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异构工业控制网络中全集成自动化的一种方案

摘要

一种带有PROFIBUS协议和协议转换网关的全集成自动化方法被提出，并在工业控制网络组成的各种不同、并且同时有几种现场总线子系统和以太网网段并存的设备中实现。本文基于PROFIBUS现场总线协议的分析，展示了一个PROFIBUS-DP通信接口实现主从通信功能的设计方案。针对于实现PROFIBUS设备与其他现场总线协议设备之间的相互配合操作，此处设计了一个协议转换网关系统。PROFINET技术是将PROFIBUS设备封装进PROFINET元件中，这样可以为现场总线设备与工业以太网点对点通信提供了一种高效的连接方式。

关键词：集成自动化；协议转换；PROFINET

1.绪论

不同的控制网络的异构工业企业环境中实现全球互联是近年来不断研究的一个课题，然而还远远没有达到要求。现代工业企业在控制系统中往往同时采用多种不同的现场总线技术，这就会导致不兼容的问题。工业以太网技术提供了一种在以太网平台上解决现场总线系统之间的互操作性问题的方法，然而它实时性较差、实施成本高，并不适合大多数企业尤其是较小企业使用。因此，有必要提出一种高性价比的现场总线设备之间的互操作性解决方法。

现场总线协议对世界各地用户来说是开放和透明的，这基于国际标准化组织（ISO）/开放系统互连（OSI）通信参考模型。为了实现高速数据通信，该模型已被简化。在常规协议转换器方面取得的成果已证明协议转换器在现场总线领域有着很广阔的前景。其简化的结构和对智能现场总线协议芯片的适应性将简化硬件的设计。主要的困难在于如何使用定义的SAP（服务访问点）使上层实体接收得到下层实体的信号。现场总线协议及其服务之间的关系可以从2个方面来描述：在上层，通信系统作为服务提供者，为用户提供特殊的通信服务；在低层，通信系统被视为几个PES组成（协议单位），这是用于信息交换。协议主体按照先进先出原则，通过可靠的通信介质进行数据通信。

PROFIBUS是一种性能优良的通信协议，并已经成功地应用于许多工业领域；许多测试结果已经证明了它的可靠性和高效性^[1]。针对不同应用领域中的问题，事实上PROFIBUS协议有三兼容的版本。PROFIBUS DP（分布式外围设备）是用于分布式I/O口；PROFIBUS PA（过程自动化）是用于过程控制；PROFIBUS FMS（现场报文规范）可以完成车间级通信任务。另外，PROFINET（过程现场网络）还可将PROFIBUS设备封装进PROFINET元件中^[2]。其他现场总线设备还可以集成在PROFIBUS网络通过协议转换网关转而成为PROFIBUS设备。采用工业以太网PROFINET技术移植的是一个很好的解决方案。基于PROFIBUS现场总线的通信技术已经形成了一个以实现对异构工业控制网络的全球互操作性的全集成自动化的成本效益的方式。

2.PROFIBUS通信接口设计

PROFIBUS通信接口可以通过西门子提供的高级开发包与智能协议芯片实现。

PROFIBUS通信协议架构

PROFIBUS -DP是在过程控制器与现场设备之间循环执行数据交换的协议。该协议架构如图2所示，仅仅定义了两层，即物理层PHY与现场总线链路层FDL，（OSI模型）中3到7 层都是空的。此外，现场总线定义了总线管理层1和2（FMA1 / 2）进行网络管理；直接数据链路映像（DDLM）是为实现FDL与用户界面之间数据交换而定义的。

PROFIBUS-DP的物理层采用RS-485串行总线，这对高速通信进行了优化。最大传输速度可以达到12 Mbps。由FDL实现物理介质的访问是基于类似令牌总线的IEEE 802.4标准。通过两个服务即SRD（发送和要求应答数据）和SDN（不发送响应数据），DDML负责将从用户界面来的请求映射到FDL层。 SRD是一个确认无连接服务，允许最多246个字节的发送，服务的响应帧还可以携带最多246个字节。 SRD用于所有的涉及数据传输的Profibus-DP功能，包括主站和从站之间的数据传输，如循环数据交换，诊断，参数化，非循环读写等。SDN是是用于从主站发出全局控制指令到从站的非确认的无连接服务。DDLM使用SDN服务来实现DDLM_global_control功能，并且使用SRD服务来实现其他功能。 SDN是FDL服务中唯一可以解决一组站地址的。

