奈德公司推出的Modbus/TCP 等[5]。2004 年1 月，IEC/SC65C 將包括中國開發(fā)的以太網(wǎng)協(xié)議EPA 在內(nèi)的6 種非國際標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)作為IEC 的PAS(publicly
available specification)文件出版，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的國際化將使得產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)取得更加迅猛的發(fā)展。
③ 無線現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速
無線現(xiàn)場(chǎng)總線(R-fieldbus)的提出旨在利用現(xiàn)有的迅猛發(fā)展的無線移動(dòng)通訊技術(shù)，在有線的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)一種在工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的、具有無線移動(dòng)接進(jìn)能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無線現(xiàn)場(chǎng)總線，使信息能夠從Internet 層，工廠的監(jiān)控層到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層之間實(shí)現(xiàn)無縫隙的交換與溝通、透明的集成與融合。無線現(xiàn)場(chǎng)總線能夠集成解決產(chǎn)業(yè)環(huán)境下諸如移動(dòng)對(duì)象、危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)象與傳統(tǒng)的有線連接對(duì)象之間的符合產(chǎn)業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數(shù)據(jù)的通訊和控制題目。
在滿足無線與有線集成后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求的條件下，無線現(xiàn)場(chǎng)總線可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)層應(yīng)用無線數(shù)字通訊技術(shù)，使它與原有的有線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地集成為一體，讓無線網(wǎng)段成為有線網(wǎng)段的自然擴(kuò)展，真正地把每一個(gè)需要接進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)設(shè)備都連成一體。
無線現(xiàn)場(chǎng)總線利用了無線技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的擴(kuò)充，在很多場(chǎng)合具有不可替換的作用。開始得到人們的重視并迅速發(fā)展，在歐洲將無線技術(shù)與Profibus 技術(shù)相結(jié)合的研究已經(jīng)取得階段性的成功。
2 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)理研究
2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換研究的必要性
在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，多種標(biāo)準(zhǔn)并存將是現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的最主要特征。多標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上就是意味著沒有標(biāo)準(zhǔn)，各種總線采用的通訊標(biāo)準(zhǔn)的不同以及總線協(xié)議的多樣性和互不兼容性使得總線系統(tǒng)間的互聯(lián)性和互操縱性大大降低。另外，不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線具有不同的形成背景和使用環(huán)境。如圖1 所示[1]，每一個(gè)應(yīng)用層次中都有著不止一種現(xiàn)場(chǎng)總線類型可以選擇，但同時(shí)也使得復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中選擇應(yīng)用何種現(xiàn)場(chǎng)總線類型成為一個(gè)題目。
圖 1 各類現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用范圍
以太網(wǎng)參與控制的起初目的是解決現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不同一的題目。隨著各種產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的推出，它們的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的不同使相互之間可以互連但還是不能互通，從用戶使用的角度出發(fā)，需要一個(gè)同一的開放的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)[6]?，F(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定的“妥協(xié)”形成了今天的多標(biāo)準(zhǔn)混戰(zhàn)的情況，同樣在巨大的經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，基于一種技術(shù)和一個(gè)通用的產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)已經(jīng)沒有了，今后產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)制定的結(jié)果勢(shì)必又是多種標(biāo)準(zhǔn)的共存。
面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)繁多、產(chǎn)品混亂的局面，如何在一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)中集成使用各種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，如何整合現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)產(chǎn)品，已成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用的瓶頸?？偨Y(jié)目前研究成果，現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換可以在過程控制級(jí)或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)實(shí)現(xiàn)[8]。
2.2 過程控制級(jí)轉(zhuǎn)換
