1  流行現(xiàn)場(chǎng)總線介紹

現(xiàn)場(chǎng)工藝是由許多相關(guān)工藝段組成，根據(jù)控制的需求和廠家的要求，有可能采用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線。各種現(xiàn)場(chǎng)總線都有其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，基金會(huì)總線應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，Lonworks總線用到樓宇，CAN總線用在汽車方面等等。總線協(xié)議是一個(gè)大的集合，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況和應(yīng)用場(chǎng)合又有自身的特點(diǎn)。以在中國(guó)應(yīng)用最廣泛的Profibus協(xié)議為例，Profibus協(xié)議就有DP、 PA、FMS三種。最早的為Profibus-FMS協(xié)議，定義了OSI模型的第一、二、七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范和低層接口。FMS主要用于上位機(jī)和控制器之間的通信，是處于信息層的西門子早期總線。Profibus-DP只使用了ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)通信模型的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），高速的數(shù)據(jù)傳送特別適合可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)分散的I/O設(shè)備之間的通信。DP主要是過(guò)程控制級(jí)的通信，分為三個(gè)版本，V0、V1、V2。V0包括周期數(shù)據(jù)交換、站、模塊和診斷功能以及四種中斷類型。V1包括面向過(guò)程自動(dòng)化的增強(qiáng)功能，特別是非周期數(shù)據(jù)通訊，用于智能設(shè)備的參數(shù)分配、操作、可視化和中斷控制，允許使用工程工具進(jìn)行在線訪問(wèn)。V2包括更高級(jí)的功能主要面向驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的需求。Profibus-PA使用擴(kuò)展的Profibus-DP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并具備本質(zhì)安全和總線供電。Modbus總線協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，就主要由源地址、目的地址、幾個(gè)功能碼和CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)組成。Modbus協(xié)議的開放性和二次開發(fā)性已經(jīng)在實(shí)踐中證明了其應(yīng)用的靈活性。工業(yè)以太網(wǎng)的速度優(yōu)勢(shì)使其在控制領(lǐng)域迅速發(fā)展，但其CSMA/CD機(jī)制使其在應(yīng)用時(shí)必須和TCP /IP相結(jié)合，以達(dá)到系統(tǒng)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信。

2  西門子自身總線協(xié)議（Profibus）的兼容

    Profibus-DP協(xié)議是用于I/O級(jí)的簡(jiǎn)單主從協(xié)議，主站之間采用邏輯令牌環(huán)來(lái)循環(huán)得到總線的控制權(quán)。Profibus-PA總線上主要是用于掛接一些現(xiàn)場(chǎng)儀表。西門子的STEP7組態(tài)軟件進(jìn)行網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)要添加 DP/PA耦合的模塊將兩中網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS－DP協(xié)議。根據(jù)IEC1158－2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。污水處理中生化池上的PH儀表、污泥濃度儀、溶氧儀可掛到PA上。儀表通信協(xié)議是HART協(xié)議，攜帶模擬量信號(hào)，DP總線上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，對(duì)疊加的0.5mA模擬量信號(hào)解調(diào)后，數(shù)據(jù)進(jìn)行Profibus-DP協(xié)議的封裝經(jīng)總線傳到CPU進(jìn)行處理由上位機(jī)查詢。 DP/PA耦合模塊的作用是網(wǎng)關(guān)。這種方式在無(wú)從站時(shí)運(yùn)行問(wèn)題不大，但加入從站后并存在從站之間的DX通信后，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能不能得到有效的保證，有時(shí)從站數(shù)據(jù)的刷新達(dá)到了3-4S。這存在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎屯絾?wèn)題，西門子的Profibus速度在實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)12Mbit/s，實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境決定了根本不能達(dá)到該速度，必須進(jìn)行大量的冗余編碼，性能甚至比不上512KB/s的CONTROLNET。同步的方式采用的是主站向從站廣播，從站根據(jù)主站的同步信息來(lái)與主站同步。在多主系統(tǒng)中相互通信的從站與所屬的主站必須同步，主站的同步和從站的同步需要一定的時(shí)間。

