现场总线协议转换机理及实现 - 文章

现场总线协议转换机理及实现

作者：上海大学丁磊费敏锐陈维刚

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摘要：总结了现场总线的发展现状，指出了研究现场总线协议转换技术的必要性，描述了常见现场总线协议转换的机理。最后介绍了采用协议转换原理研究开发的一种支持工业以太网与多种现场总线技术转换的多协议转换器。
关键词：工业以太网现场总线系统集成协议转换

1 现场总线的发展现状

现场总线是20世纪80年代中期发展起来的一种先进的控制技术，它的出现被誉为20世纪90年代工业控制领域的一场革命[1]。与其他工业控制网络相比，现场总线采用串行的数字通信方式，具有实时性好、稳定性高等特点，迅速发展成为工业控制网络中使用最广泛的通信网络。目前现场总线的发展主要呈现以下特点：

① 多种现场总线标准并存

为了反映工业网络通信技术的发展，国际电工委员会（IEC）于2000年公布通过了IEC61158现场总线标准，容纳了8种互不兼容的控制层协议。2003年的新版本进一步达到了10种现场总线标准，另外还有3种设备级现场总线标准，统称为“10＋3”种现场总线网络协议。

同时存在这么多种国际标准，原因除了经济利益上的冲突以外，还有着客观上的原因：

新技术和新事物的层出不穷，目前没有一种现场总线可以满足所有要求，用户不得不根据自己的需要选择不同的现场总线设备。因此，多种现场总线标准并存的现状还将持续下去。

② 以太网技术融入现场总线

在OSI/ISO七层协议中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层，它的控制协议使用TCP/IP协议:TCP(transmission control protocol)用来保证传输的可靠性；IP(internet protocol)用来确定信息传递路线。

随着过程控制领域内上层通信与互联网通信一样逐步统一到以太网，将以太网用于工业控制的呼声越来越高。以太网融入现场总线的最大障碍是以太网在数据链路层采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)介质访问控制协议，这种协议在负载较重的情况下，会因为在网络上发生碰撞而产生拥塞，影响数据的实时性。另外以太网一般抗干扰性能较差，不具备本质安全性能，不能向现场仪表供电。但随着以太网技术的发展，它的传送速率大幅度提高，物理层标准的工业化以及千兆以太网技术和无碰撞全双工光纤技术的出现，以太网技术的实时性得到提高，使其逐步可以应用在工业控制网络中，形成了工业以太网技术[13]。

与传统现场总线相比，工业以太网有着明显的优势。它可以实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及监管控一体化，具有低成本、高性能的特点[9]。

现在常用的工业以太网主要包括美国 Rockwell 公司推出的Ethernet/IP、德国Siemens 公司推出的ProfiNet、法国施奈德公司推出的Modbus/TCP 等[5]。2004 年1 月，IEC/SC65C 将包括中国开发的以太网协议EPA 在内的6 种非国际标准以太网技术作为IEC 的PAS（publicly
available specification）文件出版，协议标准的国际化将使得工业以太网技术取得更加迅猛的发展。

③ 无线现场总线发展迅速

无线现场总线（R-fieldbus）的提出旨在利用现有的迅猛发展的无线移动通信技术，在有线的计算机网络通信技术的支持下，实现一种在工厂的现场设备层的、具有无线移动接入能力的、能传输多媒体信息的高性能无线现场总线，使信息能够从Internet 层，工厂的监控层到现场设备控制层之间实现无缝隙的交换与沟通、透明的集成与融合。无线现场总线能够集成解决工业环境下诸如移动对象、危险环境对象与传统的有线连接对象之间的符合工业级实时要求的、可靠的、兼顾多媒体大容量数据的通信和控制问题。

在满足无线与有线集成后系统的实时性和可靠性要求的前提下，无线现场总线可以在企业网络的现场层应用无线数字通信技术，使它与原有的有线网络有机地集成为一体，让无线网段成为有线网段的自然扩展，真正地把每一个需要接入企业网络的生产设备都连成一体。

无线现场总线利用了无线技术对现场总线技术的扩充，在许多场合具有不可替代的作用。开始得到人们的重视并迅速发展，在欧洲将无线技术与Profibus 技术相结合的研究已经取得阶段性的成功。

