1  流行現(xiàn)場總線介紹

現(xiàn)場工藝是由許多相關(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)場總線。各種現(xiàn)場總線都有其應(yīng)用的優(yōu)勢，基金會總線應(yīng)用到現(xiàn)場級，Lonworks總線用到樓宇，CAN總線用在汽車方面等等?？偩€協(xié)議是一個大的集合，針對現(xiàn)場情況和應(yīng)用場合又有自身的特點。以在中國應(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)場總線信息規(guī)范和低層接口。FMS主要用于上位機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)場分散的I/O設(shè)備之間的通信。DP主要是過程控制級的通信，分為三個版本，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包括面向過程自動化的增強功能，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行在線訪問。V2包括更高級的功能主要面向驅(qū)動器技術(shù)的需求。Profibus-PA使用擴展的Profibus-DP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸并具備本質(zhì)安全和總線供電。Modbus總線協(xié)議相對簡單，就主要由源地址、目的地址、幾個功能碼和CRC數(shù)據(jù)校驗組成。Modbus協(xié)議的開放性和二次開發(fā)性已經(jīng)在實踐中證明了其應(yīng)用的靈活性。工業(yè)以太網(wǎng)的速度優(yōu)勢使其在控制領(lǐng)域迅速發(fā)展，但其CSMA/CD機制使其在應(yīng)用時必須和TCP /IP相結(jié)合，以達(dá)到系統(tǒng)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，保證實時數(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級的簡單主從協(xié)議，主站之間采用邏輯令牌環(huán)來循環(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)場儀表。西門子的STEP7組態(tài)軟件進行網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時要添加 DP/PA耦合的模塊將兩中網(wǎng)絡(luò)連接起來。PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴展的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，而且可通過總線給現(xiàn)場設(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，DP總線上傳輸?shù)臄?shù)字信號，對疊加的0.5mA模擬量信號解調(diào)后，數(shù)據(jù)進行Profibus-DP協(xié)議的封裝經(jīng)總線傳到CPU進行處理由上位機查詢。 DP/PA耦合模塊的作用是網(wǎng)關(guān)。這種方式在無從站時運行問題不大，但加入從站后并存在從站之間的DX通信后，網(wǎng)絡(luò)的實時性能不能得到有效的保證，有時從站數(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絾栴}，西門子的Profibus速度在實驗室的數(shù)據(jù)12Mbit/s，實際的現(xiàn)場環(huán)境決定了根本不能達(dá)到該速度，必須進行大量的冗余編碼，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，保證其底層的無差錯傳輸?；镜?nbsp;RS-485接口即DP口僅僅定義了物理層，確保兩個RS-485設(shè)備之間進行電氣連接而不會造成電氣沖突。但要在兩個設(shè)備之間進行通訊和數(shù)據(jù)解釋，需要兩個設(shè)備都使用相同的協(xié)議來定義通訊規(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。在物理層上實現(xiàn)機械電氣特性和傳輸編碼的轉(zhuǎn)換；在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(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、實時RT通信和等時同步實時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)時間大概在100ms的量級，并且不能滿足數(shù)據(jù)訪問響應(yīng)時間確定性的要求。NRT主要用于智能設(shè)備之間時間要求不嚴(yán)格的通訊，例如組態(tài)診斷及HMI訪問等非周期的數(shù)據(jù)交換。其他兩種通信方式主要是對通信的實時性提出了更高的要求，分成TCP數(shù)據(jù)周期和過程數(shù)據(jù)實時周期傳輸。標(biāo)準(zhǔn)通信NRT就能滿足節(jié)點不同的情況。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在作為主站的同時也作為A與中控通信的一個網(wǎng)關(guān)，實現(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加一個轉(zhuǎn)換器IE/PB LINK的。從現(xiàn)場運行的情況來看，與從站A相連的污泥脫水機從節(jié)電的考慮，PLC時開時斷，導(dǎo)致主站B在不斷地對從站A尋址，從STEP7的診斷緩沖區(qū)來看是一個錯誤（從站的丟失導(dǎo)致與組態(tài)的不一致），曾出現(xiàn)過幾次主站B短時間掉電后又重啟動的情況，由于主站B又是工業(yè)以太網(wǎng)上去中控的最后一個節(jié)點，它的不穩(wěn)定導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。實際解決時提出三種解決辦法：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，與其它PLC對等，組成一個總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但必須增加交換機，改變布線。二是將A長期開啟，使實際的主從運行情況和組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)一致。三是直接將A通過RJ45連接到現(xiàn)有的交換機上重新組態(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)，報警錯誤消失。此時兩個PLC成為對等競爭關(guān)系，監(jiān)控數(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?？梢酝ㄟ^下列三種方式實現(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)機的實際情況為例，主干網(wǎng)為四個PLC站組成總線型的西門子工業(yè)以太網(wǎng)，三套鼓風(fēng)機自成一個系統(tǒng)采用Modbus總線，由施耐德PLC控制鼓風(fēng)機啟動和停止。鼓風(fēng)機曝氣為CASS污水處理工藝的關(guān)鍵，該過程中要監(jiān)視風(fēng)機負(fù)荷參數(shù)。最初采用的方案是通過西門子PLC，圖1的主站B和施耐德PLC之間通過通信模塊的編程，將鼓風(fēng)機的參數(shù)通過西門子PLC傳到中控WINCC，編程需要生成通信的ID號，設(shè)置好通信方式和其通信狀態(tài)的監(jiān)控位，配置存儲區(qū)組態(tài)下載。監(jiān)控參數(shù)存儲區(qū)域在DB塊中，程序上必須將其打開。利用VC進行OPC接口編程后在WINCC中監(jiān)視（WINCC本身不帶識別Modbus數(shù)據(jù)類型的功能，利用VC或VB進行轉(zhuǎn)換）。監(jiān)視的過程發(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RJ45接口掛接到主站B的交換機上，Kepserver作為OPCserver，WINCC作為一個OPC的客戶端訪問Kepserver集中監(jiān)控。WINCC上看到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(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的三次握手機制初期的連接建立的延遲抖動和Kepserver上的軟件延遲不可避免?，F(xiàn)場采用的數(shù)據(jù)傳送機制是事件觸發(fā)，鼓風(fēng)機的參數(shù)發(fā)生變化時才會有數(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)，實現(xiàn)了集中監(jiān)控。在監(jiān)控時將鼓風(fēng)機參數(shù)做成了一個組件，方便調(diào)試和維護。 

5  組件化方法

將控制系統(tǒng)中的設(shè)備屬性做成一個組件放入到庫中，在組態(tài)時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)場總線通過代理連到工業(yè)以太網(wǎng)上，對代理網(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,在同一個數(shù)據(jù)庫中進行數(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。該方法對底層設(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)間的通信問題，以組件化的思想在控制要求內(nèi)實現(xiàn)了統(tǒng)一監(jiān)控。工業(yè)以太網(wǎng)+TCP/IP正成為現(xiàn)場級底層通信規(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上組件化實現(xiàn)組態(tài)直接下載正成為今后的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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