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1、基于交换式以太网实现多现场总线集成caojing导语：该系统不仅可以很好的解决目前控制系统的全分散、全开放和多种现场总线的系统集成问题，而且通过以太网与现场总线在更底层的结合，使得控制系统体系构造更加扁平化。1引言在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的进步和工业管理自动化的深化，大量的智能设备需要通过网络互相通信，实现智能化现场设备的功能自治性、系统构造的高度分散性和管控一体化。现场总线顺应了现场设备智能化的开展趋势，它以具备数字计算与数字通信才能的现场设备作为网络节点，以总线作为节点间实现数字通信的纽带，构成数字式、双向传输、全分散、多分支构造的控制网络。现场总线的出现适应了工业控制系统向分散
2、化、网络化和智能化开展的方向，并且促使目前的自动化仪表、DCS和可编程控制器PLC等产品所面临的体系构造和功能构造产生重大变革，导致工业自动化领域的一次更新换代。从信息集成的角度来看，随着计算机、控制、通信、网络等信息技术的开展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场。为实现工业企业的综合自动化，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的集成网络平台，不仅为数据信息的纵向传递提供通道，同时保证横向设备间的互相通信。但是现场总线技术在信息集成方面存在许多缺乏，现有的现场总线标准太多，仅IEC国际标准就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来，多种现场总线并存已成定局，不
3、同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议，相互之间不能兼容，无法实现互操作无法协同工作，也无法实现信息的无缝集成。为解析决同一控制系统中多种现场总线的集成问题，在一些工程中通常是利用某种标准技术如OPC技术等开发可以连接其现场总线的接口。但各现场总线标准没有完全统一，需要开发大量的接口才能知足不同工控对象的需要。不少企业为解析决来自不同现场总线厂家产品兼容性问题，都投入了宏大的精力和财力，但成效甚微。交换式以太网技术的开展，进步了Ethernet的实时才能，使得工业以太网成为一种确定性网络，而Ethernet/IP、HSE、PROFInet、iLon等新型现场总线标准的推出，更是为较好的解决多
4、现场总线的集成问题提供了技术根底。针对目前多种现场总线广泛共存的场面，利用交换式以太网技术，提出了一种合适现场总线工业应用现状的集成方案，并讨论了将其应用于变电站自动化系统的几种典型现场总线技术。2多现场总线系统的集成趋势2.1现场总线开展现状现场总线是从20世纪80年度代以来逐步开展形成的。根据IEC定义，现场总线是安装在消费经过区域的现场设备与控制室内的自动控制装置之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支构造的通讯网络。现场总线用数字通信代替了传统的模拟信号传输，大量的减少了仪表之间的连接电缆、接线端子等，降低了系统的硬件本钱；它不仅可以传输正常的测控信号，而且还可以传输设备状态、报警、趋
5、势等附加信息，甚至可以对仪表进展远程编程和维护，因此被誉为自动化领域的计算机局域网。由于现场总线技术所蕴涵的宏大经济潜力，世界上不少公司投入了大量的人力、物力、财力全方位的进展技术研究和应用研究，目前形成了100余种各具特色的现场总线，其中声称为开放型的总线就有40多种，由此引发了现场总线的国际标准大战。尽管经历了多年度的努力，但IEC于2000年度通过的现场总线标准却包容了IEC61158FF的H1、ControlNet、Profibus、PNet、FoundationFieldbus、SwiftNet、WorldFip、InterbusS等8种互不兼容的协议。异构现场总线互连和互操作的问题
6、并未得到解决，用户仍要面临现场总线系统的选择和集成，需要花费大量的精力去解决不同标准系统之间的信息交互问题。另外，传统现场总线的通信速率大都较低，在某些场合无法知足工业网络成倍增加的数据通信量的实时性要求。2.2集成是现场总线的必然趋势由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到了广泛应用。各种现场总线代表着不同公司多年度的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重不同，各有特色，各有相应的应用领域。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线可以完全适用于所有的应用领域。尽管工业以太网因其无可比较的优势进入现场控制级已成为开展趋势，但至少如今看来，它难以完全取代现场总线而成为实时控制通信的单一标准
