網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋在未來自動化中的地位與作用 　　中國現(xiàn)場總線PROFIBUS技術(shù)資格中心 　　中國PROFIBUS產(chǎn)品測試實驗室 　　北京鼎實創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司 [摘 要]：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展將促使自動化領(lǐng)域中出現(xiàn)一個以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)集成、共有技術(shù)研發(fā)服務(wù)為主業(yè)的新的產(chǎn)業(yè)分支。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件在未來自動化領(lǐng)域中將扮演重要角色。網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件的技術(shù)、理論、及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作還處在初始階段，未來將大有可為。 　　一、前言 　　十幾年前，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為計算機(jī)行業(yè)的一個技術(shù)分支,而在自動化領(lǐng)域還沒有形成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)給IT行業(yè)、以及人們生活帶來了不曾預(yù)料的巨大變化；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展促使IT行業(yè)中產(chǎn)生一個專門從事與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研發(fā)制造、系統(tǒng)集成、技術(shù)服務(wù)的業(yè)務(wù)群體，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展形成了一個新的產(chǎn)業(yè)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展可以看作是數(shù)字通信技術(shù)由計算機(jī)行業(yè)向自動化行業(yè)的擴(kuò)展；近年來現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展也為自動化領(lǐng)域帶來革命性變化。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了FA/PA對工廠信息集成的技術(shù)要求，提供了技術(shù)平臺；而半導(dǎo)體微電子技術(shù)發(fā)展也為現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了技術(shù)經(jīng)濟(jì)保證。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)借鑒成熟的IT技術(shù)迅速發(fā)展，引發(fā)了人們多少奇思妙想、為我們開辟了更大的產(chǎn)品研發(fā)、系統(tǒng)集成、技術(shù)服務(wù)的業(yè)務(wù)空間。 　　二、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展將促使自動化領(lǐng)域中出現(xiàn)一個新的產(chǎn)業(yè)分支 　　1、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前及未來自動化系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用 　　近年來的自動化技術(shù)發(fā)展、市場風(fēng)云變幻，市場格局發(fā)生了很大變化。一些曾經(jīng)名聲顯赫的公司如今在市場占有份額上已大不如前。一些在產(chǎn)品技術(shù)上止步不前的公司也步履維艱，難于生存。也有一些公司保持市場的高速增長，鞏固并加強(qiáng)了自己的地位?；仡欉@段自動化行業(yè)的發(fā)展歷程，有一條明顯的線索，那就是：凡是在十幾年前就重視、投入發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品的企業(yè)如今都保持鞏固了市場地位并得到了發(fā)展；凡是沒有跟上這次發(fā)展、失去這次機(jī)會的企業(yè)，如今都不可逆轉(zhuǎn)地江河日下，淪落到自動化行業(yè)排名二流的團(tuán)隊。這也說明了另一個問題：在當(dāng)今及未來自動化技術(shù)中，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將發(fā)揮重要作用。 　　為什么會這樣呢？其理由已被許多專家在在各種場合中反復(fù)講過：現(xiàn)場總線技術(shù)得以發(fā)展基于以下一些原因： 　?、?工廠信息化對設(shè)備層及控制層的網(wǎng)絡(luò)需求 　　要實現(xiàn)工廠信息集成，通信網(wǎng)絡(luò)是技術(shù)基礎(chǔ)；現(xiàn)場總線是工廠設(shè)備層及控制層（車間級）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此，現(xiàn)場總線技術(shù)是工廠信息集成的技術(shù)基礎(chǔ)。工廠信息化是提升、改造傳統(tǒng)制造業(yè)的必經(jīng)途徑。我國若成為制造業(yè)大國，工廠信息化是重要一環(huán)。由于近來工廠信息化需求，設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)及車間級設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的市場需求增長很快，因此而促進(jìn)了現(xiàn)場總線技術(shù)，及近年來興起的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、及相關(guān)產(chǎn)品的高速發(fā)展。 　?、?基于現(xiàn)場總線技術(shù)的自動化系統(tǒng)確實給用戶帶來了利益 　　經(jīng)過十幾年的推廣應(yīng)用，現(xiàn)場總線技術(shù)確實給用戶帶來利益。比較突出的幾點是： 　?、?節(jié)省電纜及工程安裝的費用：在歐美，工程安裝費用很高，用戶越來越在意項目的人工費用。另外，大量電纜敷設(shè)、安裝、接線造成的工程質(zhì)量風(fēng)險、工期風(fēng)險也是越來越得到用戶的注意。在這方面，現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用比采用傳統(tǒng)I/O硬接線技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)越性。 　?、?遠(yuǎn)程參數(shù)化功能為工程調(diào)試、開通節(jié)省的大量時間。 　?、?更完善的系統(tǒng)故障診斷功能，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合真正實現(xiàn)了遠(yuǎn)程故障維護(hù)。 　?、?豐富的信息集成，為各層次生產(chǎn)管理、設(shè)備（資產(chǎn)）管理提供了可能。 　?。?）