現(xiàn)場總線協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)通信模型

現(xiàn)場總線協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)通信模型

設(shè)計現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場總線技術(shù)的開發(fā)極大地改變了業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它具有開放、分散、數(shù)字和可操作等特點，有利于公司的自動系統(tǒng)和信息數(shù)據(jù)庫的集成。然而,目前國際上流行的現(xiàn)場總線協(xié)議有十幾種,異類現(xiàn)場總線系統(tǒng)之間的互操作難以進(jìn)行,無法直接進(jìn)行信息互訪和交換。設(shè)計現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)可以集成不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),使企業(yè)在升級控制系統(tǒng)時在保留原有的有用設(shè)備的基礎(chǔ)上增加新的設(shè)備,節(jié)省大量的人力物力,降低工程成本。優(yōu)化控制網(wǎng)絡(luò)和便捷的遠(yuǎn)程管理將使得現(xiàn)場協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)具有很強(qiáng)的競爭力和市場空間。1、轉(zhuǎn)換可解決協(xié)議不兼容問題在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,會出現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的不兼容問題。協(xié)議轉(zhuǎn)換可解決協(xié)議的不兼容問題,實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)用戶的交互操作。協(xié)議轉(zhuǎn)換也就是在兩個已知協(xié)議之間起調(diào)節(jié)作用,從一個協(xié)議接收信息,經(jīng)過翻譯后送到另一個協(xié)議,協(xié)調(diào)不兼容網(wǎng)絡(luò)邊界的信息交換。目前常用的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有三種。1.1m層以上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容業(yè)務(wù)級轉(zhuǎn)換方法要求協(xié)議業(yè)務(wù)初始化,業(yè)務(wù)級轉(zhuǎn)換中兩個協(xié)議的通信業(yè)務(wù)是相互關(guān)聯(lián)的。如果M層以上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容,轉(zhuǎn)換將在M層進(jìn)行。業(yè)務(wù)級轉(zhuǎn)換方法由于協(xié)議轉(zhuǎn)換其余網(wǎng)絡(luò)的相互作用嚴(yán)格限制在業(yè)務(wù)用戶級,并且該方法不包括對協(xié)議級的處理,在轉(zhuǎn)換過程中,轉(zhuǎn)換器不能通過傳送網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議數(shù)據(jù)單元來創(chuàng)造功能。1.2議的數(shù)據(jù)單元在協(xié)議級的協(xié)議數(shù)據(jù)單元轉(zhuǎn)換中,交互操作建立在協(xié)議級轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議M層以上的協(xié)議都是兼容的,協(xié)議數(shù)據(jù)單元的交換在M層上進(jìn)行。協(xié)議級轉(zhuǎn)換方法提供了更有效的轉(zhuǎn)換,但實施起來比較困難;有因為協(xié)議層轉(zhuǎn)換忽略了對網(wǎng)絡(luò)間業(yè)務(wù)級用戶的所有處理,所以在行為上缺乏主動性,轉(zhuǎn)換器只能在不兼容的協(xié)議間進(jìn)行端到端的數(shù)據(jù)翻譯與轉(zhuǎn)換,無法在轉(zhuǎn)換期間創(chuàng)建功能。1.3換器的集成處理混合式轉(zhuǎn)換方法是業(yè)務(wù)級方法與協(xié)議及方法結(jié)合的產(chǎn)物。因此,采用混合式轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換器的集成處理開始于業(yè)務(wù)級,延伸至協(xié)議級,既反映了對協(xié)議級的處理,也反映了對業(yè)務(wù)級的處理。采用混合式轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)不同協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換,克服了以上兩種方法的不足,提高了協(xié)議轉(zhuǎn)換器的性能,使協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能更加強(qiáng)大,能動性也有所提高。2、網(wǎng)絡(luò)速率的限制不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信速率存在一定的差異,協(xié)議轉(zhuǎn)換器的通信速率將受到速率較低的總線網(wǎng)絡(luò)通信速率的限制,最多只能與通信速率較低的總線速率相同。因此,在對實時性要求較高的場合,協(xié)議轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用將受到一定的限制。由于大多數(shù)的現(xiàn)場總線協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層以及更高的通信層次上定義的通信標(biāo)準(zhǔn)不同,所以現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的最終實現(xiàn)方式應(yīng)該是現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。2.1實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)一般同種總線的網(wǎng)關(guān)采用中繼器或網(wǎng)橋來實現(xiàn)連接與擴(kuò)展,不同類型的現(xiàn)場總線網(wǎng)段之間采用網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以上層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備,它相當(dāng)于一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器,協(xié)議轉(zhuǎn)換是在網(wǎng)關(guān)內(nèi)分層逐次進(jìn)行的。現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)是只能夠把從現(xiàn)場總線設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)在不同的協(xié)議層解包,得到用戶數(shù)據(jù),然后再按照另一現(xiàn)場總線協(xié)議逐層打包,最后發(fā)送到該現(xiàn)場總線設(shè)備上的一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器。2.2現(xiàn)場總線協(xié)議的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線協(xié)議基于精簡的ISO/OSI7層參考模型,也就是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)7層參考模型為基礎(chǔ),只是對第3層到第6層進(jìn)行了簡化,這樣可以確保高效的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場總線協(xié)議的結(jié)構(gòu)一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和用戶接口?