7、。因此，多种现场总线共存的场面将在一个很长的时间内存在。在由多种不同类型的现场总线构成的系统中，各种现场总线产品由于协议的不同而无法互相通信，严重阻碍了用户的选择。对用户而言，假如一个系统中每一个智能化产品均选择其专用的通信卡或者通信控制器，系统的组态性和灵敏性将很差，而且改造晋级的本钱会很大。随着工业以太网技术的开展，各现场总线相继推出了捆绑以太网的新一代现场总线技术和产品，以期建立可以让多种现场总线协同工作的控制系统。如Rockwell公司推出了由Ethernet、ControlNet、DeviceNet层总线构成的Ethernet/IP；FF那么摒弃了原有的高速总线H2，从1998年度开
8、场制定HSE标准；Siemens公司也推出了PROFInet解决方案。这些新型现场总线技术均采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准和TCP/IP协议组，使用标准以太网传输介质和连接设备，且兼容上一代现场总线系统甚至DCS。不难看出，多种现场总线集成起来协同完成工业企业的测控任务，是目前自动化系统供给商抢夺市场的重要策略，只有这样才能适应目前现场测控设备多态性和用户需求多样性的需要，最大限度的保护用户的利益。3多现场总线集成的解决方案3.1交换式以太网技术众所周知，以太网具有全开放、本钱低、带宽高、稳定性和可靠性高、应用广泛、分享资源丰富等优点，将其应用到工业网络已经成为国内外工业控制领域
9、研究的热点。但传统以太网的MAC层协议为CSMA/CD，各个节点采用1坚持BEBBinaryexponentialbackoff算法处理冲突，具有冲突时延不确定的缺陷，使之无法在工业实时控制系统中得到有效的应用。随着IT技术的快速开展，Ethernet的传输速度已经从10Mbit/s进步到100Mbit/s，以致目前的1Gbit/s，使得冲突时间大大缩短；而交换式以太网技术的开展，那么为彻底解决以太网通信的非确定性问题带来了祈望。交换式以太网通过网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，为每个节点提供了独占的点到点链路，在体系构造上和简单的点到点的连接完全一样，每个设备都有一个专用的单独信道连接
10、到另一个设备，因此不需要竞争底层传输信道，使不同设备之间产生冲突的可能性大大降低，网络传输确实定性问题得到了妥善解决。3.2多现场总线集成系统在工业网络中引入现场总线，就是在工业现场建立一条高可靠性的开放式数据通信线路，以实现各种智能设备之间和智能设备和监控单元之间的数据交换。现场总线技术不能实现统一的一个重要原因，就是因为采用了不同的网络技术。由于每种现场总线已经获得很多厂家的支持并拥有诸多用户，运用单一的网络技术来实现现场总线的统一已不可能。将交换式以太网技术引入工业控制系统，交融现存的多种现场总线，可构成如图1所示的一种多现场总线集成系统。该系统中的现场总线均采用捆绑以太网标准的新型技术
11、，不仅实现各类智能设备的互连，同时负责完成智能设备与上层监控单元的数据通信。各种现场总线所提供的以太网应用效劳如表1所示。整个系统的通信建立在Ethernet、TCP/IP和现场总线的混合通信协议之上，通过各种新型的现场总线技术实现高速Ethernet与相对低速的现场总线的互连，以实现上层监控单元和现场智能设备的互连和互操作。系统的信息传输机制如下：当上层监控单元需要向现场设备发送信息时，它首先基于Ethernet和TCP/IP协议将信息发送给相应的新型现场总线以太网应用效劳比方PROFInet的代理机制，然后由该效劳根据现场总线协议发送给相应的智能设备；现场设备向上层监控单元发送信息的经过与
12、此相反。系统中的智能设备主要用于数据的采用、控制的输出和实现一些简单的控制算法。系统的控制功能可以安排在网络中的任意一台，或者同时安排在几台计算机上完成，真正实现了控制功能的全分散和多冗余，系统可靠性大大进步，并可实现多种复杂控制算法。计算机可以利用软件设计的高度灵敏性，虚拟实现多种标准的现场总线站点，并在整个系统中起到核心作用。这样可以将不同的现场总线集成在一个分布式控制系统中，进而缓解不同现场总线标准统一和互操作的压力，保护消费厂家和用户的既有投资。当用户需要扩大系统规模时，可以采用任一种类的现场总线，实现多种现场总线的系统集成。由于Ethernet便于实现与Internet的无缝连接，该