計算機(jī)、半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展使智能現(xiàn)場設(shè)備成本降低應(yīng)用普及 　　現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的前提是現(xiàn)場設(shè)備智能化。而現(xiàn)場設(shè)備智能化要求半導(dǎo)體行業(yè)能夠提供低成本、高功能、集成度高的處理器芯片和傳感器芯片。因此現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展與半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。近年來迅猛發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)為工業(yè)智能現(xiàn)場設(shè)備降低成本、應(yīng)用普及提供了良好條件。 　　2、從技術(shù)角度看，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸發(fā)展成為自動化技術(shù)中的一個獨立分支 　　從技術(shù)角度看，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能逐漸發(fā)展成為自動化技術(shù)中的一個獨立分支。這是因為： 　　⑴ 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然借鑒了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是在滿足自動化領(lǐng)域特殊技術(shù)要求而發(fā)展起來的；同時又應(yīng)用其他領(lǐng)域技術(shù)如半導(dǎo)體技術(shù)等。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有別于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 　?、?工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與原自動化領(lǐng)域各項技術(shù)相比較有其特殊的專業(yè)性。以前在自動化領(lǐng)域中沒有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將逐漸發(fā)展成為自動化領(lǐng)域中一個新的獨立技術(shù)分支。 　　3、由于市場驅(qū)動，必然會分離出一批專門從事工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、產(chǎn)品、系統(tǒng)集成的企業(yè)，形成新的產(chǎn)業(yè)分支 　　根據(jù)技術(shù)、市場、及專業(yè)分工的發(fā)展原則，自動化產(chǎn)業(yè)中將分離出一批專門從事工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研發(fā)制造、系統(tǒng)設(shè)計與集成、共有基礎(chǔ)技術(shù)研究的企業(yè)，并涌現(xiàn)出一大批工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)、制造、市場及技術(shù)支持人才。這些企業(yè)將從事業(yè)務(wù)包括： 　?、?共有基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)及相關(guān)產(chǎn)品，包括：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品測試、集成及安裝技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)工具、網(wǎng)絡(luò)診斷工具、協(xié)議芯片、軟件工具……。 　?、?產(chǎn)品研發(fā)制造，包括： 網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、中繼器、集線器、交換機(jī)、光端機(jī)、接插件、電纜……。 　　⑶ 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與集成：單元設(shè)備連網(wǎng)及監(jiān)控系統(tǒng)、車間級監(jiān)控系統(tǒng)……。 　　結(jié)論：自動化領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生出一批專門從事工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品、系統(tǒng)集成的企業(yè)，自動化領(lǐng)域中將出現(xiàn)一個新的產(chǎn)業(yè)分支。 　　三、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件在未來自動化領(lǐng)域中將扮演重要角色 　　網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件在未來自動化領(lǐng)域中將扮演重要角色。一方面是由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場需求的增加，網(wǎng)絡(luò)部件自然要在整個自動化系統(tǒng)中占有重要位置。但本文想談的是另一方面問題：我們在未來相當(dāng)一段時間內(nèi)將面對多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并存的現(xiàn)實，因此用于協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋?qū)⒃谖磥碜詣踊到y(tǒng)中發(fā)揮重要作用。 　　1、“多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并存”在自動化領(lǐng)域中將持續(xù)相當(dāng)長的時間 　　“多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并存”在自動化領(lǐng)域中將持續(xù)相當(dāng)長的時間，這是由于： 　?、?歷史原因 　　由于眾所周知歷史原因……。 　　⑵ 產(chǎn)品供應(yīng)商的經(jīng)濟(jì)利益 　　由于經(jīng)濟(jì)利益，支持各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的國際企業(yè)聯(lián)盟之間一時間無法找到妥協(xié)余地。 　?、?產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展市場制約因素 　　或者簡單的說是用戶對新技術(shù)的認(rèn)可。 　?、?技術(shù)原因 　　回顧工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)化所走過的道路與IT行業(yè)確實不同。在IT行業(yè)，經(jīng)過多年的市場篩選，最終Ethernet+TCP/IP成為事實上的近似唯一的標(biāo)準(zhǔn)。IEC國際標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)工作組IEC61158成立初期，人們普遍認(rèn)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)化會走一條與IT網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)程類似的道路，將會產(chǎn)生唯一的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),覆蓋工業(yè)自動化領(lǐng)域絕大部分需求。