在過程控制級(jí)中應(yīng)用OPC(OLE for process control)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線間的轉(zhuǎn)換。OPC是控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)與過程治理級(jí)進(jìn)行信息交互的開放接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。它采用客戶/服務(wù)器模式，以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序級(jí)的通行標(biāo)準(zhǔn)，將開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方，以服務(wù)器的形式提供給客戶，并規(guī)定了一系列的接口標(biāo)準(zhǔn)，客戶負(fù)責(zé)創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象和訪問服務(wù)器支持的接口。從傳輸數(shù)據(jù)的角度，OPC服務(wù)器的實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)。
它一方面從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取數(shù)據(jù);另一方面把來自不同硬件供給商的不同類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一的OPC數(shù)據(jù)格式，以O(shè)PC接口的方式傳送給客戶應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的集成。通過開發(fā)針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線的OPC服務(wù)器，應(yīng)用軟件就可以從不同的總線系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，達(dá)到在同一系統(tǒng)中集成不同現(xiàn)場(chǎng)總線類型的目的，系統(tǒng)圖如圖2所示。
圖2 應(yīng)用OPC實(shí)現(xiàn)總線的系統(tǒng)集成
采用OPC接口的方法實(shí)現(xiàn)不同總線間的轉(zhuǎn)換，所有的工作全部在上位機(jī)中由軟件完成，簡(jiǎn)單方便。但是由于依靠于上位機(jī)，總線系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間的通訊較慢，實(shí)時(shí)性較差，在產(chǎn)業(yè)控制中難以應(yīng)用。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)轉(zhuǎn)換
在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)采用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法，可以在滿足產(chǎn)業(yè)控制中實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中多種現(xiàn)場(chǎng)總線的集成。針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展趨勢(shì)，協(xié)議轉(zhuǎn)換主要應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)總線之間、總線與以太網(wǎng)之間以及產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)的開發(fā)中。
2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換
現(xiàn)場(chǎng)總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換最普遍的方法是通過網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)任意兩種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議之間的一對(duì)一協(xié)議轉(zhuǎn)換，將協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作在總線中完成[2]。網(wǎng)橋要求具有物理接口功能、通訊協(xié)議功能和操縱信息功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同總線系統(tǒng)之間的信息連接和治理。網(wǎng)橋法協(xié)議轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。
圖3 網(wǎng)橋法協(xié)議轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)模型圖
協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋內(nèi)包含一個(gè)符合總線協(xié)議A的設(shè)備和一個(gè)符合總線協(xié)議B的設(shè)備，分別通過兩個(gè)設(shè)備的物理接口A和B連接總線A和總線B，在用戶層A和B之間進(jìn)行協(xié)議的用戶層轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)交互，達(dá)到協(xié)議轉(zhuǎn)換的目的。對(duì)總線A和B來說，協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)橋相當(dāng)于總線系統(tǒng)中的一個(gè)信息設(shè)備。采用網(wǎng)橋式協(xié)議轉(zhuǎn)換方式可以實(shí)現(xiàn)差異較大的總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換[12]。瑞典的HMS公司推出的AnyBus-X系列、北京鼎實(shí)創(chuàng)新科技有限公司開發(fā)Profibus協(xié)議總線橋均采用了這種方法。
2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換
以太網(wǎng)與通用現(xiàn)場(chǎng)總線之間的互連常采用類似隧道技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)[3]。隧道技術(shù)是一種用于異型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)同類網(wǎng)絡(luò)通過中間復(fù)雜的異類網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)，常采用隧道技術(shù)進(jìn)行分組交換。當(dāng)數(shù)據(jù)幀通過路由器時(shí)，路由器并不對(duì)幀頭部進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，只是將數(shù)據(jù)幀作為分組再加上自己的幀頭部，向同樣位于中間網(wǎng)絡(luò)的另一路由發(fā)送。另一路由收到數(shù)據(jù)后，往掉中間網(wǎng)絡(luò)的幀頭，繼續(xù)向后繼網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。整個(gè)過程中，中間網(wǎng)絡(luò)可以被看成從一個(gè)多協(xié)議路由伸展到另一個(gè)路由的大隧道，分組完全不必關(guān)心中間經(jīng)過什么樣的網(wǎng)絡(luò)，因此大大簡(jiǎn)化了路由轉(zhuǎn)發(fā)和尋址的工作[9]。
