李成浩

郑州轻工业大学电气信息工程学院, 河南 郑州 450002

现场总线技术以其开放互联的结构特征，顺应了当今工业化的需求，成为当今自动化领域技术发展的热点。利用现场总线技术，既可以同层网络相连，也可以通过网络互联设备控制级网络或管理信息级网络，在遵守统一通信协议的前提下，同样可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需要的控制工业互联网[1]。

1 现场总线

国际电工委员会定义了现场总线，现场总线主要是安装在制造和工程区域内，能够实现现场设备与控制室内的自动化设备之间的数字串行、多点通信的数据总线网络。现场总线采用金属双绞线、同轴电缆或光缆将工业生产中的智能现场设备、自动化系统、测量控制仪表以及远程监控系统连接成网络系统，形成了开放式、数字化、多点通信的底层网络。在总线网络中，现场智能仪器仪表、控制器和执行机构等设备按照规范的通信协议实现数字通信。同时现场总线系统也能实现这些现场控制设备和高级系统之间的数据传输和信息交流，形成各种适应实际需求的自动控制系统[2]。

Profibus(Process Field Bus)是德国西门子推出的一种现场总线标准，也是一种应用广泛的开放性数字通信系统，适用于快速性、可靠性要求高和时间响应要求严格的各种自动化通信任务。

施耐德电气集团旗下的莫迪康公司在1979年发明了世界上首个真正用于工业现场控制的总线协议，这就是Modbus协议。通过此协议可实现控制器之间、控制器经由网络和其他设备之间的通信，目前已成为一种通用的标准。Modbus协议定义了传输数据的消息结构，而在控制网络中的控制器只要对此消息结构进行识别，便能够实现数据在此控制网络中的传输。

2 工业网络多协议转换技术

2.1 工业控制网络通信协议的参考模型

随着工业技术的快速发展，生产制造现场设备逐渐向复杂化发展，往往同一个工作区域存在着基于不同现场总线协议的设备网络和通信网络，要想将这些网络互联起来，构成规模较大的工业控制系统，以实现工业网络设备之间的数据通信，就需要工业网络多协议转化技术。

在工业控制现场，想要实现不同设备和自动化厂家控制器的相互通信和数据交换，不同协议必须有统一的模型基础，在此需求下开放系统互联参考模型（Open System Interconnection,OSI）应运而生，而且此参考模型现已成为国际公认的网络分层模型。现场总线协议为了满足工业控制快速性和可靠性的需求，通常只采用了OSI参考模型的一部分。

2.2 多个通信协议转换的原理

由统一的参考模型简化而来的不同总线协议都定义了各自数据链路层，而要在多个不同网络协议间建立一个调节匹配机制就是协议转换的原理。这一调节机制使得互联网络中的数据能够在不同网络协议之间相互识别，即从一个协议收到信息，经过这个调节机制的转化成为能够被另一个网络识别的信息。在实际工程应用中，采用分层的方法是不同网络协议信息转换的一般方法。一个协议网络的信息层从应用层逐渐向物理层传输，经过协议转换器转换，被另一个协议识别，再逐渐由物理层传输到应用层，完成不同工业网络协议间的互联通信[3]。

智能网关就是实现工业控制网络不同协议之间通信的应用最广的设备。智能网关具有多个形式的通信接口，可以使不同类型的网络互联，并通过解析各层协议中的通信数据，实现不同协议的工业网络之间的通信。

3 污水处理多协议控制网络结构设计

目前污水处理过程控制引入通信、计算机传感、自动控制、智能监控等先进技术，形成以工业以太网现场总线为基础的现场控制网络，通过计算机进行过程监控和管理，大大节约了劳动力，提高了工作效率。国内的污水处理厂通常利用多种现场总线和计算机控制技术，形成多层次的自动控制网络系统，对污水处理过程实时监控与管理，这种方式已经成为污水处理工业未来的发展方向。污水处理的过程主要是污水初步处理、污水的生物反应以及污泥的处理，其控制系统由粗格栅、细格栅、提升泵、沉砂池初沉池、氧化沟、终沉池和消毒池几部分组成。

在污水净化处理过程中，整个污水处理系统现场需要使用大量的传感器和现场仪器仪表，并使用Modbus总线技术采集并传输各种模拟量和数字量信号。由底层采集来的液位、温度等模拟信号以及各种开关量信号而经控制器的处理上传给上层网络。现场设备控制总线通信协议是由选用的控制器决定，可选用国内应用广泛的西门子S7-300作为现场设备控制器，采用Profibus-DP总线通信协议。现场级与监控级常使用工业以太网进行数据传输，实现远程控制和信息的集成管理。实现多协议之间的通信，各个层级的总线系统才能互联通信，构成整个污水处理控制系统。

污水厂现场级传感器及仪器仪表是基于Modbus协议，利用正舟科技公司的协议转换网关CBT-1001连接到由S7-300为控制器的Profibus-DP控制网络上。基于Modbus协议的现场设备通过协议转换网关CBT-1001集成到Profibus-DP网络，实现了S7-300总控制器对整个现场所有设备的控制。而Profibus-DP总线通过正舟科技智能网关CBT-1010与管理级以太网控制网络进一步互联，构成多层次的异构网络，实现基于工业以太网为主干的对污水处理厂控制的管理系统。工业以太网的数据传输速率高，污水处理厂监控层选用工业以太网并采取星型拓扑结构，这样的网络结构类型数据传输速率高，而且传输过程中数据碰撞率很低，从而大大提升了控制网络的实时性与稳定性。不同网络协议转换技术在污水处理控制过程中被广泛应用，极大地提高了设备的兼容性，促进了工业控制网络的发展。

现场总线技术具有数字化、互操作性、网络结构等特点，在工业控制领域已经广泛应用。随着接口技术的不断发展，不同总线协议之间的通信壁垒势必会被进一步打破。多协议控制网络间逐渐实现互联通信，工业互联网未来能够真正实现互联互通，工业自动化控制领域也将迎来一个质的飞越。