Profibus-DP与DeviceNet多现场总线集成方案设计

谢石瑀

（罗克韦尔自动化集成 上海 201210）

1 网关技术

为了满足控制系统对现场总线的系统集成的需求。现场总线系统集成技术研究得到了广泛的重视。很多学者和实体也对这一问题进行了深入的研究，并提出了解决方案和手段。通常，根据参加集成实体的软件层次，可以从三方面来实现集成：通讯协议级、中间件级和应用程序级。但对于现场总线，实现手段一般只局限于通讯协议级和中间级，就可以满足现场总线系统中的面向资源和面向信息获取的集成要求。

总线技术发展到现在，多协议共存的现状也极大的促进了不同总线协议的信息共享和互联互通的技术发展。网关、网桥、链路设备、耦合器、中继器、分支器的等成为实现以上技术的一个直接和重要手段。

由于工业环境。网络拓扑、传输距离、传输速率、站点个数、终端匹配的问题，现场总线实际上需要大量的物理连接设备。这些设备通常没有报文收发功能，主要起到物理层协议转换电气连接作用。如：中继器、分支器和集线器等。现有的设备有DP/PA耦合器、RS232/485光端设备等。

网桥是实现不同信号传输模式设备之间的连接，特别是物理层的连接。但网桥决不仅仅是物理接口转换器，还必须具有通讯协议转换的功能。及主要包括物理层、链路层的转换。至于应用层没有标准规定需要相关技术人员对不同总线协议有深入的了解。

网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层现场总线协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关将现场总线设备1发送来的数据在不同的协议层次进行解包，最终得到报文中的用户数据。然后再按照现场总线协议2逐层打包，然后发送到现场总线2中的设备。

现场总线的网关主要有两类：设备网关（面向资源）和协议网关（面向信息获取）。

当两种现场总线设备有面向资源的集成需求时，设备网关将这两种不同总线的各层协议都进行转换，包括应用层数据和所涉及的各种服务，这种转换可以比较彻底的屏蔽不同现场总线的差异。不但可以对I/O数据进行转换还可以传输包括各种调试诊断信息在内的各种控制信息，实现面向资源的集成。

当两种现场总线设备有面向信息获取的集成需求时，可以采用比较简单的集成方式：协议网关。在这种网关中包含了两种总线协议的一个虚拟设备，使得网关在每个总线网络中表现为这个总线上的一个标准协议设备，可以在该总线上和其他设备一样进行通信，可以自由的上传信息并接收上位机的控制信息。同时这些不同总线协议信息可以在协议网关的内存区域进行数据交换，然后在转发到对应总线设备中，这样完成了跨总线协议的数据传递。协议网关并不是对两种总线协议都进行转换，而且这种网关不需要使用人员对不同的总线协议深入的了解和应用，因此不但开发比较容易也极大的方便技术人员的使用。并且这种网关受到的约束比较少，适合兼容总线协议差别较大的协议。

2 DeviceNet与Profibus-DP总线协议转换方案研究

DeviceNet 与Profibus-DP 两种总线协议在物理层、数据链路层和应用层有着显著的不同，在这两者之间进行数据交换采用设备网关会非常复杂成本也非常高，不是很经济。由于协议网关只需要对应用层协议进行重组，而物理层和数据链路层工作在相同的机制下，从而极大的简化的数据传输过程。所以从系统可靠性、实时性和经济性方面考虑，协议网关是最优的方案。

首先构建有设备层的 DeviceNet与处于控制层的Profibus-DP现场总线协议子系统的数据双向转换架构模型。协议网关是采用分层的方式将 Devicenet现场总线设备的信息从高层逐层向下传递，通过物理传输媒介到达协议网关，然后在协议网关数据缓存区对 DeviceNet数据桢进行重新解包打包，将数据帧重组，翻译成符合Profibus-DP协议数据包。这是协议网关作为Profibus-DP协议的从站和主站进行数据交换。

