工業控制系統中協議轉換技術研究

蘇州中材建設有限公司 黃松濤 林 忠 衛明純

工業控制系統中協議轉換技術研究

蘇州中材建設有限公司 黃松濤 林 忠 衛明純

隨著工業控制領域的不斷發展，工業控制系統的應用越來越廣泛。而工業控制系統大多由多種工業設備組合而成，各設備遵循的協議不同阻礙著工業控制的發展。本文通過研究現場總線技術與網絡通信技術，深入研究工業以太網，設計了一套能適用于商業網和工業網，具有通用性和可定制性的組態軟件系統，能夠應用于自動化工業控制領域。本課題采用動態鏈接庫的方式開發的組態軟件控制系統，能便于后期驅動的升級和系統的模塊化管理，同時也能便于通信通道的增加和減少。

工業控制；現場總線；工業以太網；組態軟件

1.工業通信控制協議

工業通信控制協議，主要是指應用于工業控制領域的一些通信協議。但實際的工業控制領域是十分復雜的，不同的通信控制設備是工作在不同網絡層次的。而不同的控制層次，使用的通信協議并不相同，這就導致要實現一套完整的工業自動控制系統，就需要有一種在不同控制層之間能實現協議轉換的機制，這樣才能控制命令以及數據在不同控制層之間正確的傳輸。OSI/ISO網絡參考模型以及對應層使用網絡協議如圖1所示：

圖1 網絡協議圖

2.現場總線

在工業控制技術范疇內，現場總線是非常先進的一項技術，其采用的通信方式是串行的數字通信，相較于其他的工業控制技術，從各種指標上來說可以很好的滿足工業控制領域中對于監控的實時性、穩定性等要求。但是多種現場總線標準并存是現場總線的一個最大的特點。由于新的技術與新的事物的正如雨后春筍般涌現，到如今，依然沒有任何一種現場總線可以滿足不同用戶的全部需求，正因如此，想要實現不同的需求，就得選擇響應的不同設備。這種多種現場總線標準并存的現狀在未來仍將保持，因此，要實現不同廠家、不同種類的產品的互連，協議的轉換就顯得非常重要。協議轉換結構模型如圖2所示：

圖2 協議轉換結構模型圖

3.以太網的拓展

以太網本身是只定義在OSI/ISO七層協議的物理層以及數據鏈路層之間，控制協議采用的是TCP/IP協議，用這兩種協議來保證傳輸的可靠性以及確定信息傳遞的路線。

上層通信往以太網的層面發展是現在過程控制領域的主流，這種浪潮加快了將傳統的以太網應用到工業控制領域的腳步。但是在融入現場總線的情況下，存在這一定的問題，那就是以太網在數據鏈路層采用的是CSMA/CD介質訪問控制協議。采用這種協議的話，存在一個較嚴重的缺點。在數據傳輸過程中，若數據量較大負載較高的情況下，網絡中傳輸的數據就可能產生數據擁塞，數據的實時性將會被嚴重影響。并且，以太網的不能抵抗外界信號的干擾，沒什么安全性，從而向現場儀表供電也不會成為一個選項。然而以太網技術發展到今天，數據的傳輸的速率提升巨大，實時性得到空前的提高，現在已經基本可以應用到工業控制網絡中，工業以太網技術已經正式形成。在產品設計時，在媒質的選用，產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、電磁兼容性和本質安全方面，工業以太網能滿足工業現場需要的網絡。

工業以太網在和傳統現場總線的比對中，表現出很明顯的優勢。這主要體現在它可以實現智能化現場設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監、管、控一體化，具有低成本、高性能的特點[1]。

4.工業以太網的實際應用

以太網同通用現場總線之間的相互連接通常采用的方式是類似隧道的技術。隧道技術是一種用于異型網絡互聯的技術，當兩個同類網絡通過中間復雜的異類網絡互聯時，常采用隧道技術進行分組交換[2]。

數據幀在通過路由器的時候，頭部不會進行協議轉換的處理，而只是將數據幀作為分組，封裝上自己的頭部，然后再向網絡中的另一路由發送。后繼路由收到數據后，先去掉中間網絡的相關頭部信息，再繼續向后繼的網絡發送，如此往復。在這樣的一個數據傳輸過程中，中間網絡就好比是一個大的隧道，一個多路協議路由伸展到另一個路由的連接就和其路徑一樣，故而對于分組，它就不用考慮傳輸的網絡路徑，進而也就大大簡化了路由轉發以及尋址的工作。

現場設備和以太網計算機實現數據的交互的過程，是計算機首先從管理模塊獲取到現場設備的基本信息，同時再通過管理模塊得到一個虛擬地址，這個虛擬地址是現場設備在現場總線上的虛擬地址。計算機通過使用總線協議標準生成一系列數據包，這稱為初始化數據包，包中帶有控制信息，用來控制數據鏈路層。之后，數據從鏈路層經由物理層發送給現場總線，實現對總線的控制。與此同時，如果設備要將數據發送給計算機，那么就只用發送到虛擬地址。

本課題所設計開發的組態二次開發環境支持的通信協議有Modbus Tcp和Modbus Serial兩種。工業控制領域中Modbus通信協議使用最為廣泛，是工業控制領域繼承監控系統中不可或缺的部分。開發人員通過該組態環境，可以自行添加通信信道，并設置信道參數。還可以為改信道設計具體的通信協議字段信息。最后通信驅動組態會將所有的配置信息全部轉換成XAML語言標記的數據格式并寫入系統數據緩存區。

Modbus通信驅動的運行采用的是多線程的運作方式。其中的每一個Modbus主站都是一個IModbusStation實例化對象，并且在每一個對象中都設定有對應的控制方法來管理Modbus主站的啟動和停止。在每一個Modbus主站實例中，主線程主要是用來監控Modbus主站的運行狀態，同時也可以產生和監視邏輯處理線程，以便可以實現與該Modbus主站下的所有從站進行數據的交互和處理。通信驅動運行流程如圖3所示：

圖3 通信驅動運行流程圖

本組態監控系統，可以根據需求，搭載滿足各種通信協議的驅動程序。通信驅動主要通過動態鏈接庫的形式進行設計與開發。

5.結束語

從工業控制的發展趨勢可以發現，在今后相當長的時間內，現場總線這種比較成熟的工業控制技術將繼續普遍應用在現場控制中。現場總線之間以及現場總線與以太網之間的更完美的融合，是工業控制領域發展的主要方向。協議作為工業通信控制的重要部分，更加深入的研究協議轉換將能更大程度上推動現場總線技術的發展和普及，使工業自動化的發展更上一層樓。

[1]Jim Montague．What's left to say about ind ustrial ethernet．Control Engineering,2001:7-17．

[2]丁磊,費敏銳,陳維剛．現場總線協議轉換機理及實現[J]．自動化儀表,2005．