2023年浅论主流现场总线的兼容通信.docx

浅论主流现场总线的兼容通信 ：本文以沱牌污水处理工程为依托，理论与实际结合解决了现场所遇到的profibus、modbus、工业以太网相集成的问题，实现了不同现场总线的兼容通信和上位机统一监控，提出了组件化的方法来适应未来的现场监控系统。关键词：现场总线；profibus；modbus；兼容通信 作者简介。龙剑（1980-），男，四川泸州人，通信与信息系统硕士研究生，主要从事网络化测控技术及应用研究。 1流行现场总线介绍 现场工艺是由许多相关工艺段组成，根据控制的需求和厂家的要求，有可能采用不同的现场总线。各种现场总线都有其应用的优势，基金会总线应用到现场级，lonworks总线用到楼宇，can总线用在汽车方面等等。总线协议是一个大的集合，针对现场情况和应用场合又有自身的特点。以在中国应用最广泛的profibus协议为例，profibus协议就有dp、pa、fms三种。最早的为profibus-fms协议，定义了osi模型的第一、二、七层，应用层包括现场总线信息标准和低层接口。fms主要用于上位机和控制器之间的通信，是处于信息层的西门子早期总线。profibus-dp只使用了iso/osi标准通信模型的第一层（物理层）和第二层（数据链路层），高速的数据传送特别适合可编程控制器与现场分散的i/o设备之间的通信。dp主要是过程控制级的通信，分为三个版本，v0、v1、v2。v0包括周期数据交换、站、模块和诊断功能以及四种中断类型。v1包括面向过程自动化的增强功能，特别是非周期数据通讯，用于智能设备的参数分配、操作、可视化和中断控制，允许使用工程工具进行在线访问。v2包括更高级的功能主要面向驱动器技术的需求。profibus-pa使用扩展的profibus-dp协议进行数据传输并具备本质平安和总线供电。modbus总线协议相对简单，就主要由源地址、目的地址、几个功能码和crc数据校验组成。modbus协议的开放性和二次开发性已经在实践中证明了其应用的灵活性。工业以太网的速度优势使其在控制领域迅速开展，但其csma/cd机制使其在应用时必须和tcp/ip相结合，以到达系统可靠性的标准，保证实时数据的通信。 2西门子自身总线协议（profibus）的兼容 profibus-dp协议是用于i/o级的简单主从协议，主站之间采用逻辑令牌环来循环得到总线的控制权。profibus-pa总线上主要是用于挂接一些现场仪表。西门子的step7组态软件进行网网络组态时要添加dp/pa耦合的模块将两中网络连接起来。pa的数据传输采用扩展的profibus－dp协议。根据iec1158－2标准，pa的传输技术可确保其本征平安性，而且可通过总线给现场设备供电。污水处理中生化池上的ph仪表、污泥浓度仪、溶氧仪可挂到pa上。仪表通信协议是hart协议，携带模拟量信号，dp总线上传输的数字信号，对叠加的0.5ma模拟量信号解调后，数据进行profibus-dp协议的封装经总线传到cpu进行处理由上位机查询。dp/pa耦合模块的作用是网关。这种方式在无从站时运行问题不大，但参加从站后并存在从站之间的dx通信后，网络的实时性能不能得到有效的保证，有时从站数据的刷新到达了3-4s。这存在数据传输的效率和同步问题，西门子的profibus速度在实验室的数据12mbit/s，实际的现场环境决定了根本不能到达该速度，必须进行大量的冗余编码，性能甚至比不上512kb/s的controlnet。同步的方式采用的是主站向从站播送，从站根据主站的同步信息来与主站同步。在多主系统中相互通信的从站与所属的主站必须同步，主站的同步和从站的同步需要一定的时间。 通讯的根本原理是使用osi模型的不同层作为子集。该转换中只涉及到了物理层和数据链路层，保证其底层的无过失传输。根本的rs-485接口即dp口仅仅定义了物理层，确保两个rs-485设备之间进行电气连接而不会造成电气冲突。但要在两个设备之间进行通讯和数据解释，需要两个设备都使用相同的协议来定义通讯规那么和数据格式。dp/pa网关位于osi模型中的一、二层。在物理层上实现机械电气特性和传输编码的转换；在数据链路层上实现数据帧的重新封装。 3profibus与工业以太网协议的兼容 这两种协议兼容本质是profinet（profinet=profibusie/pblink工业以太网）。从传输协议角度上讲，profinet可定义三种不同的通信方式：tcp/ip标准通信nrt、实时rt通信和等时同步实时irt通信。tcp/ip标准通信nrt这种通信方式基于工业以太网，使用tcp/ip和it标准，系统响应时间大概在20230ms的量级，并且不能满足数据访问响应时间确定性的要求。