通訊的基本原理是使用OSI模型的不同層作為子集。該轉(zhuǎn)換中只涉及到了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，保證其底層的無(wú)差錯(cuò)傳輸。基本的 RS-485接口即DP口僅僅定義了物理層，確保兩個(gè)RS-485設(shè)備之間進(jìn)行電氣連接而不會(huì)造成電氣沖突。但要在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)解釋，需要兩個(gè)設(shè)備都使用相同的協(xié)議來(lái)定義通訊規(guī)則和數(shù)據(jù)格式。DP/PA網(wǎng)關(guān)位于OSI模型中的一、二層。在物理層上實(shí)現(xiàn)機(jī)械電氣特性和傳輸編碼的轉(zhuǎn)換；在數(shù)據(jù)鏈路層上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的重新封裝。

3  Profibus與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的兼容

這兩種協(xié)議兼容本質(zhì)是PROFINET（PROFINET=Profibus+IE/PBLink+工業(yè)以太網(wǎng)）。從傳輸協(xié)議角度上講，PROFINET可定義三種不同的通信方式：TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信NRT、實(shí)時(shí)RT通信和等時(shí)同步實(shí)時(shí)IRT通信。TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信NRT這種通信方式基于工業(yè)以太網(wǎng)，使用 TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間大概在100ms的量級(jí)，并且不能滿足數(shù)據(jù)訪問(wèn)響應(yīng)時(shí)間確定性的要求。NRT主要用于智能設(shè)備之間時(shí)間要求不嚴(yán)格的通訊，例如組態(tài)診斷及HMI訪問(wèn)等非周期的數(shù)據(jù)交換。其他兩種通信方式主要是對(duì)通信的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求，分成TCP數(shù)據(jù)周期和過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)周期傳輸。標(biāo)準(zhǔn)通信NRT就能滿足節(jié)點(diǎn)不同的情況。以沱牌污水處理工程中遇到這種情況為例： 

在上圖中，沒考慮工業(yè)以太網(wǎng)上的其它3個(gè)PLC 站，S7CPU315-2DP（B）為主站，S7CPU315-2DP（A）為從站，兩者之間是Profibus-DP主從通信，而主站B到中控是通過(guò)西門子自身的工業(yè)以太網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)后， B在作為主站的同時(shí)也作為A與中控通信的一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)西門子的Profibus協(xié)議到西門子工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。按照西門子的標(biāo)準(zhǔn)，該轉(zhuǎn)換是需要主站上一級(jí)加一個(gè)轉(zhuǎn)換器IE/PB LINK的。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況來(lái)看，與從站A相連的污泥脫水機(jī)從節(jié)電的考慮，PLC時(shí)開時(shí)斷，導(dǎo)致主站B在不斷地對(duì)從站A尋址，從STEP7的診斷緩沖區(qū)來(lái)看是一個(gè)錯(cuò)誤（從站的丟失導(dǎo)致與組態(tài)的不一致），曾出現(xiàn)過(guò)幾次主站B短時(shí)間掉電后又重啟動(dòng)的情況，由于主站B又是工業(yè)以太網(wǎng)上去中控的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它的不穩(wěn)定導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。實(shí)際解決時(shí)提出三種解決辦法：一是將Profibus變成工業(yè)以太網(wǎng)，使A變成工業(yè)以太網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)，與其它PLC對(duì)等，組成一個(gè)總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但必須增加交換機(jī)，改變布線。二是將A長(zhǎng)期開啟，使實(shí)際的主從運(yùn)行情況和組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)一致。三是直接將A通過(guò)RJ45連接到現(xiàn)有的交換機(jī)上重新組態(tài)為星型與總線型混合的網(wǎng)絡(luò)從成本考慮，選用了組成全工業(yè)以太網(wǎng)的總線型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，報(bào)警錯(cuò)誤消失。此時(shí)兩個(gè)PLC成為對(duì)等競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)延遲不穩(wěn)定但在控制要求范圍內(nèi)，避免了掉電重啟影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

