現場總線協議之間的網關通信模型

設計現場總線協議轉換網關現場總線技術的開發極大地改變了業務控制系統的結構。它具有開放、分散、數字和可操作等特點，有利于公司的自動系統和信息數據庫的集成。然而,目前國際上流行的現場總線協議有十幾種,異類現場總線系統之間的互操作難以進行,無法直接進行信息互訪和交換。設計現場總線協議轉換網關可以集成不同的現場總線網絡,使企業在升級控制系統時在保留原有的有用設備的基礎上增加新的設備,節省大量的人力物力,降低工程成本。優化控制網絡和便捷的遠程管理將使得現場協議轉換網關具有很強的競爭力和市場空間。1、轉換可解決協議不兼容問題在結構復雜的分布式網絡環境中,會出現不同網絡協議之間的不兼容問題。協議轉換可解決協議的不兼容問題,實現不同網絡用戶的交互操作。協議轉換也就是在兩個已知協議之間起調節作用,從一個協議接收信息,經過翻譯后送到另一個協議,協調不兼容網絡邊界的信息交換。目前常用的協議轉換技術主要有三種。1.1m層以上網絡協議兼容業務級轉換方法要求協議業務初始化,業務級轉換中兩個協議的通信業務是相互關聯的。如果M層以上的網絡協議兼容,轉換將在M層進行。業務級轉換方法由于協議轉換其余網絡的相互作用嚴格限制在業務用戶級,并且該方法不包括對協議級的處理,在轉換過程中,轉換器不能通過傳送網絡間的協議數據單元來創造功能。1.2議的數據單元在協議級的協議數據單元轉換中,交互操作建立在協議級轉換的基礎上,網絡協議M層以上的協議都是兼容的,協議數據單元的交換在M層上進行。協議級轉換方法提供了更有效的轉換,但實施起來比較困難;有因為協議層轉換忽略了對網絡間業務級用戶的所有處理,所以在行為上缺乏主動性,轉換器只能在不兼容的協議間進行端到端的數據翻譯與轉換,無法在轉換期間創建功能。1.3換器的集成處理混合式轉換方法是業務級方法與協議及方法結合的產物。因此,采用混合式轉換方法的轉換器的集成處理開始于業務級,延伸至協議級,既反映了對協議級的處理,也反映了對業務級的處理。采用混合式轉換方法實現不同協議間的相互轉換,克服了以上兩種方法的不足,提高了協議轉換器的性能,使協議轉換器的功能更加強大,能動性也有所提高。2、網絡速率的限制不同的現場總線網絡通信速率存在一定的差異,協議轉換器的通信速率將受到速率較低的總線網絡通信速率的限制,最多只能與通信速率較低的總線速率相同。因此,在對實時性要求較高的場合,協議轉換器的應用將受到一定的限制。由于大多數的現場總線協議在數據鏈路層以及更高的通信層次上定義的通信標準不同,所以現場總線協議轉換器的最終實現方式應該是現場總線協議轉換網關。2.1實現網絡拓撲的關一般同種總線的網關采用中繼器或網橋來實現連接與擴展,不同類型的現場總線網段之間采用網關。網關是用于實現數據鏈路層以上層的網絡互聯設備,它相當于一個協議轉換器,協議轉換是在網關內分層逐次進行的?，F場總線協議轉換網關是只能夠把從現場總線設備發送來的數據在不同的協議層解包,得到用戶數據,然后再按照另一現場總線協議逐層打包,最后發送到該現場總線設備上的一種協議轉換器。2.2現場總線協議的結構現場總線協議基于精簡的ISO/OSI7層參考模型,也就是以ISO頒布的OSI標準7層參考模型為基礎,只是對第3層到第6層進行了簡化,這樣可以確保高效的數據傳輸。現場總線協議的結構一般包括物理層、數據鏈路層、應用層和用戶接口?，F場總線的開放性結構決定了開發協議轉換網關是可行的,各類現場總線協議芯片使得設計網關硬件要相對簡單。協議轉換網關的作用是將一個現場總線設備的高層信息逐層向下傳遞,通過最下層的信道,到達另一個現場總線設備;之后再逐層上升,一直到達信息發送的對等層。由于大多數的現場總線都采用主從式的總線機制,因此協議轉換網關通常是一類現場總線的主站,同時又是另一類現場總線的從站。3、現場總線要素符合現有兩種工作機制對現場總線協議結構的剖析是構造協議轉換網關通信模型的前提。網關必須同時符合兩類現場總線的工作機制,包括總線存取方式,總線循環時間等等。下面以兩種不同現場總線協議PROFIBUS-DP和MODBUS為例,對其總線協議進行分析,提出一種現場總線協議之間的網關通信模型。