1 流行現場總線介紹
現場工藝是由許多相關工藝段組成，根據控制的需求和廠家的要求，有可能采用不同的現場總線。各種現場總線都有其應用的優勢，基金會總線應用到現場級，Lonworks總線用到樓宇，CAN總線用在汽車方面等等。總線協議是一個大的集合，針對現場情況和應用場合又有自身的特點。以在中國應用最廣泛的Profibus協議為例，Profibus協議就有DP、 PA、FMS三種。最早的為Profibus-FMS協議，定義了OSI模型的第一、二、七層，應用層包括現場總線信息規范和低層接口。FMS主要用于上位機和控制器之間的通信，是處于信息層的西門子早期總線。Profibus-DP只使用了ISO/OSI標準通信模型的第一層（物理層）和第二層（數據鏈路層），高速的數據傳送特別適合可編程控制器與現場分散的I/O設備之間的通信。DP主要是過程控制級的通信，分為三個版本，V0、V1、V2。V0包括周期數據交換、站、模塊和診斷功能以及四種中斷類型。V1包括面向過程自動化的增強功能，特別是非周期數據通訊，用于智能設備的參數分配、操作、可視化和中斷控制，允許使用工程工具進行在線訪問。V2包括更高級的功能主要面向驅動器技術的需求。Profibus-PA使用擴展的Profibus-DP協議進行數據傳輸并具備本質安全和總線供電。Modbus總線協議相對簡單，就主要由源地址、目的地址、幾個功能碼和CRC數據校驗組成。Modbus協議的開放性和二次開發性已經在實踐中證明了其應用的靈活性。工業以太網的速度優勢使其在控制領域迅速發展，但其CSMA/CD機制使其在應用時必須和TCP /IP相結合，以達到系統可靠性的標準，保證實時數據的通信。
2 西門子自身總線協議（Profibus）的兼容
Profibus-DP協議是用于I/O級的簡單主從協議，主站之間采用邏輯令牌環來循環得到總線的控制權。Profibus-PA總線上主要是用于掛接一些現場儀表。西門子的STEP7組態軟件進行網網絡組態時要添加 DP/PA耦合的模塊將兩中網絡連接起來。PA的數據傳輸采用擴展的PROFIBUS－DP協議。根據IEC1158－2標準，PA的傳輸技術可確保其本征安全性，而且可通過總線給現場設備供電。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。儀表通信協議是HART協議，攜帶模擬量信號，DP總線上傳輸的數字信號，對疊加的0.5mA模擬量信號解調后，數據進行Profibus-DP協議的封裝經總線傳到CPU進行處理由上位機查詢。 DP/PA耦合模塊的作用是網關。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，網絡的實時性能不能得到有效的保證，有時從站數據的刷新達到了3-4S。這存在數據傳輸的效率和同步問題，西門子的Profibus速度在實驗室的數據12Mbit/s，實際的現場環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，從站根據主站的同步信息來與主站同步。在多主系統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。該轉換中只涉及到了物理層和數據鏈路層，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設備之間進行電氣連接而不會造成電氣沖突。但要在兩個設備之間進行通訊和數據解釋，需要兩個設備都使用相同的協議來定義通訊規則和數據格式。DP/PA網關位于OSI模型中的一、二層。在物理層上實現機械電氣特性和傳輸編碼的轉換；在數據鏈路層上實現數據幀的重新封裝。
3 Profibus與工業以太網協議的兼容
這兩種協議兼容本質是PROFINET（PROFINET=Profibus+IE/PBLink+工業以太網）。從傳輸協議角度上講，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以太網，使用 TCP/IP和IT標準，系統響應時間大概在100ms的量級，并且不能滿足數據訪問響應時間確定性的要求。NRT主要用于智能設備之間時間要求不嚴格的通訊，例如組態診斷及HMI訪問等非周期的數據交換。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數據周期和過程數據實時周期傳輸。標準通信NRT就能滿足節點不同的情況。以沱牌污水處理工程中遇到這種情況為例：