4  Profibus和Modbus協(xié)議的兼容

這里的Modbus協(xié)議是指Modbus Plus，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，不考慮所謂的Modbus/TCP。可以通過(guò)下列三種方式實(shí)現(xiàn)Modbus通信：以太網(wǎng)上的TCP/IP、 Modbus PLUS、Modbus數(shù)據(jù)單元。以沱牌污水中監(jiān)控鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況為例，主干網(wǎng)為四個(gè)PLC站組成總線型的西門子工業(yè)以太網(wǎng)，三套鼓風(fēng)機(jī)自成一個(gè)系統(tǒng)采用Modbus總線，由施耐德PLC控制鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停止。鼓風(fēng)機(jī)曝氣為CASS污水處理工藝的關(guān)鍵，該過(guò)程中要監(jiān)視風(fēng)機(jī)負(fù)荷參數(shù)。最初采用的方案是通過(guò)西門子PLC，圖1的主站B和施耐德PLC之間通過(guò)通信模塊的編程，將鼓風(fēng)機(jī)的參數(shù)通過(guò)西門子PLC傳到中控WINCC，編程需要生成通信的ID號(hào)，設(shè)置好通信方式和其通信狀態(tài)的監(jiān)控位，配置存儲(chǔ)區(qū)組態(tài)下載。監(jiān)控參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)域在DB塊中，程序上必須將其打開。利用VC進(jìn)行OPC接口編程后在WINCC中監(jiān)視（WINCC本身不帶識(shí)別Modbus數(shù)據(jù)類型的功能，利用VC或VB進(jìn)行轉(zhuǎn)換）。監(jiān)視的過(guò)程發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取速度極慢，經(jīng)分析為OPCserver與VC 占用空間，主站B本身通信負(fù)擔(dān)重，局部通信存在不穩(wěn)定性的原因。采用第三方設(shè)備，設(shè)備上增加了ANYBUS-X串行網(wǎng)關(guān)通過(guò)RJ45接口掛接到主站B的交換機(jī)上，Kepserver作為OPCserver，WINCC作為一個(gè)OPC的客戶端訪問(wèn)Kepserver集中監(jiān)控。WINCC上看到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)也有一定的延遲，但滿足控制要求。理論上分析，從WINCC上的歸檔數(shù)據(jù)可看出TCP的三次握手機(jī)制初期的連接建立的延遲抖動(dòng)和Kepserver上的軟件延遲不可避免。現(xiàn)場(chǎng)采用的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制是事件觸發(fā)，鼓風(fēng)機(jī)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)有數(shù)據(jù)傳送，節(jié)省了帶寬，不影響主站B的傳送，數(shù)據(jù)顯示比較穩(wěn)定。該方案是在物理層上ANYBUS-X是網(wǎng)關(guān)，應(yīng)用層Kepserver為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控。在監(jiān)控時(shí)將鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)做成了一個(gè)組件，方便調(diào)試和維護(hù)。 

5  組件化方法

將控制系統(tǒng)中的設(shè)備屬性做成一個(gè)組件放入到庫(kù)中，在組態(tài)時(shí)將其下載到控制器中，配置需要通信的數(shù)據(jù)通信是今后的發(fā)展方向。底層的各種現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)代理連到工業(yè)以太網(wǎng)上，對(duì)代理網(wǎng)關(guān)的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換要求提高。應(yīng)用層采用統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)一的OPCserver,在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。由于設(shè)備的繁多可將其分類，方便調(diào)試和維護(hù)。該方法對(duì)底層設(shè)備和組態(tài)軟件提出了更高的要求。

6  小結(jié)

本文通過(guò)各種形式的網(wǎng)關(guān)成功解決了沱牌污處理中的不同網(wǎng)絡(luò)間的通信問(wèn)題，以組件化的思想在控制要求內(nèi)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一監(jiān)控。工業(yè)以太網(wǎng)+TCP/IP正成為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)底層通信規(guī)范，應(yīng)用層以O(shè)PC數(shù)據(jù)接口作為標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)備的各種屬性在上位機(jī)上組件化實(shí)現(xiàn)組態(tài)直接下載正成為今后的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭文波.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新.測(cè)控技術(shù),2000,6(8).

[2]崔堅(jiān),李佳,楊光.西門子工業(yè)通信指南.機(jī)械工業(yè)出版社,2005.