2 现场总线协议转换机理研究

2.1 协议转换研究的必要性

在今后相当长的时间内，多种标准并存将是现场总线发展的最主要特征。多标准实际上就是意味着没有标准，各种总线采用的通信标准的不同以及总线协议的多样性和互不兼容性使得总线系统间的互联性和互操作性大大降低。另外，不同类型的现场总线具有不同的形成背景和使用环境。如图1 所示[1]，每一个应用层次中都有着不止一种现场总线类型可以选择，但同时也使得复杂的现场环境中选择应用何种现场总线类型成为一个问题。

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图 1 各类现场总线的应用范围

以太网介入控制的起初目的是解决现场总线标准不统一的问题。随着各种工业以太网标准的推出，它们的应用层标准的不同使相互之间可以互连但还是不能互通，从用户使用的角度出发，需要一个统一的开放的应用层标准[6]。现场总线标准制定的“妥协”形成了今天的多标准混战的情况，同样在巨大的经济利益的驱使下，基于一种技术和一个通用的工业以太网标准的机会已经没有了，今后工业以太网国际标准制定的结果势必又是多种标准的共存。

面对现场总线领域标准繁多、产品混乱的局面，如何在一个复杂的控制系统中集成使用各种通信协议的现场总线设备，如何整合现场总线与以太网产品，已成为现场总线技术应用的瓶颈。总结目前研究成果，现场总线协议转换可以在过程控制级或现场设备级实现[8]。

2.2 过程控制级转换

在过程控制级中应用OPC(OLE for process control)实现现场总线间的转换。OPC是控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互的开放接口标准和技术规范。它采用客户/服务器模式，以OLE/COM机制作为应用程序级的通行标准，将开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方，以服务器的形式提供给客户，并规定了一系列的接口标准，客户负责创建服务器对象和访问服务器支持的接口。从传输数据的角度，OPC服务器的实质相当于一个网关。

它一方面从现场设备读取数据；另一方面把来自不同硬件供应商的不同类型数据转换为统一的OPC数据格式，以OPC接口的方式传送给客户应用程序，从而实现系统信息的集成。通过开发针对不同的现场总线的OPC服务器，应用软件就可以从不同的总线系统读取数据，达到在同一系统中集成不同现场总线类型的目的，系统图如图2所示。

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图2 应用OPC实现总线的系统集成

采用OPC接口的方法实现不同总线间的转换，所有的工作全部在上位机中由软件完成，简单方便。但是由于依赖于上位机，总线系统中节点间的通信较慢，实时性较差，在工业控制中难以应用。

2.3 现场设备级转换

在现场设备级采用协议转换的方法，可以在满足工业控制中实时性要求的基础上实现系统中多种现场总线的集成。针对当前现场总线的发展趋势，协议转换主要应用在现场总线之间、总线与以太网之间以及工业以太网的开发中。

2.3.1 现场总线之间的协议转换

现场总线之间的协议转换最普遍的方法是通过网桥实现任意两种现场总线协议之间的一对一协议转换，将协议转换的工作在总线中完成[2]。网桥要求具有物理接口功能、通信协议功能和操作信息功能，能够实现不同总线系统之间的信息连接和管理。网桥法协议转换的结构模型如图3所示。

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图3 网桥法协议转换的结构模型图

协议转换网桥内包含一个符合总线协议A的设备和一个符合总线协议B的设备，分别通过两个设备的物理接口A和B连接总线A和总线B，在用户层A和B之间进行协议的用户层转换，完成数据交互，达到协议转换的目的。对总线A和B来说，协议转换网桥相当于总线系统中的一个信息设备。采用网桥式协议转换方式可以实现差异较大的总线协议之间的转换[12]。瑞典的HMS公司推出的AnyBus－X系列、北京鼎实创新科技有限公司开发Profibus协议总线桥均采用了这种方法。