以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)時(shí)，隧道技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)鏈路層，與以太網(wǎng)的傳輸控制層相連。互聯(lián)模型如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議模型
在模型中的路由器現(xiàn)場(chǎng)總線接口處，只有任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都具有的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。當(dāng)路由器中的現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層中將物理層得到的數(shù)據(jù)幀向位于路由器模型中的以太網(wǎng)部分發(fā)送時(shí)，以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)幀加進(jìn)到有效的IP分組載荷字段中，以預(yù)先約定的傳輸服務(wù)訪問點(diǎn)TSAP向以太網(wǎng)廣播，其中每個(gè)TSAP與一個(gè)應(yīng)用程序相連。需要從現(xiàn)場(chǎng)總線接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)對(duì)特定TSAP進(jìn)行監(jiān)聽，假如收到符合要求的TSAP報(bào)文，則從中取出數(shù)據(jù)提交給傳輸層上方的應(yīng)用程序[10]。
當(dāng)以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先從系統(tǒng)治理模塊處得到該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，并申請(qǐng)一個(gè)在現(xiàn)場(chǎng)總線上的虛擬地址。計(jì)算機(jī)虛擬站點(diǎn)層根據(jù)總線協(xié)議天生一系列初始化數(shù)據(jù)包，其中包含數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議控制信息。數(shù)據(jù)包的內(nèi)容和現(xiàn)場(chǎng)總線中的設(shè)備剛啟動(dòng)時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送的初始化數(shù)據(jù)完全一樣。天生完畢之后，通過總線接口處的數(shù)據(jù)鏈路層經(jīng)過總線物理層發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)往以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)時(shí)，只需向該計(jì)算機(jī)的地址發(fā)送即可。協(xié)議轉(zhuǎn)換器經(jīng)過數(shù)據(jù)幀的報(bào)文處理后，發(fā)送賜與太網(wǎng)傳輸控制層，再由以太網(wǎng)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽和處理。
數(shù)據(jù)在實(shí)際站點(diǎn)與計(jì)算機(jī)上虛擬站點(diǎn)層間的傳輸過程，類似于兩個(gè)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)使用隧道技術(shù)通過中間異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的過程。與過往多層次的網(wǎng)絡(luò)相比，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操縱靈活。目前，Profibus、DeviceNet、ControlNet和Lonworks都在研究采用這種方法來使用以太網(wǎng)傳送報(bào)文[7]。
2.3.3 產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)的研究開發(fā)
產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)是人們基于以太網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，目前常用的產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中主要采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)[4]：
?、?封裝法
將現(xiàn)場(chǎng)總線的報(bào)文作為“用戶數(shù)據(jù)”原封不動(dòng)地嵌進(jìn)到TCP/IP的數(shù)據(jù)幀中，然后放到以太網(wǎng)中進(jìn)行傳送。采用這種方法可以在現(xiàn)有的規(guī)范內(nèi)，自以太網(wǎng)向下兼容現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，而且可以同時(shí)傳輸幾種不同現(xiàn)場(chǎng)總線類型的數(shù)據(jù)。ControlNet和DeviceNet聯(lián)合推出的Ethernet/IP、FF推出的HSE以及施奈德開發(fā)的Modbus-TCP/IP采用的都是這種方法。
?、?拆分法
將較長的TCP/IP數(shù)據(jù)幀拆開嵌進(jìn)到總線的報(bào)文中進(jìn)行傳送。被分割的數(shù)據(jù)包在接收方重新裝配從而恢復(fù)為原來的TCP/IP報(bào)文。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是原有的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)可以繼續(xù)使用，運(yùn)行時(shí)候的現(xiàn)場(chǎng)總線短報(bào)文信息的傳輸效率大大進(jìn)步。Interbus On Ethernet采用的是這種方法。
?、?網(wǎng)關(guān)/代理服務(wù)器法
通過網(wǎng)關(guān)/代理服務(wù)器進(jìn)行以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線之間的協(xié)議和信息轉(zhuǎn)換，通過基于開放標(biāo)準(zhǔn)的模塊化、分布式應(yīng)用的同一軟件結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化技術(shù)(CBA)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而最大限度地保護(hù)了原有的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，還可以實(shí)現(xiàn)同一的概念，典型代表如ProfiNet等。
所有這些開發(fā)的產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)基本上實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)與過程治理級(jí)之間的信息垂直集成，大幅度進(jìn)步了系統(tǒng)性能。
3 支持多協(xié)議轉(zhuǎn)換的測(cè)控平臺(tái)研發(fā)
