工业控制系统中协议转换技术研究

苏州中材建设有限公司 黄松涛 林 忠 卫明纯

工业控制系统中协议转换技术研究

苏州中材建设有限公司 黄松涛 林 忠 卫明纯

随着工业控制领域的不断发展，工业控制系统的应用越来越广泛。而工业控制系统大多由多种工业设备组合而成，各设备遵循的协议不同阻碍着工业控制的发展。本文通过研究现场总线技术与网络通信技术，深入研究工业以太网，设计了一套能适用于商业网和工业网，具有通用性和可定制性的组态软件系统，能够应用于自动化工业控制领域。本课题采用动态链接库的方式开发的组态软件控制系统，能便于后期驱动的升级和系统的模块化管理，同时也能便于通信通道的增加和减少。

工业控制；现场总线；工业以太网；组态软件

1.工业通信控制协议

工业通信控制协议，主要是指应用于工业控制领域的一些通信协议。但实际的工业控制领域是十分复杂的，不同的通信控制设备是工作在不同网络层次的。而不同的控制层次，使用的通信协议并不相同，这就导致要实现一套完整的工业自动控制系统，就需要有一种在不同控制层之间能实现协议转换的机制，这样才能控制命令以及数据在不同控制层之间正确的传输。OSI/ISO网络参考模型以及对应层使用网络协议如图1所示：

图1 网络协议图

2.现场总线

在工业控制技术范畴内，现场总线是非常先进的一项技术，其采用的通信方式是串行的数字通信，相较于其他的工业控制技术，从各种指标上来说可以很好的满足工业控制领域中对于监控的实时性、稳定性等要求。但是多种现场总线标准并存是现场总线的一个最大的特点。由于新的技术与新的事物的正如雨后春笋般涌现，到如今，依然没有任何一种现场总线可以满足不同用户的全部需求，正因如此，想要实现不同的需求，就得选择响应的不同设备。这种多种现场总线标准并存的现状在未来仍将保持，因此，要实现不同厂家、不同种类的产品的互连，协议的转换就显得非常重要。协议转换结构模型如图2所示：

图2 协议转换结构模型图

3.以太网的拓展

以太网本身是只定义在OSI/ISO七层协议的物理层以及数据链路层之间，控制协议采用的是TCP/IP协议，用这两种协议来保证传输的可靠性以及确定信息传递的路线。

上层通信往以太网的层面发展是现在过程控制领域的主流，这种浪潮加快了将传统的以太网应用到工业控制领域的脚步。但是在融入现场总线的情况下，存在这一定的问题，那就是以太网在数据链路层采用的是CSMA/CD介质访问控制协议。采用这种协议的话，存在一个较严重的缺点。在数据传输过程中，若数据量较大负载较高的情况下，网络中传输的数据就可能产生数据拥塞，数据的实时性将会被严重影响。并且，以太网的不能抵抗外界信号的干扰，没什么安全性，从而向现场仪表供电也不会成为一个选项。然而以太网技术发展到今天，数据的传输的速率提升巨大，实时性得到空前的提高，现在已经基本可以应用到工业控制网络中，工业以太网技术已经正式形成。在产品设计时，在媒质的选用，产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、电磁兼容性和本质安全方面，工业以太网能满足工业现场需要的网络。

工业以太网在和传统现场总线的比对中，表现出很明显的优势。这主要体现在它可以实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及监、管、控一体化，具有低成本、高性能的特点[1]。

4.工业以太网的实际应用

以太网同通用现场总线之间的相互连接通常采用的方式是类似隧道的技术。隧道技术是一种用于异型网络互联的技术，当两个同类网络通过中间复杂的异类网络互联时，常采用隧道技术进行分组交换[2]。

数据帧在通过路由器的时候，头部不会进行协议转换的处理，而只是将数据帧作为分组，封装上自己的头部，然后再向网络中的另一路由发送。后继路由收到数据后，先去掉中间网络的相关头部信息，再继续向后继的网络发送，如此往复。在这样的一个数据传输过程中，中间网络就好比是一个大的隧道，一个多路协议路由伸展到另一个路由的连接就和其路径一样，故而对于分组，它就不用考虑传输的网络路径，进而也就大大简化了路由转发以及寻址的工作。

现场设备和以太网计算机实现数据的交互的过程，是计算机首先从管理模块获取到现场设备的基本信息，同时再通过管理模块得到一个虚拟地址，这个虚拟地址是现场设备在现场总线上的虚拟地址。计算机通过使用总线协议标准生成一系列数据包，这称为初始化数据包，包中带有控制信息，用来控制数据链路层。之后，数据从链路层经由物理层发送给现场总线，实现对总线的控制。与此同时，如果设备要将数据发送给计算机，那么就只用发送到虚拟地址。

本课题所设计开发的组态二次开发环境支持的通信协议有Modbus Tcp和Modbus Serial两种。工业控制领域中Modbus通信协议使用最为广泛，是工业控制领域继承监控系统中不可或缺的部分。开发人员通过该组态环境，可以自行添加通信信道，并设置信道参数。还可以为改信道设计具体的通信协议字段信息。最后通信驱动组态会将所有的配置信息全部转换成XAML语言标记的数据格式并写入系统数据缓存区。

Modbus通信驱动的运行采用的是多线程的运作方式。其中的每一个Modbus主站都是一个IModbusStation实例化对象，并且在每一个对象中都设定有对应的控制方法来管理Modbus主站的启动和停止。在每一个Modbus主站实例中，主线程主要是用来监控Modbus主站的运行状态，同时也可以产生和监视逻辑处理线程，以便可以实现与该Modbus主站下的所有从站进行数据的交互和处理。通信驱动运行流程如图3所示：

图3 通信驱动运行流程图

本组态监控系统，可以根据需求，搭载满足各种通信协议的驱动程序。通信驱动主要通过动态链接库的形式进行设计与开发。

5.结束语

从工业控制的发展趋势可以发现，在今后相当长的时间内，现场总线这种比较成熟的工业控制技术将继续普遍应用在现场控制中。现场总线之间以及现场总线与以太网之间的更完美的融合，是工业控制领域发展的主要方向。协议作为工业通信控制的重要部分，更加深入的研究协议转换将能更大程度上推动现场总线技术的发展和普及，使工业自动化的发展更上一层楼。

[1]Jim Montague．What's left to say about ind ustrial ethernet．Control Engineering,2001:7-17．

[2]丁磊,费敏锐,陈维刚．现场总线协议转换机理及实现[J]．自动化仪表,2005．