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。現(xiàn)場總線是指以工廠內(nèi)的測量和控制機器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機器間的主體配線是ON/OFF、接點信號和模擬信號，通過通訊的數(shù)字化，使時間分割、多重化、多點化成為可能，從而實現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡便化、節(jié)省配線（配線的共享）。

　　現(xiàn)場總線（Fieldbus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于現(xiàn)場總線技術(shù)過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點，并將導致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)。現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 :具有一定的時間確定性和較高的實時性要求，還具有網(wǎng)絡(luò)負載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。

　　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標準，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。基本的 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標準通信NRT、實時RT通信和等時同步實時IRT通信。TCP/IP標準通信NRT這種通信方式基于工業(yè)以太網(wǎng)，使用 TCP/IP和IT標準，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。標準通信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)。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)上去中控的一個節(jié)點，它的不穩(wěn)定導致整個網(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。可以通過下列三種方式實現(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)，三套鼓風機自成一個系統(tǒng)采用Modbus總線，由施耐德PLC控制鼓風機啟動和停止。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本身通信負擔重，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。現(xiàn)場采用的數(shù)據(jù)傳送機制是事件觸發(fā)，鼓風機的參數(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。目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensor bus），屬于位傳輸；設(shè)備總線（device bus），屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。