2.3.2 现场总线与以太网之间的协议转换

以太网与通用现场总线之间的互连常采用类似隧道技术的方法实现[3]。隧道技术是一种用于异型网络互联的技术，当两个同类网络通过中间复杂的异类网络互联时，常采用隧道技术进行分组交换。当数据帧通过路由器时，路由器并不对帧头部进行协议转换，只是将数据帧作为分组再加上自己的帧头部，向同样位于中间网络的另一路由发送。另一路由收到数据后，去掉中间网络的帧头，继续向后继网络发送。整个过程中，中间网络可以被看成从一个多协议路由伸展到另一个路由的大隧道，分组完全不必关心中间经过什么样的网络，因此大大简化了路由转发和寻址的工作[9]。

以太网与现场总线互联时，隧道技术应用在现场总线的数据链路层，与以太网的传输控制层相连。互联模型如图4所示。

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图4 现场总线与以太网互联协议模型

在模型中的路由器现场总线接口处，只有任何网络协议都具有的物理层和数据链路层。当路由器中的现场总线数据链路层中将物理层得到的数据帧向位于路由器模型中的以太网部分发送时，以太网接口将数据帧加入到有效的IP分组载荷字段中，以预先约定的传输服务访问点TSAP向以太网广播，其中每个TSAP与一个应用程序相连。需要从现场总线接收数据的计算机对特定TSAP进行监听，如果收到符合要求的TSAP报文，则从中取出数据提交给传输层上方的应用程序[10]。

当以太网计算机和现场设备进行数据交换时，首先从系统管理模块处得到该现场设备的信息，并申请一个在现场总线上的虚拟地址。计算机虚拟站点层根据总线协议生成一系列初始化数据包，其中包含数据链路层协议控制信息。数据包的内容和现场总线中的设备刚启动时向现场总线发送的初始化数据完全一样。生成完毕之后，通过总线接口处的数据链路层经由总线物理层发往现场总线。当现场设备有数据要发往以太网计算机时，只需向该计算机的地址发送即可。协议转换器经过数据帧的报文处理后，发送给以太网传输控制层，再由以太网对得到的数据进行监听和处理。

数据在实际站点与计算机上虚拟站点层间的传输过程，类似于两个同构网络使用隧道技术通过中间异构网络传输数据的过程。与过去多层次的网络相比，它的结构简洁，操作灵活。目前，Profibus、DeviceNet、ControlNet和Lonworks都在研究采用这种方法来使用以太网传送报文[7]。

2.3.3 工业以太网的研究开发

工业以太网是人们基于以太网技术开发的现场总线协议，目前常用的工业以太网标准中主要采用以下几种方法实现[4]：

① 封装法

将现场总线的报文作为“用户数据”原封不动地嵌入到TCP/IP的数据帧中，然后放到以太网中进行传送。采用这种方法可以在现有的规范内，自以太网向下兼容现有的现场总线系统，而且可以同时传输几种不同现场总线类型的数据。ControlNet和DeviceNet联合推出的Ethernet/IP、FF推出的HSE以及施奈德开发的Modbus-TCP/IP采用的都是这种方法。

② 拆分法

将较长的TCP/IP数据帧拆开嵌入到总线的报文中进行传送。被分割的数据包在接收方重新装配从而恢复为原来的TCP/IP报文。采用这种方法的优点是原有的现场总线设备在现场可以继续使用，运行时候的现场总线短报文信息的传输效率大大提高。Interbus On Ethernet采用的是这种方法。

③ 网关/代理服务器法

通过网关/代理服务器进行以太网与现场总线之间的协议和信息转换，通过基于开放标准的模块化、分布式应用的统一软件结构的自动化技术(CBA)实现数据交换，从而最大限度地保护了原有的现场总线设备，还可以实现统一的概念，典型代表如ProfiNet等。

所有这些开发的工业以太网基本上实现了现场设备级与过程管理级之间的信息垂直集成，大幅度提高了系统性能。

3 支持多协议转换的测控平台研发

针对单一现场总线协议与工业以太网之间转换的研究已经成为热门，但是在现场总线分类越来越细化的情况下，同一系统中如何集成工业以太网与多种现场总线还有待于在理论和应用上进一步研究与开发。