本文中搭建的协议网关是利用AB ControlLogix PLC为基础的使用专用的DeviceNet数据采集模块与协议转换模块PDPS组成，协议转换模块符合 GB/T18858.1，GB/T18858.3及DeviceNet Protocol Release 2.0和PROFIBUS-DP协议。具有通过ODVA一致性测试的EDS文件和符合Profibus-DP的GSD文件。即可与数据采集模块进行通信，也可作为Profibus-DP的从站与主站进行数据交换。解决了两种现场总线协议物理层和数据链路层不同的问题。利用PLC的CPU和背板通讯将从各个DeviceNet站点采集到采集模块中的数据解包打包通过背板通讯将重新打包数据写入到转换模块PDPS内的read_data数据缓存区，由DP主站来读取。同时DP主站将控制数据写入PDPS模块的 w rite_data数据缓存区，也是通过背板通讯有数据采集模块传输到DeviceNet网络各个站点中。这样保证多现场总线子系统数据传输的实时性要求，在数据交换同时，在PLC程序开发了一个心跳程序由DP网络发送一个频率为1秒的方波脉冲信号，由PLC程序中的计数器计数，如果高低电平5秒没有改变，即认为通讯出错，所有数据清零，从新传输，以保证数据交换系统的可靠性。本次论文的协议网关通讯构建模型如下图1。

图1 本次论文的协议网关通讯构建模型

PDPS模块双向的数据传送是这样实现的，模块在其输入w rite_data镜像中填充数据，再发送到处理器。梯形逻辑程序把输入镜像中的数据放置在处理器的控制器标签（Controller Tags）中。模块的输入镜像是122个字。这个大型数据区让数据在模块和处理器之间快速的交换。镜像刷新的频率取决于用户为模块定义的计划扫描频率（scheduled scan rate）和模块的通讯负荷。典型的刷新频率在1到10毫秒之间。需要传送到模块的数据被处理器插放到模块的read_data输出镜像。模块程序会把这些数据提取出来，放置在模块的内部数据库。模块的输出镜像共有122个字。这个大型数据区让数据在模块和处理器之间快速的交换。

3 方案设计与实施

项目监控层采用西门子设计的中央处理监控系统，原有的设备层一直采用是西门子的 Profibus-DP 总线协议。在新的扩建计划中的低压配电系统采用DeviceNet网络。需要设计一种总线协议集成方案。经过与客户的讨论，考虑了系统数据交换的安全性、实时性等问题，决定采用目前市场上比较成熟的一款网关设备来进行总线系统集成。项目控制系统架构如下图2：

控制系统主要分为三层。设备层由支持DeviceNet总线协议的智能仪表及智能低压电器元件组成。通过网关与控制层进行数据交换，主要完成数据采集、数据处理、状态监测及网络通信等功能。监控层由操作站、工程师站、Web服务器和数据库服务器等组成，主要完成现场设备的操作与监控、数据存储等功能。

3.1 硬件设计

根据 DeviceNet协议网络站点的要求，将整系统网络划分成三段网络。对应三块数据采集模块 1756-DNB。将这三块数据采集模块中采集的模块中元件EDS文件中的信息进行整理，通过PLC组成客户需要的字节，同时传输到从站通信模块的读写区。由于读写区的字节限制，采用5块从站模块对应客户的4段DP网络。采用AB 公司controlLogix 1756系列的10槽PLC.模块组态如下表所示：

3.2 软件设计

协议网关的的软件设计关键是对不同协议中传输数据的重新打包解包。由于数据转换模块中缓存限制，将 DNB模块中读取的DeviceNet网络中设备的EDS文件的字节重新定义，组成新的字节存入 PDPS模块的缓存中。因此设计中断程序将DeviceNet网络中的不同类型的设备定义为新的字节，然后由程序将新的字节按Profibus-DP网络网段组成数组，存入相对应的PDPS模块的缓存中。程序流程图如下3：

图3 程序流程图

4 结束语

本文源自低压配电车间扩建项目，提出一种多总线协议集成的解决方案协议网关。并在此基础上建立本文系统集成通讯模型，完成了网关硬件及软件设计。最后对网关进行测试，数据转换正常。

[1]陈开.工业以太网的节点开发及通信协议研究[D]华中科技大学 2009.

[2]王佳承，费敏锐，王海宽.基于M odbus的多现场总线集成测控系统设计[J].

[3]韦娟，蒋道霞.以太网和CAN 总线的协议转换[J].计算机与现代化（2011№12）.

[4]蔡永昶.基于以太网和现场总线的分布式系统集成设计[J].化工自动化及仪

[5]陈维刚 费敏锐.工业控制系统的网络化发展 工业仪表与自动化装置[J].2004（1）.表2010，37.

[6]阳宪惠.《现场总线技术及其应用》 北京：清华大学出版社，2000.

[7]钱晓龙.《ControlLogix系统组态与编程——现代控制工程设计》.

[8]陈维刚，费敏锐，边宁宁.一种工业以太网与现场总线协议转换器的研制[J].仪.

[9]邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.器仪表学报，2005.

[10]夏德海.论现场总线的应用［J］.自动化仪表，2007，28