現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)理及實(shí)現(xiàn)
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2.2 過程控制級轉(zhuǎn)換
在過程控制級中應(yīng)用OPC(OLE for process control)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線間的轉(zhuǎn)換。OPC是控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備級與過程管理級進(jìn)行信息交互的開放接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。它采用客戶/服務(wù)器模式，以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序級的通行標(biāo)準(zhǔn)，將開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方，以服務(wù)器的形式提供給客戶，并規(guī)定了一系列的接口標(biāo)準(zhǔn)，客戶負(fù)責(zé)創(chuàng)建服務(wù)器對象和訪問服務(wù)器支持的接口。從傳輸數(shù)據(jù)的角度，OPC服務(wù)器的實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)。
它一方面從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)；另一方面把來自不同硬件供應(yīng)商的不同類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，以O(shè)PC接口的方式傳送給客戶應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的集成。通過開發(fā)針對不同的現(xiàn)場總線的OPC服務(wù)器，應(yīng)用軟件就可以從不同的總線系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，達(dá)到在同一系統(tǒng)中集成不同現(xiàn)場總線類型的目的，系統(tǒng)圖如圖2所示。
圖2 應(yīng)用OPC實(shí)現(xiàn)總線的系統(tǒng)集成
2.3 現(xiàn)場設(shè)備級轉(zhuǎn)換
在現(xiàn)場設(shè)備級采用協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法，可以在滿足工業(yè)控制中實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中多種現(xiàn)場總線的集成。針對當(dāng)前現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢，協(xié)議轉(zhuǎn)換主要應(yīng)用在現(xiàn)場總線之間、總線與以太網(wǎng)之間以及工業(yè)以太網(wǎng)的開發(fā)中。
2.3.1 現(xiàn)場總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換
現(xiàn)場總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換最普遍的方法是通過網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)任意兩種現(xiàn)場總線協(xié)議之間的一對一協(xié)議轉(zhuǎn)換，將協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作在總線中完成[2]。網(wǎng)橋要求具有物理接口功能、通信協(xié)議功能和操作信息功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同總線系統(tǒng)之間的信息連接和管理。網(wǎng)橋法協(xié)議轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。
圖3 網(wǎng)橋法協(xié)議轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)模型圖
2.3.2 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換
以太網(wǎng)與通用現(xiàn)場總線之間的互連常采用類似隧道技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)[3]。隧道技術(shù)是一種用于異型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)同類網(wǎng)絡(luò)通過中間復(fù)雜的異類網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)，常采用隧道技術(shù)進(jìn)行分組交換。當(dāng)數(shù)據(jù)幀通過路由器時(shí)，路由器并不對幀頭部進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，只是將數(shù)據(jù)幀作為分組再加上自己的幀頭部，向同樣位于中間網(wǎng)絡(luò)的另一路由發(fā)送。另一路由收到數(shù)據(jù)后，去掉中間網(wǎng)絡(luò)的幀頭，繼續(xù)向后繼網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。整個(gè)過程中，中間網(wǎng)絡(luò)可以被看成從一個(gè)多協(xié)議路由伸展到另一個(gè)路由的大隧道，分組完全不必關(guān)心中間經(jīng)過什么樣的網(wǎng)絡(luò)，因此大大簡化了路由轉(zhuǎn)發(fā)和尋址的工作[9]。
以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線互聯(lián)時(shí)，隧道技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)鏈路層，與以太網(wǎng)的傳輸控制層相連。互聯(lián)模型如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議模型
當(dāng)以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先從系統(tǒng)管理模塊處得到該現(xiàn)場設(shè)備的信息，并申請一個(gè)在現(xiàn)場總線上的虛擬地址。計(jì)算機(jī)虛擬站點(diǎn)層根據(jù)總線協(xié)議生成一系列初始化數(shù)據(jù)包，其中包含數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議控制信息。數(shù)據(jù)包的內(nèi)容和現(xiàn)場總線中的設(shè)備剛啟動時(shí)向現(xiàn)場總線發(fā)送的初始化數(shù)據(jù)完全一樣。生成完畢之后，通過總線接口處的數(shù)據(jù)鏈路層經(jīng)由總線物理層發(fā)往現(xiàn)場總線。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)往以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)時(shí)，只需向該計(jì)算機(jī)的地址發(fā)送即可。協(xié)議轉(zhuǎn)換器經(jīng)過數(shù)據(jù)幀的報(bào)文處理后，發(fā)送給以太網(wǎng)傳輸控制層，再由以太網(wǎng)對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽和處理。
數(shù)據(jù)在實(shí)際站點(diǎn)與計(jì)算機(jī)上虛擬站點(diǎn)層間的傳輸過程，類似于兩個(gè)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)使用隧道技術(shù)通過中間異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的過程。與過去多層次的網(wǎng)絡(luò)相比，它的結(jié)構(gòu)簡潔，操作靈活。目前，Profibus、DeviceNet、ControlNet和Lonworks都在研究采用這種方法來使用以太網(wǎng)傳送報(bào)文[7]。
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