不同類型現場總線互聯控制網絡系統設計

李成浩

鄭州輕工業大學電氣信息工程學院, 河南 鄭州 450002

現場總線技術以其開放互聯的結構特征，順應了當今工業化的需求，成為當今自動化領域技術發展的熱點。利用現場總線技術，既可以同層網絡相連，也可以通過網絡互聯設備控制級網絡或管理信息級網絡，在遵守統一通信協議的前提下，同樣可將不同廠家的現場設備產品統一組態，構成所需要的控制工業互聯網[1]。

1 現場總線

國際電工委員會定義了現場總線，現場總線主要是安裝在制造和工程區域內，能夠實現現場設備與控制室內的自動化設備之間的數字串行、多點通信的數據總線網絡?，F場總線采用金屬雙絞線、同軸電纜或光纜將工業生產中的智能現場設備、自動化系統、測量控制儀表以及遠程監控系統連接成網絡系統，形成了開放式、數字化、多點通信的底層網絡。在總線網絡中，現場智能儀器儀表、控制器和執行機構等設備按照規范的通信協議實現數字通信。同時現場總線系統也能實現這些現場控制設備和高級系統之間的數據傳輸和信息交流，形成各種適應實際需求的自動控制系統[2]。

Profibus(Process Field Bus)是德國西門子推出的一種現場總線標準，也是一種應用廣泛的開放性數字通信系統，適用于快速性、可靠性要求高和時間響應要求嚴格的各種自動化通信任務。

施耐德電氣集團旗下的莫迪康公司在1979年發明了世界上首個真正用于工業現場控制的總線協議，這就是Modbus協議。通過此協議可實現控制器之間、控制器經由網絡和其他設備之間的通信，目前已成為一種通用的標準。Modbus協議定義了傳輸數據的消息結構，而在控制網絡中的控制器只要對此消息結構進行識別，便能夠實現數據在此控制網絡中的傳輸。

2 工業網絡多協議轉換技術

2.1 工業控制網絡通信協議的參考模型

隨著工業技術的快速發展，生產制造現場設備逐漸向復雜化發展，往往同一個工作區域存在著基于不同現場總線協議的設備網絡和通信網絡，要想將這些網絡互聯起來，構成規模較大的工業控制系統，以實現工業網絡設備之間的數據通信，就需要工業網絡多協議轉化技術。

在工業控制現場，想要實現不同設備和自動化廠家控制器的相互通信和數據交換，不同協議必須有統一的模型基礎，在此需求下開放系統互聯參考模型（Open System Interconnection,OSI）應運而生，而且此參考模型現已成為國際公認的網絡分層模型?，F場總線協議為了滿足工業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 多個通信協議轉換的原理

由統一的參考模型簡化而來的不同總線協議都定義了各自數據鏈路層，而要在多個不同網絡協議間建立一個調節匹配機制就是協議轉換的原理。這一調節機制使得互聯網絡中的數據能夠在不同網絡協議之間相互識別，即從一個協議收到信息，經過這個調節機制的轉化成為能夠被另一個網絡識別的信息。在實際工程應用中，采用分層的方法是不同網絡協議信息轉換的一般方法。一個協議網絡的信息層從應用層逐漸向物理層傳輸，經過協議轉換器轉換，被另一個協議識別，再逐漸由物理層傳輸到應用層，完成不同工業網絡協議間的互聯通信[3]。

智能網關就是實現工業控制網絡不同協議之間通信的應用最廣的設備。智能網關具有多個形式的通信接口，可以使不同類型的網絡互聯，并通過解析各層協議中的通信數據，實現不同協議的工業網絡之間的通信。

3 污水處理多協議控制網絡結構設計

目前污水處理過程控制引入通信、計算機傳感、自動控制、智能監控等先進技術，形成以工業以太網現場總線為基礎的現場控制網絡，通過計算機進行過程監控和管理，大大節約了勞動力，提高了工作效率。國內的污水處理廠通常利用多種現場總線和計算機控制技術，形成多層次的自動控制網絡系統，對污水處理過程實時監控與管理，這種方式已經成為污水處理工業未來的發展方向。污水處理的過程主要是污水初步處理、污水的生物反應以及污泥的處理，其控制系統由粗格柵、細格柵、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，整個污水處理系統現場需要使用大量的傳感器和現場儀器儀表，并使用Modbus總線技術采集并傳輸各種模擬量和數字量信號。由底層采集來的液位、溫度等模擬信號以及各種開關量信號而經控制器的處理上傳給上層網絡?，F場設備控制總線通信協議是由選用的控制器決定，可選用國內應用廣泛的西門子S7-300作為現場設備控制器，采用Profibus-DP總線通信協議?，F場級與監控級常使用工業以太網進行數據傳輸，實現遠程控制和信息的集成管理。實現多協議之間的通信，各個層級的總線系統才能互聯通信，構成整個污水處理控制系統。

污水廠現場級傳感器及儀器儀表是基于Modbus協議，利用正舟科技公司的協議轉換網關CBT-1001連接到由S7-300為控制器的Profibus-DP控制網絡上?；贛odbus協議的現場設備通過協議轉換網關CBT-1001集成到Profibus-DP網絡，實現了S7-300總控制器對整個現場所有設備的控制。而Profibus-DP總線通過正舟科技智能網關CBT-1010與管理級以太網控制網絡進一步互聯，構成多層次的異構網絡，實現基于工業以太網為主干的對污水處理廠控制的管理系統。工業以太網的數據傳輸速率高，污水處理廠監控層選用工業以太網并采取星型拓撲結構，這樣的網絡結構類型數據傳輸速率高，而且傳輸過程中數據碰撞率很低，從而大大提升了控制網絡的實時性與穩定性。不同網絡協議轉換技術在污水處理控制過程中被廣泛應用，極大地提高了設備的兼容性，促進了工業控制網絡的發展。

現場總線技術具有數字化、互操作性、網絡結構等特點，在工業控制領域已經廣泛應用。隨著接口技術的不斷發展，不同總線協議之間的通信壁壘勢必會被進一步打破。多協議控制網絡間逐漸實現互聯通信，工業互聯網未來能夠真正實現互聯互通，工業自動化控制領域也將迎來一個質的飛越。