3.1分析站點總線協議dp和反向協議3.1.1profibus-dp協議PROFIBUS-DP以DIN19245的第一部分為基礎,經過優化的高速、廉價通信網絡,適用于自動控制系統和設備級分散I/O之間通信。DP一般構成單主站系統,主從站之間采用循環數據傳送方式工作,最高通信速率可達12Mbit/s。PROFIBUS-DP協議定義了第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)和第7層(應用層)。沒有使用第3層至第6層,這樣可以減少通信開支,增加效率。PROFIBUS-DP現場總線的物理層規定了總線介質、網絡拓撲、傳輸距離、傳輸速率、站點數以及總線接口。它提供有關同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。數據鏈路層主要實現介質存取控制MAC和數據通信服務功能。MAC保證令牌的按序傳遞,在任意時刻總線上只有一個節點發送數據,避免信息的碰撞延時。數據通信服務提供點對點,點對多點和廣播通信功能,所有電文海明距離等于4,保證數據的完整性。PROFIBUS-DP中沒有應用層,只有復雜場合使用的FMS中有應用層。3.1.2主/從站模式MODBUS總線適用于主從式控制,是工業串行通信事實上的標準。MODBUS通訊協議是一種工業現場總線通訊協議,它定義的是一種設備控制器可以識別和使用的信息幀結構,獨立于物理層介質,可以承載于多種網絡類型中。MODBUS協議把通信參與者規定為“主站”(Master)和“從站”(Slave),數據和信息的通信遵從主/從模式,當它應用于標準MODBUS網絡時,信息被直接傳送。MODBUS總線網絡中的各個智能設備通過異步串行總線連接起來,只允許一個控制器作為主站,其余智能設備作為從站。采用命令/應答的通信方式,主站發出請求,從站應答請求并送回數據或狀態信息,從站不能夠自己發送信息。MODBUS協議定義的各種信息幀格式,描述了主站控制器訪問從站設備的過程,規定從站怎樣做出應答響應,以及檢查和報告傳輸錯誤等。網絡中的每個從設備都必須分配給一個唯一的地址,只有符合地址要求的從設備才會響應主設備發出的命令。3.2profibus-dp至一種通信模型PROFIBUS-DP總線與MODBUS總線在物理層都可以采用RS-485通信標準,但它們的數據鏈路層和用戶接口應用層完全不同,是兩個異種結構的網絡。協議轉換需采用分層的方式,自協議的低層向高層逐層進行,低層支持高層,高層調用低層。低層的連接斷開后,高層連接也隨之斷開,但是高層連接的斷開并不會影響低層。網關要實現從MODBUS協議至PROFIBUS-DP的單向協議轉換,因此網關必須同時實現MODBUS主站功能與PROFIBUS-DP的從站功能。從PROFIBUS-DP至MODBUS協議轉換的通信模型結構如圖1。圖1所示的網關是一個單向網關,它作為MODBUS的主站的同時又作為PROFIBUS-DP的從站。由PROFIBUS-DP主站發出請求報文,MODBUS從站響應請求并發出響應報文。通信過程可以描述如下:DP主站在MODBUS請求PDU(協議數據單元)的前后加上地址域和CRC校驗組成一個ADU(應用數據單元),然后調用數據鏈路層DefaultSAP服務(用于數據交換);DP的數據鏈路層將ADU作為它的報文的DU(數據單元)域,組成一個SRD(sendandrequireresponsivedata)服務報文再交付給物理層發送到網關;網關的數據鏈路層接收到有效的SRD報文后,通知DP用戶接口,DP用戶接口調用DefaultSAP服務將其DU中的數據ADU取走;網關不對ADU做任何處理,直接交付到MODBUS的數據鏈路層發送出去;被尋址的MODBUS從站的數據鏈路層接收到網關發過來的有效的ADU后,應用層將PDU取走;MODBUS從站依據PDU的要求執行相應的操作,并將結果組成一個應答PDU或者異常響應PDU,按前述過程的逆過程發送到DP主站。4、現場總線技術的應用現場總線協議轉換技術可以集成不同種類