，F(xiàn)場總線的開放性結(jié)構(gòu)決定了開發(fā)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)是可行的,各類現(xiàn)場總線協(xié)議芯片使得設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件要相對簡單。協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的作用是將一個現(xiàn)場總線設(shè)備的高層信息逐層向下傳遞,通過最下層的信道,到達(dá)另一個現(xiàn)場總線設(shè)備;之后再逐層上升,一直到達(dá)信息發(fā)送的對等層。由于大多數(shù)的現(xiàn)場總線都采用主從式的總線機(jī)制,因此協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)通常是一類現(xiàn)場總線的主站,同時又是另一類現(xiàn)場總線的從站。3、現(xiàn)場總線要素符合現(xiàn)有兩種工作機(jī)制對現(xiàn)場總線協(xié)議結(jié)構(gòu)的剖析是構(gòu)造協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)通信模型的前提。網(wǎng)關(guān)必須同時符合兩類現(xiàn)場總線的工作機(jī)制,包括總線存取方式,總線循環(huán)時間等等。下面以兩種不同現(xiàn)場總線協(xié)議PROFIBUS-DP和MODBUS為例,對其總線協(xié)議進(jìn)行分析,提出一種現(xiàn)場總線協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)通信模型。3.1分析站點總線協(xié)議dp和反向協(xié)議3.1.1profibus-dp協(xié)議PROFIBUS-DP以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ),經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價通信網(wǎng)絡(luò),適用于自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信。DP一般構(gòu)成單主站系統(tǒng),主從站之間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳送方式工作,最高通信速率可達(dá)12Mbit/s。PROFIBUS-DP協(xié)議定義了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應(yīng)用層)。沒有使用第3層至第6層,這樣可以減少通信開支,增加效率。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的物理層規(guī)定了總線介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸距離、傳輸速率、站點數(shù)以及總線接口。它提供有關(guān)同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。數(shù)據(jù)鏈路層主要實現(xiàn)介質(zhì)存取控制MAC和數(shù)據(jù)通信服務(wù)功能。MAC保證令牌的按序傳遞,在任意時刻總線上只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),避免信息的碰撞延時。數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供點對點,點對多點和廣播通信功能,所有電文海明距離等于4,保證數(shù)據(jù)的完整性。PROFIBUS-DP中沒有應(yīng)用層,只有復(fù)雜場合使用的FMS中有應(yīng)用層。3.1.2主/從站模式MODBUS總線適用于主從式控制,是工業(yè)串行通信事實上的標(biāo)準(zhǔn)。MODBUS通訊協(xié)議是一種工業(yè)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議,它定義的是一種設(shè)備控制器可以識別和使用的信息幀結(jié)構(gòu),獨立于物理層介質(zhì),可以承載于多種網(wǎng)絡(luò)類型中。MODBUS協(xié)議把通信參與者規(guī)定為“主站”(Master)和“從站”(Slave),數(shù)據(jù)和信息的通信遵從主/從模式,當(dāng)它應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)MODBUS網(wǎng)絡(luò)時,信息被直接傳送。MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)中的各個智能設(shè)備通過異步串行總線連接起來,只允許一個控制器作為主站,其余智能設(shè)備作為從站。采用命令/應(yīng)答的通信方式,主站發(fā)出請求,從站應(yīng)答請求并送回數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息,從站不能夠自己發(fā)送信息。MODBUS協(xié)議定義的各種信息幀格式,描述了主站控制器訪問從站設(shè)備的過程,規(guī)定從站怎樣做出應(yīng)答響應(yīng),以及檢查和報告?zhèn)鬏斿e誤等。網(wǎng)絡(luò)中的每個從設(shè)備都必須分配給一個唯一的地址,只有符合地址要求的從設(shè)備才會響應(yīng)主設(shè)備發(fā)出的命令。3.2profibus-dp至一種通信模型PROFIBUS-DP總線與MODBUS總線在物理層都可以采用RS-485通信標(biāo)準(zhǔn),但它們的數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口應(yīng)用層完全不同,是兩個異種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議轉(zhuǎn)換需采用分層的方式,自協(xié)議的低層向高層逐層進(jìn)行,低層支持高層,高層調(diào)用低層。低層的連接斷開后,高層連接也隨之?dāng)嚅_,但是高層連接的斷開并不會影響低層。網(wǎng)關(guān)要實現(xiàn)從MODBUS協(xié)議至PROFIBUS-DP的單向協(xié)議轉(zhuǎn)換,因此網(wǎng)關(guān)必須同時實現(xiàn)MODBUS主站功能與PROFIBUS-DP的從站功能。從PROFIBUS-DP至MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換的通信模型結(jié)構(gòu)如圖1。圖1所示的網(wǎng)關(guān)是一個單向網(wǎng)關(guān),它作為MODBUS的主站的同時又作為PROFIBUS-DP的從站。由PROFIBUS-DP主站發(fā)出請求報文,MODBUS從站響應(yīng)請求并發(fā)出響應(yīng)報文。通信過程可以描述如下:DP主站在MODBUS請求PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)的前后加上地址域和CRC校驗組成一個ADU(應(yīng)用數(shù)據(jù)單元),然后調(diào)用數(shù)據(jù)鏈路層DefaultSAP服務(wù)(用于數(shù)據(jù)交換);DP的數(shù)據(jù)鏈路層將ADU作為它的報文的DU(數(shù)據(jù)單元)域,組成一個SRD(sendandrequireresponsivedata)服務(wù)報文再交付給物理層發(fā)送到網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)鏈路層接收到有效的SRD報文后,通知DP用戶接口,DP用戶接口調(diào)用DefaultSAP服務(wù)將其DU中的數(shù)據(jù)ADU取走;網(wǎng)關(guān)不對ADU做任何處理,直接交付到MODBUS的數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送出去;被尋址的MODBUS從站的數(shù)據(jù)鏈路層接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)過來的有效的ADU后,應(yīng)用層將PDU取走;MODBUS從站依據(jù)PDU的要求執(zhí)行相應(yīng)的操作,并將結(jié)果組成一個應(yīng)答PDU或者異常響應(yīng)PDU,按前述過程的逆過程發(fā)送到DP主站。4、現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)可以集成不同種類