針對(duì)單一現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議與產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)之間轉(zhuǎn)換的研究已經(jīng)成為熱門，但是在現(xiàn)場(chǎng)總線分類越來越細(xì)化的情況下，同一系統(tǒng)中如何集成產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)與多種現(xiàn)場(chǎng)總線還有待于在理論和應(yīng)用上進(jìn)一步研究與開發(fā)。
在 IEC“10+3”種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，由德國Siemens 公司等支持的Profibus 協(xié)議和由美國Rockwell 公司等支持的DeviceNet 協(xié)議目前占有的市場(chǎng)份額最大，而Modbus-TCP/IP 產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)具有最為廣闊的發(fā)展空間[11]。此外，Profibus 屬10 種控制層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一，而DeviceNet則屬3 種設(shè)備層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，本文選擇Modbus-TCP/IP 產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)Profibus 及DeviceNet 這3 種具有代表性的協(xié)議之間的多協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。
研究支持產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)、Profibus、DeviceNet 等3 種總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)針對(duì)兩種以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換和基于不同類族協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議之間轉(zhuǎn)換。采用類隧道原理研究開發(fā)的多協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，裝置中帶有以太網(wǎng)接口、DeviceNet 接口和Profibus 接口，既可以實(shí)現(xiàn)MODBUS/TCP 產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功能，又可以實(shí)現(xiàn)DeviceNet 現(xiàn)場(chǎng)總線主節(jié)點(diǎn)和Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線主節(jié)點(diǎn)的功能，轉(zhuǎn)換器可以對(duì)一個(gè)DeviceNet 或Profibus DP 主/從網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)和治理，可以掃描網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并與各個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，可將各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的信息上傳至產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)，并可將產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)上的信息下發(fā)至兩種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)從節(jié)點(diǎn)，由此實(shí)現(xiàn)了協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。
為測(cè)試多協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置的協(xié)議轉(zhuǎn)換效率及保證3種通訊網(wǎng)絡(luò)在同一系統(tǒng)內(nèi)的兼容性，以一套實(shí)驗(yàn)鍋爐系統(tǒng)構(gòu)建了測(cè)控平臺(tái)。平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 測(cè)控平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖
平臺(tái)內(nèi)共有5個(gè)被控對(duì)象，一個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐出口壓力的丈量，兩個(gè)DeviceNet從節(jié)點(diǎn)分別實(shí)現(xiàn)夾套水溫及鍋爐水溫的控制和丈量，兩個(gè)Profibus DP從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)鍋爐液位及進(jìn)口流量的控制和丈量。DeviceNet從節(jié)點(diǎn)與Profibus從節(jié)點(diǎn)分別與多協(xié)議轉(zhuǎn)換器中各自的主站模塊進(jìn)行總線通訊，完成數(shù)據(jù)交換。在多協(xié)議轉(zhuǎn)換器中，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)站點(diǎn)與兩種現(xiàn)場(chǎng)總線主站之間的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到產(chǎn)業(yè)以太網(wǎng)與這兩種總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換的目的。平臺(tái)構(gòu)建完畢后的測(cè)試結(jié)果表明，多協(xié)議轉(zhuǎn)換器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正確、實(shí)時(shí)，沒有發(fā)生丟包現(xiàn)象，周期掃描時(shí)間達(dá)到了毫秒級(jí)，完全可以滿足產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的要求。測(cè)控平臺(tái)示意圖如圖6所示。該系統(tǒng)在第六屆上海國際產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)上榮獲了創(chuàng)新獎(jiǎng)。
圖6 測(cè)控平臺(tái)示意圖
4 結(jié)束語
現(xiàn)場(chǎng)總線作為比較成熟的產(chǎn)業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)普遍應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)控制中。如何能更好地解決現(xiàn)場(chǎng)總線之間以及現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)之間的集成，則需要人們更加努力加以解決。協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)的深進(jìn)研究和應(yīng)用，將有助于在更大程度上推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展和普及。
（轉(zhuǎn)載）
