现场总线协议转换机理及实现

2.3.3工业以太网的研究开发

工业以太网是人们基于以太网技术开发的现场总线协议，目前常用的工业以太网标准中主要采用以下几种方法实现[4]：

① 封装法

将现场总线的报文作为“用户数据”原封不动地嵌入到TCP/IP的数据帧中，然后放到以太网中进行传送。采用这种方法可以在现有的规范内，自以太网向下兼容现有的现场总线系统，而且可以同时传输几种不同现场总线类型的数据。ControlNet和DeviceNet联合推出的Ethernet/IP、FF推出的HSE以及施奈德开发的Modbus-TCP/IP采用的都是这种方法。

② 拆分法

将较长的TCP/IP数据帧拆开嵌入到总线的报文中进行传送。被分割的数据包在接收方重新装配从而恢复为原来的TCP/IP报文。采用这种方法的优点是原有的现场总线设备在现场可以继续使用，运行时候的现场总线短报文信息的传输效率大大提高。Interbus On Ethernet采用的是这种方法。

③ 网关/代理服务器法

通过网关/代理服务器进行以太网与现场总线之间的协议和信息转换，通过基于开放标准的模块化、分布式应用的统一软件结构的自动化技术(CBA)实现数据交换，从而最大限度地保护了原有的现场总线设备，还可以实现统一的概念，典型代表如ProfiNet等。

所有这些开发的工业以太网基本上实现了现场设备级与过程管理级之间的信息垂直集成，大幅度提高了系统性能。

3 支持多协议转换的测控平台研发

针对单一现场总线协议与工业以太网之间转换的研究已经成为热门，但是在现场总线分类越来越细化的情况下，同一系统中如何集成工业以太网与多种现场总线还有待于在理论和应用上进一步研究与开发。

在 IEC“10+3”种协议标准中，由德国Siemens 公司等支持的Profibus 协议和由美国Rockwell 公司等支持的DeviceNet 协议目前占有的市场份额最大，而Modbus-TCP/IP 工业以太网具有最为广阔的发展空间[11]。此外，Profibus 属10 种控制层协议标准之一，而DeviceNet则属3 种设备层协议标准之一。因此，本文选择Modbus-TCP/IP 工业以太网Profibus 及DeviceNet 这3 种具有代表性的协议之间的多协议转换进行了研究。

研究支持工业以太网、Profibus、DeviceNet 等3 种总线协议转换的转换装置，实现针对两种以上的协议转换和基于不同类族协议标准的协议之间转换。采用类隧道原理研究开发的多协议转换装置，装置中带有以太网接口、DeviceNet 接口和Profibus 接口，既可以实现MODBUS/TCP 工业以太网节点功能，又可以实现DeviceNet 现场总线主节点和Profibus DP现场总线主节点的功能，转换器可以对一个DeviceNet 或Profibus DP 主/从网络进行组网和管理，可以扫描网络上各个从节点的状态，并与各个从节点进行数据通信，可将各个从节点的信息上传至工业以太网，并可将工业以太网上的信息下发至两种现场总线网络上的各个从节点，由此实现了协议转换功能。

为测试多协议转换装置的协议转换效率及保证3种通信网络在同一系统内的兼容性，以一套实验锅炉系统构建了测控平台。平台的总体结构如图5所示。

图5 测控平台总体结构图

平台内共有5个被控对象，一个以太网节点实现对锅炉出口压力的测量，两个DeviceNet从节点分别实现夹套水温及锅炉水温的控制和测量，两个Profibus DP从节点实现锅炉液位及进口流量的控制和测量。DeviceNet从节点与Profibus从节点分别与多协议转换器中各自的主站模块进行总线通信，完成数据交换。在多协议转换器中，通过协议转换技术实现以太网站点与两种现场总线主站之间的数据交换，达到工业以太网与这两种总线之间的协议转换的目的。平台构建完毕后的测试结果表明，多协议转换器所传输的数据准确、实时，没有发生丢包现象，周期扫描时间达到了毫秒级，完全可以满足工业现场控制的要求。测控平台示意图如图6所示。该系统在第六届上海国际工业博览会上荣获了创新奖。

图6 测控平台示意图

4 结束语

现场总线作为比较成熟的工业控制网络，在今后相当长的时间内将继续普遍应用在现场控制中。如何能更好地解决现场总线之间以及现场总线与以太网之间的集成，则需要人们更加努力加以解决。协议转换技术的深入研究和应用，将有助于在更大程度上推动现场总线的发展和普及。

参考文献
1 夏德海等. 现场总线的现状及其应用.中国仪器仪表,1998（1），(2),（3）
2 何巧丽等.现场总线中的多总线兼容技术.计算机应用,2002
3 腾斌等. 以太网与现场总线的互连.控制系统,2004
4 李海燕等. 从现场总线到分布式自动化接口技术.自动化仪表,2002
5 陈维刚，费敏锐等.工业控制系统的网络化发展.工业仪表与自动化装置.2004,(1)
6 胡俊. 以太网正在成为一个开放的标准.自动化博览,2004年.
7 Feng-Li Lian, James R. Moyne, and Dawn M. Tilbury, Performance evaluation of control networks: Ethernet, ControlNet, and DeviceNet, IEEE Control Systems Magazine, Vol. 21, No. 1,February, 2001
8 Rajagopal, M.; Miller, R.E. Synthesizing a protocol converter from executable protocol traces. IEEE Transactions on Computers, Volume: 40, Issue: 4, April 1991.
9．Jim Montague. What’s left to say about industrial ethernet , Control Engineering , May 2001 :7～17
10．Ellen Fussel . Striking up communications with factory floor ethernet , ISA:InTech , April 2001 :7～17
11．Felser. M;Sauter T Standardization of Industrial Ethernet –The Next Battlefield, Proceedings of IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, Sept. 22-24, 2004
12．Lobashov, M.; Pratl, G.; Sauter, T.; Applicability of Internet protocols for fieldbus access, Proc. 4th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 28-30 Aug. 2002
13．周晓兵,费敏锐.工业以太网的应用现状及发展前景.自动化仪表,第22卷,第10期,2001(end)