現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換機理及實現(xiàn)
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2.3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的研究開發(fā)
工業(yè)以太網(wǎng)是人們基于以太網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的現(xiàn)場總線協(xié)議，目前常用的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中主要采用以下幾種方法實現(xiàn)[4]：
① 封裝法
將現(xiàn)場總線的報文作為“用戶數(shù)據(jù)”原封不動地嵌入到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)場總線系統(tǒng)，而且可以同時傳輸幾種不同現(xiàn)場總線類型的數(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。
② 拆分法
將較長的TCP/IP數(shù)據(jù)幀拆開嵌入到總線的報文中進(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報文。采用這種方法的優(yōu)點是原有的現(xiàn)場總線設(shè)備在現(xiàn)場可以繼續(xù)使用，運行時候的現(xiàn)場總線短報文信息的傳輸效率大大提高。Interbus On Ethernet采用的是這種方法。
③ 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)用的統(tǒng)一軟件結(jié)構(gòu)的自動化技術(shù)(CBA)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而最大限度地保護(hù)了原有的現(xiàn)場總線設(shè)備，還可以實現(xiàn)統(tǒng)一的概念，典型代表如ProfiNet等。
所有這些開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)基本上實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備級與過程管理級之間的信息垂直集成，大幅度提高了系統(tǒng)性能。
3 支持多協(xié)議轉(zhuǎn)換的測控平臺研發(fā)
針對單一現(xiàn)場總線協(xié)議與工業(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)場總線分類越來越細(xì)化的情況下，同一系統(tǒng)中如何集成工業(yè)以太網(wǎng)與多種現(xiàn)場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)議目前占有的市場份額最大，而Modbus-TCP/IP 工業(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 工業(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。
研究支持工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus、DeviceNet 等3 種總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)針對兩種以上的協(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，既可以實現(xiàn)MODBUS/TCP 工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點功能，又可以實現(xiàn)DeviceNet 現(xiàn)場總線主節(jié)點和Profibus DP現(xiàn)場總線主節(jié)點的功能，轉(zhuǎn)換器可以對一個DeviceNet 或Profibus DP 主/從網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)和管理，可以掃描網(wǎng)絡(luò)上各個從節(jié)點的狀態(tài)，并與各個從節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可將各個從節(jié)點的信息上傳至工業(yè)以太網(wǎng)，并可將工業(yè)以太網(wǎng)上的信息下發(fā)至兩種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的各個從節(jié)點，由此實現(xiàn)了協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。
為測試多協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置的協(xié)議轉(zhuǎn)換效率及保證3種通信網(wǎng)絡(luò)在同一系統(tǒng)內(nèi)的兼容性，以一套實驗鍋爐系統(tǒng)構(gòu)建了測控平臺。平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 測控平臺總體結(jié)構(gòu)圖
圖6 測控平臺示意圖
現(xiàn)場總線作為比較成熟的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)將繼續(xù)普遍應(yīng)用在現(xiàn)場控制中。如何能更好地解決現(xiàn)場總線之間以及現(xiàn)場總線與以太網(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)的深入研究和應(yīng)用，將有助于在更大程度上推動現(xiàn)場總線的發(fā)展和普及。
參考文獻(xiàn)
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