一、概述

從上個世紀九十年代開始，不同工業(yè)控制領域現(xiàn)場總線技術競爭加劇，形成了當今不同總線標準并存的局面。由于不同總線技術共生存、同發(fā)展的現(xiàn)狀，造成了在控制系統(tǒng)的構建過程中，很可能會出現(xiàn)在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)中需要實現(xiàn)跨總線的信息傳遞與共享的情況。因此，解決在不同種類現(xiàn)場總線協(xié)議間的互操作問題成了當務之急。網(wǎng)關就是解決這一問題的一個直接而重要的手段。

網(wǎng)關除了將其兩側所連接的不同總線之間的電氣信號進行隔離和轉換之外，還為這兩種總線提供透明的數(shù)據(jù)傳輸服務，這些數(shù)據(jù)除了有現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)之外，還包括組態(tài)數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)。廣義的網(wǎng)關甚至還應提供不同總線協(xié)議之間應用層服務的翻譯功能，能徹底實現(xiàn)不同總線之間的互操作。本文以現(xiàn)場總線（FOUNDATION Fieldbus，簡稱FF）H1與PORFIBUS DP之間的網(wǎng)關為例，建立了網(wǎng)關模型，并對網(wǎng)關的測試提出了一些見解。

二、網(wǎng)關的原理與實現(xiàn)

網(wǎng)關為兩個網(wǎng)段之間提供了透明的數(shù)據(jù)傳輸服務，能實現(xiàn)一個網(wǎng)段的設備可以通過網(wǎng)關讀取另一個網(wǎng)段中的數(shù)據(jù)并完成控制計算的功能，即網(wǎng)關不僅提供了不同總線之間的信息資源的公享，同時也可以使不同總線之間的計算資源也得到公享。

1、協(xié)議簡介

FF的體系結構采用了OSI七層模型中的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并且在應用層之上增加了用戶層。用戶層由預先定義的標準功能塊和用戶自定義的柔性功能塊（FlexibleFunction Block，簡稱FFB）構成。功能塊（Function Block）是一個以數(shù)據(jù)結構為核心的軟件邏輯處理單位，能完成一個獨立而完整的控制功能。一個FF控制系統(tǒng)在邏輯上可以視為由若干個功能塊組成。

一個典型的FF閉環(huán)控制系統(tǒng)結構如圖1所示：設備1中的AI（Analog Input）功能塊通過傳感器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采樣，然后由設備2中的PID（Proportional Integral Derivative）功能塊根據(jù)設定值和設備1發(fā)送來的采樣值進行控制計算，最后通過AO（Analog Output）功能塊將控制量發(fā)送到執(zhí)行器完成控制。FF系統(tǒng)中的執(zhí)行順序和總線傳輸由鏈路主設備（Link Active Scheduler，簡稱LAS）負責調(diào)度。LAS可以是一個計算機接口卡，也可以是一個現(xiàn)場設備。

PROFIBUS從體系結構上可分為FMS、DP和PA三種類型。FMS用于車間級的數(shù)據(jù)通信，DP型和PA型適用于現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)傳輸，其中，PA型設備主要應用于有特殊要求的場合。從系統(tǒng)行為上，PROFIBUS可分為DP主站（一類，二類）、DP（PA）從站、FMS主站和FMS從站這幾種。DP主站（一類）根據(jù)用戶定義好的算法控制若干個DP從站，并負責與DP主站（二類）進行通訊；DP主站（二類）是一個管理設備，可以支持復雜的DP系統(tǒng)的管理與診斷；DP （PA）從站是一個I/O設備，負責與現(xiàn)場進行信息交換；FMS主站和從站主要進行大批量的數(shù)據(jù)傳輸，完成較復雜的通訊任務。

典型的PROFIBUS閉環(huán)控制系統(tǒng)可如圖2所示：DP從站1將現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到DP主站，并在DP主站完成控制計算，然后由DP從站2將控制量發(fā)送到執(zhí)行器完成閉環(huán)控制。整個通訊過程由DP主站進行調(diào)度，因此PROFIBUS是屬于分布式基礎上的集中控制模式。

2、網(wǎng)關結構

FF H1/PROFIBUS DP網(wǎng)關（以下簡稱網(wǎng)關）由FF H1設備模塊、PROFIBUS DP設備模塊和數(shù)據(jù)交換管理模塊這三部分組成，其拓撲結構如圖3所示。

FF H1設備模塊包含一個完整的FF邏輯設備，即具有由FF的物理層、通信協(xié)議棧和功能塊組成的用戶應用層，它負責與FF H1網(wǎng)段上的其他FF總線設備進行通信，使網(wǎng)關在FF H1網(wǎng)段上映射為一個FF總線設備。

PROFIBUS DP設備模塊由基于西門子公司的協(xié)議芯片SPC3之上開發(fā)的應用程序和相應硬件電路組成，它可以與PROFIBUS DP網(wǎng)段上其他設備進行數(shù)據(jù)交換，將網(wǎng)關映射成為PROFIBUS DP網(wǎng)段上的一個DP從站。

數(shù)據(jù)交換管理模塊管理兩個模塊之間的數(shù)據(jù)通道，主要負責兩網(wǎng)段間通信數(shù)據(jù)的映射、流量控制、兩種協(xié)議報文的轉換等工作，是網(wǎng)關的核心部分。

3、網(wǎng)關工作原理

當需要進行跨網(wǎng)段的信息訪問時，需要對FF設備和DP設備進行適當?shù)慕M態(tài)。在組態(tài)過程中，網(wǎng)關的數(shù)據(jù)管理模塊根據(jù)用戶配置的組態(tài)信息建立一個反映兩網(wǎng)段中欲交換數(shù)據(jù)關系的映射表 （DataMapTable），從而保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