在 IEC“10+3”种协议标准中，由德国Siemens 公司等支持的Profibus 协议和由美国Rockwell 公司等支持的DeviceNet 协议目前占有的市场份额最大，而Modbus-TCP/IP 工业以太网具有最为广阔的发展空间[11]。此外，Profibus 属10 种控制层协议标准之一，而DeviceNet则属3 种设备层协议标准之一。因此，本文选择Modbus-TCP/IP 工业以太网Profibus 及DeviceNet 这3 种具有代表性的协议之间的多协议转换进行了研究。

研究支持工业以太网、Profibus、DeviceNet 等3 种总线协议转换的转换装置，实现针对两种以上的协议转换和基于不同类族协议标准的协议之间转换。采用类隧道原理研究开发的多协议转换装置，装置中带有以太网接口、DeviceNet 接口和Profibus 接口，既可以实现MODBUS/TCP 工业以太网节点功能，又可以实现DeviceNet 现场总线主节点和Profibus DP现场总线主节点的功能，转换器可以对一个DeviceNet 或Profibus DP 主/从网络进行组网和管理，可以扫描网络上各个从节点的状态，并与各个从节点进行数据通信，可将各个从节点的信息上传至工业以太网，并可将工业以太网上的信息下发至两种现场总线网络上的各个从节点，由此实现了协议转换功能。

为测试多协议转换装置的协议转换效率及保证3种通信网络在同一系统内的兼容性，以一套实验锅炉系统构建了测控平台。平台的总体结构如图5所示。

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图5 测控平台总体结构图

平台内共有5个被控对象，一个以太网节点实现对锅炉出口压力的测量，两个DeviceNet从节点分别实现夹套水温及锅炉水温的控制和测量，两个Profibus DP从节点实现锅炉液位及进口流量的控制和测量。DeviceNet从节点与Profibus从节点分别与多协议转换器中各自的主站模块进行总线通信，完成数据交换。在多协议转换器中，通过协议转换技术实现以太网站点与两种现场总线主站之间的数据交换，达到工业以太网与这两种总线之间的协议转换的目的。平台构建完毕后的测试结果表明，多协议转换器所传输的数据准确、实时，没有发生丢包现象，周期扫描时间达到了毫秒级，完全可以满足工业现场控制的要求。测控平台示意图如图6所示。该系统在第六届上海国际工业博览会上荣获了创新奖。

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图6 测控平台示意图

4 结束语

现场总线作为比较成熟的工业控制网络，在今后相当长的时间内将继续普遍应用在现场控制中。如何能更好地解决现场总线之间以及现场总线与以太网之间的集成，则需要人们更加努力加以解决。协议转换技术的深入研究和应用，将有助于在更大程度上推动现场总线的发展和普及。

参考文献
1 夏德海等. 现场总线的现状及其应用.中国仪器仪表,1998（1），(2),（3）
2 何巧丽等.现场总线中的多总线兼容技术.计算机应用,2002
3 腾斌等. 以太网与现场总线的互连.控制系统,2004
4 李海燕等. 从现场总线到分布式自动化接口技术.自动化仪表,2002
5 陈维刚，费敏锐等.工业控制系统的网络化发展.工业仪表与自动化装置.2004,(1)
6 胡俊. 以太网正在成为一个开放的标准.自动化博览,2004年.
7 Feng-Li Lian, James R. Moyne, and Dawn M. Tilbury, Performance evaluation of control networks: Ethernet, ControlNet, and DeviceNet, IEEE Control Systems Magazine, Vol. 21, No. 1,February, 2001
8 Rajagopal, M.; Miller, R.E. Synthesizing a protocol converter from executable protocol traces. IEEE Transactions on Computers, Volume: 40, Issue: 4, April 1991.
9．Jim Montague. What’s left to say about industrial ethernet , Control Engineering , May 2001 :7～17
10．Ellen Fussel . Striking up communications with factory floor ethernet , ISA:InTech , April 2001 :7～17
11．Felser. M;Sauter T Standardization of Industrial Ethernet –The Next Battlefield, Proceedings of IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, Sept. 22-24, 2004
12．Lobashov, M.; Pratl, G.; Sauter, T.; Applicability of Internet protocols for fieldbus access, Proc. 4th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 28-30 Aug. 2002
13．周晓兵,费敏锐.工业以太网的应用现状及发展前景.自动化仪表,第22卷,第10期,2001(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/31/2010)


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