文章标题：浅论主流现场总线的兼容通信

摘要：本文以沱牌污水处理项目为依托，理论与实际结合解决了现场所遇到的Profibus、Modbus、工业以太网相集成的问题，实现了不同现场总线的兼容通信和上位机统一监控，提出了组件化的方法来适应未来的现场监控系统。关键词：现场总线；Profibus；Modbus；兼容通信

作者简介：龙剑（1980-），男，四川泸州人，通信与信息系统硕士研究生，主要从事网络化测控技术及应用研究。

1流行现场总线介绍

现场工艺是由许多相关工艺段组成，根据控制的需求和厂家的要求，有可能采用不同的现场总线。各种现场总线都有其应用的优势，基金会总线应用到现场级，Lonworks总线用到楼宇，CAN总线用在汽车方面等等。总线协议是一个大的集合，针对现场情况和应用场合又有自身的特点。以在中国应用最广泛的Profibus协议为例，Profibus协议就有DP、PA、FMS三种。最早的为Profibus-FMS协议，定义了OSI模型的第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范和低层接口。FMS主要用于上位机和控制器之间的通信，是处于信息层的西门子早期总线。Profibus-DP只使用了ISO/OSI标准通信模型的第一层（物理层）和第二层（数据链路层），高速的数据传送特别适合可编程控制器与现场分散的I/O设备之间的通信。DP主要是过程控制级的通信，分为三个版本，V0、V1、V2。V0包括周期数据交换、站、模块和诊断功能以及四种中断类型。V1包括面向过程自动化的增强功能，特别是非周期数据通讯，用于智能设备的参数分配、操作、可视化和中断控制，允许使用工程工具进行在线访问。V2包括更高级的功能主要面向驱动器技术的需求。Profibus-PA使用扩展的Profibus-DP协议进行数据传输并具备本质安全和总线供电。Modbus总线协议相对简单，就主要由源地址、目的地址、几个功能码和CRC数据校验组成。Modbus协议的开放性和二次开发性已经在实践中证明了其应用的灵活性。工业以太网的速度优势使其在控制领域迅速发展，但其CSMA/CD机制使其在应用时必须和TCP/IP相结合，以达到系统可靠性的标准，保证实时数据的通信。

2西门子自身总线协议（Profibus）的兼容

Profibus-DP协议是用于I/O级的简单主从协议，主站之间采用逻辑令牌环来循环得到总线的控制权。Profibus-PA总线上主要是用于挂接一些现场仪表。西门子的STEP7组态软件进行网网络组态时要添加DP/PA耦合的模块将两中网络连接起来。PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS－DP协议。根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。污水处理中生化池上的PH仪表、污泥浓度仪、溶氧仪可挂到PA上。仪表通信协议是HART协议，携带模拟量信号，DP总线上传输的数字信号，对叠加的0.5mA模拟量信号解调后，数据进行Profibus-DP协议的封装经总线传到CPU进行处理由上位机查询。DP/PA耦合模块的作用是网关。这种方式在无从站时运行问题不大，但加入从站后并存在从站之间的DX通信后，网络的实时性能不能得到有效的保证，有时从站数据的刷新达到了3-4S。这存在数据传输的效率和同步问题，西门子的Profibus速度在实验室的数据12Mbit/s，实际的现场环境决定了根本不能达到该速度，必须进行大量的冗余编码，性能甚至比不上512KB/s的CONTROLNET。同步的方式采用的是主站向从站广播，从站根据主站的同步信息来与主站同步。在多主系统中相互通信的从站与所属的主站必须同步，主站的同步和从站的同步需要一定的时间。

通讯的基本原理是使用OSI模型的不同层作为子集。该转换中只涉及到了物理层和数据链路层，保证其底层的无差错传输。基本的RS-485接口即DP口仅仅定义了物理层，确保两个RS-485设备之间进行电气连接而不会造成电气冲突。但要在两个设备之间进行通讯和数据解释，需要两个设备都使用相同的协议来定义通讯规则和数据格式。DP/PA网关位于OSI模型中的一、二层。在物理层上实现机械电气特性和传输编码的转换；在数据链路层上实现数据帧的重新封装。

3Profibus与工业以太网协议的兼容

这两种协议兼容本质是PROFINET（PROFINET=Profibus IE/PBLink 工业以太网）。从传输协议角度上讲，PROFINET可定义三种不同的通信方式：TCP/IP标准通信NRT、实时RT通信和等时同步实时IRT通信。TCP/IP标准通信NRT这种通信方式基于工业以太网，使用TCP/IP和IT标准，系统响应时间大概在100ms的量级，并且不能满足数据访问响应时间确定性的要求。NR

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