下面以FF設備從DP從站中讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)完成閉環(huán)控制為例來說明網(wǎng)關的工作原理。此時的控制結構如圖4所示：網(wǎng)關中的FF設備模塊映射成為FF H1總線上的一個設備，其中包含一個AI功能塊。

具體是實現(xiàn)過程是：DP從站1從傳感器讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到DP一類主站。然后，DP主站直接將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關，網(wǎng)關中的DP模塊獲得數(shù)據(jù)之后，就通知數(shù)據(jù)管理模塊來讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊根據(jù)DataMapTable中的映射關系將數(shù)據(jù)放到相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待FF設備將數(shù)據(jù)取走。

FF設備中的AI功能塊得到調(diào)度后，就到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)的位置不同就可以知道所讀取的數(shù)據(jù)所對應的功能塊輸入端，然后根據(jù)FF系統(tǒng)中的組態(tài)信息將數(shù)據(jù)發(fā)送到FF設備1中的PID功能塊進行控制計算得到控制量，并由AO功能塊將控制量發(fā)送到執(zhí)行器完成閉環(huán)控制。

在對兩個網(wǎng)段進行組態(tài)的時候，應該注意調(diào)度周期的匹配。如果DP從站1采集數(shù)據(jù)的頻率比FF功能塊讀取數(shù)據(jù)的頻率高，會由于數(shù)據(jù)的覆蓋而造成數(shù)據(jù)丟失；相反如果DP從站1采集數(shù)據(jù)的頻率比FF功能塊讀取數(shù)據(jù)的頻率低，則有可能造成FF設備對同一數(shù)據(jù)的重復讀取。

當然，網(wǎng)關也可以進行反向的數(shù)據(jù)交換，即DP從站從FF設備中讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并在DP主站中完成控制計算。此時的控制結構與圖4相似，只不過由FF設備1中的AI功能塊對傳感器進行采樣，由DP從站1將控制量發(fā)送到執(zhí)行器完成控制，且網(wǎng)關中的FF設備模塊包含的是一個AO功能塊。

三、網(wǎng)關的測試

由于兩種總線的速度、設備調(diào)度機制及鏈路時間的計算有很大的差異，因此有必要對網(wǎng)關進行全面的測試，以排除網(wǎng)關使用中的隱患。

網(wǎng)關作為兩種設備的集合體，在不同的總線網(wǎng)段上分別表現(xiàn)為FF H1設備和PROFIBUS DP從站，而對于單獨的FF設備或DP設備而言，可以分別由各自的互操作測試系統(tǒng)來檢驗其互操作性。因此，網(wǎng)關測試的重點就在于對數(shù)據(jù)交換管理模塊的測試。

數(shù)據(jù)交換管理模塊最重要的一個任務就是根據(jù)組態(tài)信息通過建立交換數(shù)據(jù)的映射表（DataMapTable ）來正確指導總線間的數(shù)據(jù)交換，因此，首先測試DataMapTable的正確性。為此，進行如圖5所示的組態(tài)，令FF設備中的8個AI功能塊在每個控制周期內(nèi)分別從8個DP從站中讀取一個數(shù)據(jù)，目的是讓網(wǎng)關在最大的數(shù)據(jù)吞吐量下，檢測數(shù)據(jù)映射關系的正確性。通過監(jiān)控軟件讀取8個AI功能塊的輸入，并與8個DP從站的數(shù)據(jù)進行對比，從而判斷各個AI功能塊與DP從站的對應關系是否正確。

數(shù)據(jù)交換管理模塊還負責對數(shù)據(jù)的有效性進行檢查，避免讀取到失效的數(shù)據(jù)而對控制產(chǎn)生影響。為了測試這一功能，在上述測試過程中，可以人為的將一個或多個DP從站設置為Offline狀態(tài)，即不為AI提供數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)管理模塊中與之相應的數(shù)據(jù)得不到更新。經(jīng)過一段時間（時長可由用戶設定）后，數(shù)據(jù)管理模塊應該將沒有得到更新的數(shù)據(jù)狀態(tài)設置為Bad以提示當前數(shù)據(jù)不可用。當DP從站重新運行并提供數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)管理模塊應該刷新該數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)狀態(tài)設置為Good，指示數(shù)據(jù)有效。

對于從FF H1網(wǎng)段向DP網(wǎng)段的數(shù)據(jù)傳輸測試也采用類似的測試結構，只不過在每個控制周期內(nèi)是用FF的8個AO功能塊分別向8個DP從站傳遞一個數(shù)據(jù)來測試數(shù)據(jù)映射關系。同樣，也用相同的方法對數(shù)據(jù)有效性的監(jiān)控進行測試。

四、結束語

目前實現(xiàn)的FF H1/PROFIBUS DP網(wǎng)關還存在一定的不足，有待進一步改進，例如不能發(fā)送報警事件等。另一方面，網(wǎng)關的測試在很大程度上都是由人工來進行分析和判定，無法做到自動測試，難以對大量數(shù)據(jù)流進行分析測試。

利用網(wǎng)關能夠兼容差異較大的總線協(xié)議的特性，解決了兩種總線之間點對點的互連與互操作的問題。在安裝新的現(xiàn)場總線設備時，可以利用網(wǎng)關和原有的總線設備連接，在在不影響原系統(tǒng)工作的情況下，充分利用了已有資源，減少了投資。

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