李成浩

鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 450002

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其開放互聯(lián)的結(jié)構(gòu)特征，順應(yīng)了當(dāng)今工業(yè)化的需求，成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，既可以同層網(wǎng)絡(luò)相連，也可以通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)或管理信息級(jí)網(wǎng)絡(luò)，在遵守統(tǒng)一通信協(xié)議的前提下，同樣可將不同廠家的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)品統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[1]。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線

國(guó)際電工委員會(huì)定義了現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線主要是安裝在制造和工程區(qū)域內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備之間的數(shù)字串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線采用金屬雙絞線、同軸電纜或光纜將工業(yè)生產(chǎn)中的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、測(cè)量控制儀表以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成了開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層網(wǎng)絡(luò)。在總線網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場(chǎng)智能儀器儀表、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備按照規(guī)范的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交流，形成各種適應(yīng)實(shí)際需求的自動(dòng)控制系統(tǒng)[2]。

Profibus(Process Field Bus)是德國(guó)西門子推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種應(yīng)用廣泛的開放性數(shù)字通信系統(tǒng)，適用于快速性、可靠性要求高和時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格的各種自動(dòng)化通信任務(wù)。

施耐德電氣集團(tuán)旗下的莫迪康公司在1979年發(fā)明了世界上首個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的總線協(xié)議，這就是Modbus協(xié)議。通過此協(xié)議可實(shí)現(xiàn)控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間的通信，目前已成為一種通用的標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議定義了傳輸數(shù)據(jù)的消息結(jié)構(gòu)，而在控制網(wǎng)絡(luò)中的控制器只要對(duì)此消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，便能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在此控制網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)多協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

2.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的參考模型

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備逐漸向復(fù)雜化發(fā)展，往往同一個(gè)工作區(qū)域存在著基于不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，要想將這些網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，構(gòu)成規(guī)模較大的工業(yè)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，就需要工業(yè)網(wǎng)絡(luò)多協(xié)議轉(zhuǎn)化技術(shù)。

在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，想要實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備和自動(dòng)化廠家控制器的相互通信和數(shù)據(jù)交換，不同協(xié)議必須有統(tǒng)一的模型基礎(chǔ)，在此需求下開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（Open System Interconnection,OSI）應(yīng)運(yùn)而生，而且此參考模型現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)分層模型。現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議為了滿足工業(yè)控制快速性和可靠性的需求，通常只采用了OSI參考模型的一部分。

2.2 多個(gè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的原理

由統(tǒng)一的參考模型簡(jiǎn)化而來的不同總線協(xié)議都定義了各自數(shù)據(jù)鏈路層，而要在多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間建立一個(gè)調(diào)節(jié)匹配機(jī)制就是協(xié)議轉(zhuǎn)換的原理。這一調(diào)節(jié)機(jī)制使得互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能夠在不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間相互識(shí)別，即從一個(gè)協(xié)議收到信息，經(jīng)過這個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制的轉(zhuǎn)化成為能夠被另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的信息。在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用分層的方法是不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議信息轉(zhuǎn)換的一般方法。一個(gè)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的信息層從應(yīng)用層逐漸向物理層傳輸，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，被另一個(gè)協(xié)議識(shí)別，再逐漸由物理層傳輸?shù)綉?yīng)用層，完成不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間的互聯(lián)通信[3]。

智能網(wǎng)關(guān)就是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不同協(xié)議之間通信的應(yīng)用最廣的設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)具有多個(gè)形式的通信接口，可以使不同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并通過解析各層協(xié)議中的通信數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

3 污水處理多協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前污水處理過程控制引入通信、計(jì)算機(jī)傳感、自動(dòng)控制、智能監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)，形成以工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行過程監(jiān)控和管理，大大節(jié)約了勞動(dòng)力，提高了工作效率。國(guó)內(nèi)的污水處理廠通常利用多種現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，形成多層次的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)污水處理過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，這種方式已經(jīng)成為污水處理工業(yè)未來的發(fā)展方向。污水處理的過程主要是污水初步處理、污水的生物反應(yīng)以及污泥的處理，其控制系統(tǒng)由粗格柵、細(xì)格柵、提升泵、沉砂池初沉池、氧化溝、終沉池和消毒池幾部分組成。

在污水凈化處理過程中，整個(gè)污水處理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)需要使用大量的傳感器和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，并使用Modbus總線技術(shù)采集并傳輸各種模擬量和數(shù)字量信號(hào)。由底層采集來的液位、溫度等模擬信號(hào)以及各種開關(guān)量信號(hào)而經(jīng)控制器的處理上傳給上層網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制總線通信協(xié)議是由選用的控制器決定，可選用國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的西門子S7-300作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器，采用Profibus-DP總線通信協(xié)議。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與監(jiān)控級(jí)常使用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息的集成管理。實(shí)現(xiàn)多協(xié)議之間的通信，各個(gè)層級(jí)的總線系統(tǒng)才能互聯(lián)通信，構(gòu)成整個(gè)污水處理控制系統(tǒng)。

污水廠現(xiàn)場(chǎng)級(jí)傳感器及儀器儀表是基于Modbus協(xié)議，利用正舟科技公司的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)CBT-1001連接到由S7-300為控制器的Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò)上?；贛odbus協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)CBT-1001集成到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了S7-300總控制器對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的控制。而Profibus-DP總線通過正舟科技智能網(wǎng)關(guān)CBT-1010與管理級(jí)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步互聯(lián)，構(gòu)成多層次的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)為主干的對(duì)污水處理廠控制的管理系統(tǒng)。工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，污水處理廠監(jiān)控層選用工業(yè)以太網(wǎng)并采取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且傳輸過程中數(shù)據(jù)碰撞率很低，從而大大提升了控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性。不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)在污水處理控制過程中被廣泛應(yīng)用，極大地提高了設(shè)備的兼容性，促進(jìn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有數(shù)字化、互操作性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用。隨著接口技術(shù)的不斷發(fā)展，不同總線協(xié)議之間的通信壁壘勢(shì)必會(huì)被進(jìn)一步打破。多協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)間逐漸實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來能夠真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域也將迎來一個(gè)質(zhì)的飛越。