現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)理及實(shí)現(xiàn)
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現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種先進(jìn)的控制技術(shù)，它的出現(xiàn)被譽(yù)為20世紀(jì)90年代工業(yè)控制領(lǐng)域的一場革命[1]。與其他工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相比，現(xiàn)場總線采用串行的數(shù)字通信方式，具有實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)。目前現(xiàn)場總線的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
① 多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)并存
為了反映工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，國際電工委員會(huì)（IEC）于2000年公布通過了IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，容納了8種互不兼容的控制層協(xié)議。2003年的新版本進(jìn)一步達(dá)到了10種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，另外還有3種設(shè)備級現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)稱為“10＋3”種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
同時(shí)存在這么多種國際標(biāo)準(zhǔn)，原因除了經(jīng)濟(jì)利益上的沖突以外，還有著客觀上的原因：
新技術(shù)和新事物的層出不窮，目前沒有一種現(xiàn)場總線可以滿足所有要求，用戶不得不根據(jù)自己的需要選擇不同的現(xiàn)場總線設(shè)備。因此，多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)狀還將持續(xù)下去。
② 以太網(wǎng)技術(shù)融入現(xiàn)場總線
在OSI/ISO七層協(xié)議中，以太網(wǎng)本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，它的控制協(xié)議使用TCP/IP協(xié)議:TCP(transmission control protocol)用來保證傳輸?shù)目煽啃?；IP(internet protocol)用來確定信息傳遞路線。
隨著過程控制領(lǐng)域內(nèi)上層通信與互聯(lián)網(wǎng)通信一樣逐步統(tǒng)一到以太網(wǎng)，將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制的呼聲越來越高。以太網(wǎng)融入現(xiàn)場總線的最大障礙是以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層采用CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，這種協(xié)議在負(fù)載較重的情況下，會(huì)因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)上發(fā)生碰撞而產(chǎn)生擁塞，影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。另外以太網(wǎng)一般抗干擾性能較差，不具備本質(zhì)安全性能，不能向現(xiàn)場儀表供電。但隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，它的傳送速率大幅度提高，物理層標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化以及千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)性得到提高，使其逐步可以應(yīng)用在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，形成了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[13]。
與傳統(tǒng)現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)有著明顯的優(yōu)勢。它可以實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備的功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及監(jiān)管控一體化，具有低成本、高性能的特點(diǎn)[9]。
現(xiàn)在常用的工業(yè)以太網(wǎng)主要包括美國 Rockwell 公司推出的Ethernet/IP、德國Siemens 公司推出的ProfiNet、法國施奈德公司推出的Modbus/TCP 等[5]。2004 年1 月，IEC/SC65C 將包括中國開發(fā)的以太網(wǎng)協(xié)議EPA 在內(nèi)的6 種非國際標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)作為IEC 的PAS（publicly
available specification）文件出版，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的國際化將使得工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)取得更加迅猛的發(fā)展。
③ 無線現(xiàn)場總線發(fā)展迅速
無線現(xiàn)場總線（R-fieldbus）的提出旨在利用現(xiàn)有的迅猛發(fā)展的無線移動(dòng)通信技術(shù)，在有線的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)一種在工廠的現(xiàn)場設(shè)備層的、具有無線移動(dòng)接入能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無線現(xiàn)場總線，使信息能夠從Internet 層，工廠的監(jiān)控層到現(xiàn)場設(shè)備控制層之間實(shí)現(xiàn)無縫隙的交換與溝通、透明的集成與融合。無線現(xiàn)場總線能夠集成解決工業(yè)環(huán)境下諸如移動(dòng)對象、危險(xiǎn)環(huán)境對象與傳統(tǒng)的有線連接對象之間的符合工業(yè)級實(shí)時(shí)要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數(shù)據(jù)的通信和控制問題。
在滿足無線與有線集成后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求的前提下，無線現(xiàn)場總線可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場層應(yīng)用無線數(shù)字通信技術(shù)，使它與原有的有線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地集成為一體，讓無線網(wǎng)段成為有線網(wǎng)段的自然擴(kuò)展，真正地把每一個(gè)需要接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)設(shè)備都連成一體。
無線現(xiàn)場總線利用了無線技術(shù)對現(xiàn)場總線技術(shù)的擴(kuò)充，在許多場合具有不可替代的作用。開始得到人們的重視并迅速發(fā)展，在歐洲將無線技術(shù)與Profibus 技術(shù)相結(jié)合的研究已經(jīng)取得階段性的成功。
2 現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)理研究
2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換研究的必要性
在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，多種標(biāo)準(zhǔn)并存將是現(xiàn)場總線發(fā)展的最主要特征。多標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上就是意味著沒有標(biāo)準(zhǔn)，各種總線采用的通信標(biāo)準(zhǔn)的不同以及總線協(xié)議的多樣性和互不兼容性使得總線系統(tǒng)間的互聯(lián)性和互操作性大大降低。另外，不同類型的現(xiàn)場總線具有不同的形成背景和使用環(huán)境。如圖1 所示[1]，每一個(gè)應(yīng)用層次中都有著不止一種現(xiàn)場總線類型可以選擇，但同時(shí)也使得復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中選擇應(yīng)用何種現(xiàn)場總線類型成為一個(gè)問題。
圖 1 各類現(xiàn)場總線的應(yīng)用范圍
面對現(xiàn)場總線領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)繁多、產(chǎn)品混亂的局面，如何在一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)中集成使用各種通信協(xié)議的現(xiàn)場總線設(shè)備，如何整合現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)產(chǎn)品，已成為現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的瓶頸?？偨Y(jié)目前研究成果，現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換可以在過程控制級或現(xiàn)場設(shè)備級實(shí)現(xiàn)[8]。
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