現場總線協議轉換機理及實現
2.2 過程控制級轉換
在過程控制級中應用OPC(OLE for process control)實現現場總線間的轉換。OPC是控制系統現場設備級與過程管理級進行信息交互的開放接口標準和技術規范。它采用客戶/服務器模式,以OLE/COM機制作為應用程序級的通行標準,將開發訪問接口的任務放在硬件生產廠家或第三方,以服務器的形式提供給客戶,并規定了一系列的接口標準,客戶負責創建服務器對象和訪問服務器支持的接口。從傳輸數據的角度,OPC服務器的實質相當于一個網關。
它一方面從現場設備讀取數據;另一方面把來自不同硬件供應商的不同類型數據轉換為統一的OPC數據格式,以OPC接口的方式傳送給客戶應用程序,從而實現系統信息的集成。通過開發針對不同的現場總線的OPC服務器,應用軟件就可以從不同的總線系統讀取數據,達到在同一系統中集成不同現場總線類型的目的,系統圖如圖2所示。
圖2 應用OPC實現總線的系統集成
2.3 現場設備級轉換
在現場設備級采用協議轉換的方法,可以在滿足工業控制中實時性要求的基礎上實現系統中多種現場總線的集成。針對當前現場總線的發展趨勢,協議轉換主要應用在現場總線之間、總線與以太網之間以及工業以太網的開發中。
2.3.1 現場總線之間的協議轉換
現場總線之間的協議轉換最普遍的方法是通過網橋實現任意兩種現場總線協議之間的一對一協議轉換,將協議轉換的工作在總線中完成[2]。網橋要求具有物理接口功能、通信協議功能和操作信息功能,能夠實現不同總線系統之間的信息連接和管理。網橋法協議轉換的結構模型如圖3所示。
圖3 網橋法協議轉換的結構模型圖
2.3.2 現場總線與以太網之間的協議轉換
以太網與通用現場總線之間的互連常采用類似隧道技術的方法實現[3]。隧道技術是一種用于異型網絡互聯的技術,當兩個同類網絡通過中間復雜的異類網絡互聯時,常采用隧道技術進行分組交換。當數據幀通過路由器時,路由器并不對幀頭部進行協議轉換,只是將數據幀作為分組再加上自己的幀頭部,向同樣位于中間網絡的另一路由發送。另一路由收到數據后,去掉中間網絡的幀頭,繼續向后繼網絡發送。整個過程中,中間網絡可以被看成從一個多協議路由伸展到另一個路由的大隧道,分組完全不必關心中間經過什么樣的網絡,因此大大簡化了路由轉發和尋址的工作[9]。
以太網與現場總線互聯時,隧道技術應用在現場總線的數據鏈路層,與以太網的傳輸控制層相連?;ヂ撃P腿鐖D4所示。
圖4 現場總線與以太網互聯協議模型
當以太網計算機和現場設備進行數據交換時,首先從系統管理模塊處得到該現場設備的信息,并申請一個在現場總線上的虛擬地址。計算機虛擬站點層根據總線協議生成一系列初始化數據包,其中包含數據鏈路層協議控制信息。數據包的內容和現場總線中的設備剛啟動時向現場總線發送的初始化數據完全一樣。生成完畢之后,通過總線接口處的數據鏈路層經由總線物理層發往現場總線。當現場設備有數據要發往以太網計算機時,只需向該計算機的地址發送即可。協議轉換器經過數據幀的報文處理后,發送給以太網傳輸控制層,再由以太網對得到的數據進行監聽和處理。
數據在實際站點與計算機上虛擬站點層間的傳輸過程,類似于兩個同構網絡使用隧道技術通過中間異構網絡傳輸數據的過程。與過去多層次的網絡相比,它的結構簡潔,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傳送報文[7]。
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