在上圖中，沒考慮工業以太網上的其它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以太網。在網絡組態后， B在作為主站的同時也作為A與中控通信的一個網關，實現西門子的Profibus協議到西門子工業以太網協議的轉換。按照西門子的標準，該轉換是需要主站上一級加一個轉換器IE/PB LINK的。從現場運行的情況來看，與從站A相連的污泥脫水機從節電的考慮，PLC時開時斷，導致主站B在不斷地對從站A尋址，從STEP7的診斷緩沖區來看是一個錯誤（從站的丟失導致與組態的不一致），曾出現過幾次主站B短時間掉電后又重啟動的情況，由于主站B又是工業以太網上去中控的最后一個節點，它的不穩定導致整個網絡不穩定。實際解決時提出三種解決辦法：一是將Profibus變成工業以太網，使A變成工業以太網上的節點，與其它PLC對等，組成一個總線型網絡結構，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的網絡一致。三是直接將A通過RJ45連接到現有的交換機上重新組態為星型與總線型混合的網絡從成本考慮，選用了組成全工業以太網的總線型結構網絡，報警錯誤消失。此時兩個PLC成為對等競爭關系，監控數據延遲不穩定但在控制要求范圍內，避免了掉電重啟影響整個網絡。
4 Profibus和Modbus協議的兼容
這里的Modbus協議是指Modbus Plus，包括物理層和數據鏈路層，不考慮所謂的Modbus/TCP。可以通過下列三種方式實現Modbus通信：以太網上的TCP/IP、 Modbus PLUS、Modbus數據單元。以沱牌污水中監控鼓風機的實際情況為例，主干網為四個PLC站組成總線型的西門子工業以太網，三套鼓風機自成一個系統采用Modbus總線，由施耐德PLC控制鼓風機啟動和停止。鼓風機曝氣為CASS污水處理工藝的關鍵，該過程中要監視風機負荷參數。最初采用的方案是通過西門子PLC，圖1的主站B和施耐德PLC之間通過通信模塊的編程，將鼓風機的參數通過西門子PLC傳到中控WINCC，編程需要生成通信的ID號，設置好通信方式和其通信狀態的監控位，配置存儲區組態下載。監控參數存儲區域在DB塊中，程序上必須將其打開。利用VC進行OPC接口編程后在WINCC中監視（WINCC本身不帶識別Modbus數據類型的功能，利用VC或VB進行轉換）。監視的過程發現數據提取速度極慢，經分析為OPCserver與VC 占用空間，主站B本身通信負擔重，局部通信存在不穩定性的原因。采用第三方設備，設備上增加了ANYBUS-X串行網關通過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集中監控。WINCC上看到的數據和現場數據也有一定的延遲，但滿足控制要求。理論上分析，從WINCC上的歸檔數據可看出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。現場采用的數據傳送機制是事件觸發，鼓風機的參數發生變化時才會有數據傳送，節省了帶寬，不影響主站B的傳送，數據顯示比較穩定。該方案是在物理層上ANYBUS-X是網關，應用層Kepserver為網關，實現了集中監控。在監控時將鼓風機參數做成了一個組件，方便調試和維護。
5 組件化方法
將控制系統中的設備屬性做成一個組件放入到庫中，在組態時將其下載到控制器中，配置需要通信的數據通信是今后的發展方向。底層的各種現場總線通過代理連到工業以太網上，對代理網關的傳輸協議轉換要求提高。應用層采用統一的OPC數據接口，統一的OPCserver,在同一個數據庫中進行數據提取。由于設備的繁多可將其分類，方便調試和維護。該方法對底層設備和組態軟件提出了更高的要求。
6 小結
本文通過各種形式的網關成功解決了沱牌污處理中的不同網絡間的通信問題，以組件化的思想在控制要求內實現了統一監控。工業以太網+TCP/IP正成為現場級底層通信規范，應用層以OPC數據接口作為標準，將設備的各種屬性在上位機上組件化實現組態直接下載正成為今后的發展方向。
參考文獻
[1]鄭文波.網絡技術與控制系統的技術創新.測控技術,2000,6(8).
[2]崔堅,李佳,楊光.西門子工業通信指南.機械工業出版社,2005.