nrt主要用于智能设备之间时间要求不严格的通讯，例如组态诊断及hmi访问等非周期的数据交换。其他两种通信方式主要是对通信的实时性提出了更高的要求，分成tcp数据周期和过程数据实时周期传输。标准通信nrt就能满足节点不同的情况。以沱牌污水处理工程中遇到这种情况为例： 在上图中，没考虑工业以太网上的其它3个plc站，s7cpu315-2dp（b）为主站，s7cpu315-2dp（a）为从站，两者之间是profibus-dp主从通信，而主站b到中控是通过西门子自身的工业以太网。在网络组态后，b在作为主站的同时也作为a与中控通信的一个网关，实现西门子的profibus协议到西门子工业以太网协议的转换。按照西门子的标准，该转换是需要主站上一级加一个转换器ie/pblink的。从现场运行的情况来看，与从站a相连的污泥脱水机从节电的考虑，plc时开时断，导致主站b在不断地对从站a寻址，从step7的诊断缓冲区来看是一个错误（从站的丧失导致与组态的不一致），曾出现过几次主站b短时间掉电后又重启动的情况，由于主站b又是工业以太网上去中控的最后一个节点，它的不稳定导致整个网络不稳定。实际解决时提出三种解决方法：一是将profibus变成工业以太网，使a变成工业以太网上的节点，与其它plc对等，组成一个总线型网络结构，但必须增加交换机，改变布线。二是将a长期开启，使实际的主从运行情况和组态的网络一致。三是直接将a通过rj45连接到现有的交换机上重新组态为星型与总线型混合的网络从本钱考虑，选用了组成全工业以太网的总线型结构网络，报警错误消失。此时两个plc成为对等竞争关系，监控数据延迟不稳定但在控制要求范围内，防止了掉电重启影响整个网络。 4profibus和modbus协议的兼容 这里的modbus协议是指modbusplus，包括物理层和数据链路层，不考虑所谓的modbus/tcp。可以通过以下三种方式实现modbus通信：以太网上的tcp/ip、modbusplus、modbus数据单元。以沱牌污水中监控鼓风机的实际情况为例，主干网为四个plc站组成总线型的西门子工业以太网，三套鼓风机自成一个系统采用modbus总线，由施耐德plc控制鼓风机启动和停止。鼓风机曝气为cass污水处理工艺的关键，该过程中要监视风机负荷参数。最初采用的方案是通过西门子plc，图1的主站b和施耐德plc之间通过通信模块的编程，将鼓风机的参数通过西门子plc传到中控wincc，编程需要生成通信的id号，设置好通信方式和其通信状态的监控位，配置存储区组态下载。监控参数存储区域在db块中，程序上必须将其翻开。利用vc进行opc接口编程后在wincc中监视（wincc本身不带识别modbus数据类型的功能，利用vc或vb进行转换）。监视的过程发现数据提取速度极慢，经分析为opcserver与vc占用空间，主站b本身通信负担重，局部通信存在不稳定性的原因。采用第三方设备，设备上增加了anybus-x串行网关通过rj45接口挂接到主站b的交换机上，kepserver作为opcserver，wincc作为一个opc的客户端访问kepserver集中监控。wincc上看到的数据和现场数据也有一定的延迟，但满足控制要求。理论上分析，从wincc上的归档数据可看出tcp的三次握 制初期的连接建立的延迟抖动和kepserver上的软件延迟不可防止。现场采用的数据传送机制是事件触发，鼓风机的参数发生变化时才会有数据传送，节省了带宽，不影响主站b的传送，数据显示比较稳定。该方案是在物理层上anybus-x是网关，应用层kepserver为网关，实现了集中监控。在监控时将鼓风机参数做成了一个组件，方便调试和维护。 5组件化方法 将控制系统中的设备属性做成一个组件放入到库中，在组态时将其下载到控制器中，配置需要通信的数据通信是今后的开展方向。底层的各种现场总线通过代理连到工业以太网上，对代理网关的传输协议转换要求提高。应用层采用统一的opc数据接口，统一的opcserver，在同一个数据库中进行数据提取。由于设备的繁多可将其分类，方便调试和维护。该方法对底层设备和组态软件提出了更高的要求。 6小结 本文通过各种形式的网关成功解决了沱牌污处理中的不同网络间的通信问题，以组件化的思想在控制要求内实现了统一监控。工业以太网tcp/ip正成为现场级底层通信标准，应用层以opc数据接口作为标准，将设备的各种属性在上位机上组件化实现组态直接下载正成为今后的开展方向。 参考文献 [1]郑文波.网络技术与控制系统的技术创新.测控技术，2022，6（8）. [2]崔坚，李佳，杨光.西门子工业通信指南.机械工业出版社，2023. 浅论主流现场总线的兼容通信来源于免费网，欢迎阅读浅论主流现场总线的兼容通信。 第7页 共7页