SRD是一个确认的无连接服务可以进行多达246个字节发送，以及携带246个字节的服务响应帧。SRD是用于所有PROFIBUS DP的功能，包括主站和从站之间的数据传输，如循环数据交换、诊断、参数化、循环读写，等等。SDN是一个未确认的无连接服务，用于发布全球主从站控制命令。映像使用SDN服务实施ddlm_global_control功能和使用SRD服务协议实现其他功能。SDN是唯一能识别一组站点的FDL服务协议。

连接到PROFIBUS-DP的站被归类为主站或从站。主站作为一个中央控制器在预先定义的时期轮询所有连接的从站。机站收集来自外围设备的输入信号或从主站到从站的输出命令。在操作过程中，主站是主动节点，并且通过请求消息发送控制命令;从站是被动节点，他们通过响应消息应答请求消息。图1显示了PROFIBUS-DP主站和从站之间典型的通信过程。

图1. PROFIBUS主/从站通信

B．PROFIBUS主站通信接口的设计

PROFIBUS主站通信接口主要包括一个协议芯片ASPC2[3] [4]和嵌入式微处理器。 ASPC2是一种应用于主站的智能通信芯片，能连接到PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，并且还可以通过一个网段耦合器连接到PROFIBUS-PA。它有1M字节的寻址帧存储器，可用于数据交换。总线访问是硬件驱动的，致使其具有12Mbit / s的最大数据传输速率。

操作需要一个嵌入式微处理器。三星公司基于ARM7TTDMI内核的低耗能高性价比16/32位RISC微处理器S3C4510B可以满足任务需求。它能工作在32位ARM状态或者16位Thumb状态下。S3C4510B处理PROFIBUS的协议，并提供以太网控制。配合一个PHY收发器芯片RTL8019或RTL8021，S3C4510B可以轻松实现10M或100M自适应通信的速度，以满足不同的以太网应用。PROFIBUS主站接口通信架构如图2所示。

图2. PROFIBUS主站接口通信架构

PROFIBUS主要软件的设计可以通过ASIC供应商提供的固件实现，这会占用64K左右的内存空间。该固件主要包含三个模块，即DPM，回调函数（CBF）和高级多用户PROFIBUS现场总线层（AMPRO2）。 FLC，MAC和FMA服务都包括在AMPRO2模块，其用于设置在用户程序和数据链路层[5]之间的连接。 CBF模块用于扩展AMPRO2的功能。当用户程序调用AMPRO2模块，CBF模块将发送确认响应到用户程序。通过提供用户程序的微接口，从站状态机和数据传输服务，DPM模块与协议芯片ASPC2合作共同以实现PROFIBUS协议。

主软件可以基于嵌入式操作系统（OS），即uClinux开发。用户程序作为一个整体充当移植操作系统的用户程序模块。它基于固件协议芯片ASPC2，并将控制整个协议处理和主站连接所需的所有功能。

C. PROFIBUS从站通信接口的设计

PROFIBUS从站通信接口可分为两部分，即实施Profibus协议的通信板和一个I / O接口处理外围输入或输出信号。通信板和I/ O接口电路板可以通过一个扁平电缆进行连接。 Profibus总线结构主通信界面如图3所示。

图3. PROFIBUS从站通信接口架构

通信板主要包含一个RS-485接口电路、微处理器和协议芯片SPC3。SPC3是从站智能通信芯片。它使能从站与PROFIBUS网络中主站的连接。SPC3能独立地处理PROFIBUS-DP的通信和总线访问硬件驱动任务。这加速了协议的处理，并减少了接口模块的微处理器软件的范围。数据通过1.5KB双口RAM传输，因此，数据可以被转移在依赖于总线周期。最大传输速率可达12Mbit/s。通信板还提供了片选信号，数据总线，地址总线，和I/O接口板的控制信号。

输入/输出接口板用于信号采样和处理。它是遵照用户要求的相应功能设计的，MAX197可以用于模拟信号的采样，和TLV5618可用于模拟信号输出。74LS244和74LS573可以开关信号的输入和输出分别处理。

