1  流行现场总线介绍

　　现场工艺是由许多相关工艺段组成，根据控制的需求和厂家的要求，有可能采用不同的现场总线。各种现场总线都有其应用的优势，基金会总线应用到现场级，Lonworks总线用到楼宇，CAN总线用在汽车方面等等。现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。

　　现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于现场总线技术过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

　　2  西门子自身总线协议（Profibus）的兼容

　　Profibus-DP协议是用于I/O级的简单主从协议，主站之间采用逻辑令牌环来循环得到总线的控制权。Profibus-PA总线上主要是用于挂接一些现场仪表。西门子的STEP7组态软件进行网网络组态时要添加 DP/PA耦合的模块将两中网络连接起来。PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS－DP协议。根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。污水处理中生化池上的PH仪表、污泥浓度仪、溶氧仪可挂到PA上。仪表通信协议是HART协议，携带模拟量信号，DP总线上传输的数字信号，对叠加的0.5mA模拟量信号解调后，数据进行Profibus-DP协议的封装经总线传到CPU进行处理由上位机查询。 DP/PA耦合模块的作用是网关。这种方式在无从站时运行问题不大，但加入从站后并存在从站之间的DX通信后，网络的实时性能不能得到有效的保证，有时从站数据的刷新达到了3-4S。这存在数据传输的效率和同步问题，西门子的Profibus速度在实验室的数据12Mbit/s，实际的现场环境决定了根本不能达到该速度，必须进行大量的冗余编码，性能甚至比不上512KB/s的CONTROLNET。同步的方式采用的是主站向从站广播，从站根据主站的同步信息来与主站同步。在多主系统中相互通信的从站与所属的主站必须同步，主站的同步和从站的同步需要一定的时间。

　　通讯的基本原理是使用OSI模型的不同层作为子集。该转换中只涉及到了物理层和数据链路层，保证其底层的无差错传输。基本的 RS-485接口即DP口仅仅定义了物理层，确保两个RS-485设备之间进行电气连接而不会造成电气冲突。但要在两个设备之间进行通讯和数据解释，需要两个设备都使用相同的协议来定义通讯规则和数据格式。DP/PA网关位于OSI模型中的一、二层。在物理层上实现机械电气特性和传输编码的转换；在数据链路层上实现数据帧的重新封装。

　　3  Profibus与工业以太网协议的兼容

　　这两种协议兼容本质是PROFINET（PROFINET=Profibus+IE/PBLink+工业以太网）。从传输协议角度上讲，PROFINET可定义三种不同的通信方式：TCP/IP标准通信NRT、实时RT通信和等时同步实时IRT通信。TCP/IP标准通信NRT这种通信方式基于工业以太网，使用 TCP/IP和IT标准，系统响应时间大概在100ms的量级，并且不能满足数据访问响应时间确定性的要求。NRT主要用于智能设备之间时间要求不严格的通讯，例如组态诊断及HMI访问等非周期的数据交换。其他两种通信方式主要是对通信的实时性提出了更高的要求，分成TCP数据周期和过程数据实时周期传输。标准通信NRT就能满足节点不同的情况。以沱牌污水处理工程中遇到这种情况为例：

　　在上图中，没考虑工业以太网上的其它3个PLC 站，S7CPU315-2DP（B）为主站，S7CPU315-2DP（A）为从站，两者之间是Profibus-DP主从通信，而主站B到中控是通过西门子自身的工业以太网。从现场运行的情况来看，与从站A相连的污泥脱水机从节电的考虑，PLC时开时断，导致主站B在不断地对从站A寻址，从STEP7的诊断缓冲区来看是一个错误（从站的丢失导致与组态的不一致），曾出现过几次主站B短时间掉电后又重启动的情况，由于主站B又是工业以太网上去中控的一个节点，它的不稳定导致整个网络不稳定。实际解决时提出三种解决办法：一是将Profibus变成工业以太网，使A变成工业以太网上的节点，与其它PLC对等，组成一个总线型网络结构，但必须增加交换机，改变布线。二是将A长期开启，使实际的主从运行情况和组态的网络一致。三是直接将A通过RJ45连接到现有的交换机上重新组态为星型与总线型混合的网络从成本考虑，选用了组成全工业以太网的总线型结构网络，报警错误消失。此时两个PLC成为对等竞争关系，监控数据延迟不稳定但在控制要求范围内，避免了掉电重启影响整个网络。

　　4  Profibus和Modbus协议的兼容

　　这里的Modbus协议是指Modbus Plus，包括物理层和数据链路层，不考虑所谓的Modbus/TCP。可以通过下列三种方式实现Modbus通信：以太网上的TCP/IP、 Modbus PLUS、Modbus数据单元。以沱牌污水中监控鼓风机的实际情况为例，主干网为四个PLC站组成总线型的西门子工业以太网，三套鼓风机自成一个系统采用Modbus总线，由施耐德PLC控制鼓风机启动和停止。利用VC进行OPC接口编程后在WINCC中监视（WINCC本身不带识别Modbus数据类型的功能，利用VC或VB进行转换）。监视的过程发现数据提取速度极慢，经分析为OPCserver与VC 占用空间，主站B本身通信负担重，局部通信存在不稳定性的原因。采用第三方设备，设备上增加了ANYBUS-X串行网关通过RJ45接口挂接到主站B的交换机上，Kepserver作为OPCserver，WINCC作为一个OPC的客户端访问Kepserver集中监控。WINCC上看到的数据和现场数据也有一定的延迟，但满足控制要求。理论上分析，从WINCC上的归档数据可看出TCP的三次握手机制初期的连接建立的延迟抖动和Kepserver上的软件延迟不可避免。现场采用的数据传送机制是事件触发，鼓风机的参数发生变化时才会有数据传送，节省了带宽，不影响主站B的传送，数据显示比较稳定。该方案是在物理层上ANYBUS-X是网关，应用层Kepserver为网关，实现了集中监控。在监控时将鼓风机参数做成了一个组件，方便调试和维护。

　　5  组件化方法

　　将控制系统中的设备属性做成一个组件放入到库中，在组态时将其到控制器中，配置需要通信的数据通信是今后的发展方向。底层的各种现场总线通过代理连到工业以太网上，对代理网关的传输协议转换要求提高。应用层采用统一的OPC数据接口，统一的OPCserver,在同一个数据库中进行数据提取。由于设备的繁多可将其分类，方便调试和维护。该方法对底层设备和组态软件提出了更高的要求。

　　6  小结

　　本文通过各种形式的网关成功解决了沱牌污处理中的不同网络间的通信问题，以组件化的思想在控制要求内实现了统一监控。目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线（sensor bus），属于位传输；设备总线（device bus），属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。