13、系统还支持通过Internet进展远程访问。4变电站自动化系统中多现场总线集成4.1系统体系构造变电站自动化系统是自动化和计算机、通信技术在变电站领域的应用，通常采用分层分布构造，分为经过级、间隔级和变电站级，其中经过级主要负责现场数据收集、提供I/O接口等；保护测控单元构成分布式间隔级；变电站级主要包括总控单元、公共设备、当地监控系统等，同时负责与远程调度中心交换信息。由于计算机、网络通信及电力测控等技术的高速开展，使得应用于变电站自动化的技术无法统一。固然现场总线已经在变电站自动化领域有了不少成功的应用经历，但却包括了LonWorks、CAN、Profibus等多种互不兼容的现场总线标准，
14、因此有必要集成各种现场总线系统，使其协同工作。随着交换式以太网技术的开展，现场总线控制网络和基于以太网的数据通信网络逐步趋于统一，国际电工委员会制订了IEC61850变电站自动化系统标准，提出了变电站内部间隔级和经过级之间采用开放式、全分布、可互操作性的工业控制以太网络全数字通信。基于交换式以太网技术的变电站多现场总线集成自动化系统如图2所示。为了知足变电站自动化系统信息交换量较大和对数据实时性和平安运行的要求，该集成系统采用由监控网和录波网构成的二级网络构造，监控网用来传送各种控制信息，录波网那么传送电力系统故障录波信息。由于主干网采用10Mb/s或者更高带宽的全双工交换式以太网，完全可以知
15、足网上节点多、数据流量大的需求。原有现场总线系统如LonWorks、CAN、Profibus等通过相应的以太网效劳与主干网相连，进而实现不同现场总线系统中智能现场设备之间的信息交互。交互式以太网技术的应用，不仅实现了不同种类现场总线的集成，而且进步了网络平台的开放性和可扩展性，使得整个变电站自动化系统可以知足中、低压变电站向高压、超高压变电站开展的需求。4.2几种典型现场总线技术4.2.1LonWorks系统的i.LON1000新一代LonWorks系统中的关键设备是i.LON1000，它取代了传统的网关设备而成为连接LonWorks和Ethernet的桥梁。它将LonWorks报文打包，用T
16、CP/IP协议进展封装，然后在网络上发送。当数据包传送到LonWorks网段时，TCP/IP封装被抛弃，LonWorks数据包被重新放置在网络上。从计算机网络的角度来看，i.LON1000可以看作是一个典型的IP主机，可以将控制网和数据网无缝的连接在一起，其内置的网络效劳器允许网络阅读器可以轻松的获得监控信息，如电压、电流等网络变量。i.LON1000使得系统的安装、监视、故障诊断和维护变得更加容易，网段上各个节点之间完全连通。4.2.2Ethernet/IPEthernet/IP是一种既支持I/O又支持数据交换的开放式工业网络，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mb/s
17、和100Mb/s以太网商用产品，便于实现大量数据的高速传输。Ethernet/IP的协议由Ethernet、TCP/IP和CIP组成，兼容CAN总线采用的DeviceNet协议，可实现CAN总线与Ethernet的信息交互。图3给出了Ethernet/IP与CAN总线相结合的应用体系构造。4.2.3Profibus系统的PROFInetPROFInet规定了Profibus和Ethernet之间的开放、透明通信，它基于标准的以太网连接介质，采用TCP/UDP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。PROFInet采用了先进的对象模型COM/DCOM，使得整个构造明
18、晰简洁，便于管理，且可以同时挂接传统的Profibus系统和新型的智能现场设备。传统Profibus设备可通过一个代理接口与PROFInet上面的COM对象进展通信，通过OLE自动化接口可实现COM对象之间的调用。5完毕语由于各种现场总线技术的开展和互相竞争、各种计算机主流技术在工业控制领域的浸透和应用和自动化技术开展的延续性和继承性，工业现场控制网络必将长期出现多种现场总线共存的场面。固然以太网技术在工业自动化领域的推广应用势不可挡，应用范围也在迅速扩大，但目前不会出现以太网一统天下的场面。因此，怎样较好的解决工业企业现存的不同种类现场总线之间的互操作问题，使其协同工作，对于实现工业自动化系统的信息集成具有重大的现实意义。为了保护用户的原有投资，同时提供高速以太网的高带宽数据通道，本文基于交换式以太网技术，提出了一种多现场总线集成的解决方案。该系统不仅可以很好的解决目前控制系统的全分散、全开放和多种现场总线的系统集成问题，而且通过以太网与现场总线在更底层的结合，使得控制系统体系构造更加扁平化。通过对几种典型现场总线所提供的以太网应用效劳进展讨论可以看出，将本文提出的多现场总线集成方案应用于变电站自动化系统，不仅可以较好的实现LonWorks、CAN和Profibus等现场总线的系统集成，而且符合现场总线在变电站自动化系统中的应用现状。0