3. 异构现场总线设备的网关

异构现场总线协议在其协议的每一层都有不同的标准定义，只有通过网关才能实现协议转换。此外，采用复合协议转换方法将优化设计方案。现场总线协议在应用层上定义了一个用户接口，因此网关必须调用定义SAP（服务访问点）服务，从实体上转移到较低的实体。现场总线协议及其服务之间的关系可以从2个方面来描述：在上层，通信系统作为服务提供者，为用户提供特殊的通信服务；在低层，通信系统被视为几个PES组成（协议单位），这是用于交换协议数据单元的。协议主体按照先进先出原则，通过可靠的通信介质进行数据通信。图4所示即两个不同现场总线设备之间的通信模型。

图4. 两个不同现场总线设备之间的通信模型

下面介绍如何连接MODBUS设备现有的PROFIBUS现场总线网络通过网关。在操作过程中，现场总线PROFIBUS-DP和MODBUS总线之间的网关将作为PROFIBUS-DP从站和MODBUS主站。这两个现场总线系统的互连是在数据链路层上实现的。MODBUS应用层的功能通过DP接口实现。PROFIBUS DP主站和网关之间建立通信的过程后，PROFIBUS DP使用默认SAP（服务访问点）或SAP # 56或SAP # 57服务进行数据交换。两个不同网络的互连必须通过网关来实现，协议转换采用逐层模式，即从下层到上层，下层支持上层和上层调用下层提供服务的方式完成。

所有的数据存储在总线协议芯片SPC3内部的1.5KB RAM中。缓冲区可分为四个部分，即数据缓冲区（dp_din_buffer，dp_dout_buffer），诊断缓冲区（diagnostics_buffer）和控制缓冲。数据缓冲区可分为三个相等长度的缓冲区：数据缓冲区（D）、用户（U）缓冲区和下一个缓冲区（N）。分工如下：D缓冲区总是分配给SPC3数据传输；U缓冲区负责用户应用；N缓冲区用于存储临时数据。通过在D缓冲区、U缓冲区和N缓冲区的位置交换实现现场数据传输。从DP主站的输出数据首先保存在D缓冲区，然后SPC3自动交换D和N缓冲区位置。网关内的程序交换N缓冲区和U缓冲区的位置。最后的数据达到MODBUS从站。从MODBUS从站响应数据达到相反的顺序的DP主站。网关内部的软件流程图如图5所示。

图5. 网关内部软件流程图

通过这种方式，一个MODBUS设备可以实现所有PROFIBUS DP总线的功能，并作为PROFIBUS DP网络的一个节点。同样地，也可以设计出PROFIBUS-DP和其他现场总线协议转换网关。

4. 过程现场网络工程

自动装置或机器的功能是通过定义机械、电气/电子和控制逻辑/软件的相互作用来实现的。致力于这一原则，PROFINET[6、7] 在功能上定义了部分“机械”、“电气/电子”和“控制逻辑/软件”，以形成一个技术模块。一个带有几个主站和从站的简单PROFIBUS-DP网络也可以封装在一个PROFINET设备里。PROFINET组件创建和配置PROFINET工程将在运行时执行自动化的功能^[8]。组件描述必须以相应的供应商特定的编程和配置工具创建。使用特定供应商的工具的前提，是它包含能使 PROFINET组件的PROFINET特定XML文件被创建的组件发电机。

具体的系统是通过ES-Autos配置来描述的。由于在配置中的组件互连，使得与功能性的编程系统相比产生了一些主要的优势,。另一方面，网络视图中创建了自动化系统的拓扑结构。现场设备和可编程序控制器被分配到通信或总线系统和设备的地址是固定的,按照底层总线系统的规则。各种TCP / IP实现的分析显示,需要相当大的运行时间与标准通信栈来管理数据包。这些运行时间是可能的优化,但所需的TCP / IP堆栈不再是一个标准的产品但专有实现^[9]。同样的道理,当使用UDP / IP实现。

一个有效的解决方案是PROFINET实时应用中创建的，数据更新和响应时间在至少5-10ms的范围的实时系统在制造自动化中是十分典型的。更新时间是在设备应用中构造的（描述量），然后通过通信系统被发送给通信配对的设备，并使其可被配对设备访问。此外，一个优化的实时通信通道，即软件实时通道，是被设置在PROFINET中

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