然而，十幾年的努力結(jié)果是，沒有一種類似Ethernet+TCP/IP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域所有技術(shù)需求;如今自動化領(lǐng)域的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品仍然是混戰(zhàn)和割據(jù)的局面。 　　原因何在？表面上看，是各大國際自動化企業(yè)集團(tuán)為其利益競爭所致；其實這只是問題的一個方面，還有更深層的原因：由于自動化行業(yè)的特點（相對IT行業(yè)而言）對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特殊需求，單一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域所有技術(shù)要求。 　　近年來工業(yè)以太網(wǎng)興起，人們沒有汲取現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化過程中的經(jīng)驗教訓(xùn)，仍然幻想用一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋工廠從頂?shù)降椎娜靠刂凭W(wǎng)絡(luò)需求，我對此深感困惑不解。 　　問題：面對不同層次、不同功能要求時，“一網(wǎng)到底”是不是明智選擇？ 　　請看下圖1：PA流程自動化市場 　　這張圖表是流程自動化行業(yè)中各種現(xiàn)場總線應(yīng)用的比例。多數(shù)情況下此表用來說明某種現(xiàn)場總線占有多大多大比例，以證明這種總線的市場業(yè)績。但我們從這張圖表中可以看出另外一個問題：在流程自動化行業(yè)中，使用各種現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用總和不超過23%，其余是HART、4-20mA、及I/O，共占78%左右。FA的情況我沒有找到相關(guān)數(shù)據(jù)，使用現(xiàn)場總線連接的設(shè)備可能會比PA行業(yè)多一些，但可以肯定，依靠I/O（數(shù)字量及模擬量信號）將現(xiàn)場設(shè)備連接到控制器的比例還是很高的。這就是我們推廣十幾年現(xiàn)場總線的結(jié)果。而工業(yè)以太網(wǎng)目前大部分用于控制器之間的連接，構(gòu)成車間級網(wǎng)絡(luò)，真正深入到設(shè)備底層的少之又少，在上面類似統(tǒng)計中恐怕根本就見不到。 　　為什么是這樣的結(jié)果呢，本人多年從事現(xiàn)場總線技術(shù)推廣工作，在實際工程項目中可使用的現(xiàn)場設(shè)備具有多種不同的連接形式，這與現(xiàn)場設(shè)備的功能、成本有很大關(guān)系。比如：變頻器，通常具有會PROFIBUS-DP、或DEVICENET；編碼器也許PROFIBUS-DP、DEVICENET、CANOPEN；數(shù)顯儀表及報警器之類多數(shù)是MODBUS/485、CAN之類低成本總線；按鈕箱、光電開關(guān)之類都是通過I/O連接的。 　　站點成本是一個重要因素。所謂站點成本指：一臺現(xiàn)場設(shè)備增加一個（一種協(xié)議）通信接口需要增加多少成本。站點成本有時指產(chǎn)品增加的成本，有時指增加的價格。按中國客戶心理，具有現(xiàn)場總線接口的產(chǎn)品成本（價格）增加應(yīng)該在10～30%之間，否則，這種產(chǎn)品將會選擇另一種低成本的通信連接技術(shù)。 　　各種現(xiàn)場總線（包括工業(yè)以太網(wǎng)）由于其功能、應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用對象不同，站點成本差距很大?，F(xiàn)場設(shè)備同樣由于其功能、應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用對象不同，設(shè)備成本（價格）相差很大。面對不同層次的不同功能要求及成本差異，應(yīng)該有多種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)供用戶選擇，才能配置出性能價格最優(yōu)化的系統(tǒng)。因此，結(jié)論就是：“多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并存”在自動化領(lǐng)域中將持續(xù)相當(dāng)長的時間。 　　2、異型通信網(wǎng)絡(luò)互連是未來我們不得不面對的問題 　　既然“多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并存”在自動化領(lǐng)域中將持續(xù)相當(dāng)長的時間，那末異型通信網(wǎng)絡(luò)互連就是我們在實際中不得不面臨的問題。異型通信網(wǎng)絡(luò)互連主要是指將不同通信協(xié)議設(shè)備連接到某種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)上，或指不同協(xié)議現(xiàn)場總線系統(tǒng)的互連。例如目前遇到的較多的問題是：MODBUS設(shè)備（指具有MODBUS通信協(xié)議的設(shè)備）連接到PROFIBUS總線上的要求； 企業(yè)自定義協(xié)議的RS-232/485設(shè)備（如OMRON PLC的HOSTLINK協(xié)議）連接到PROFIBUS總線的問題；DEVICENET設(shè)備連接到PROFIBUS總線的問題等等。 　　3、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋是實現(xiàn)不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間互連、不同層次網(wǎng)絡(luò)互連的必然選擇 　　完成不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)備之間的互連必然使用協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋產(chǎn)品。比如以下是目前常用到的一些網(wǎng)關(guān)網(wǎng)橋： 　?、?FROFINET 網(wǎng)關(guān) 　?、?PROFINET/PROFIBUS網(wǎng)關(guān)： PROFIBUS總線系統(tǒng)（產(chǎn)品）連接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　?、?FROFINET /INTERBUS網(wǎng)關(guān)： INTERBUS總線系統(tǒng)（產(chǎn)品）連接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　?、?FROFINET / DeviceNet網(wǎng)關(guān)：DeviceNet總線系統(tǒng)（產(chǎn)品）連接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　?、?FROFIBUS 網(wǎng)關(guān) 　?、?PROFIBUS/MODBUS網(wǎng)關(guān)：MODBUS系統(tǒng)（產(chǎn)品）連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　　② PROFIBUS/MODBUS-TCP網(wǎng)關(guān)：MODBUS-TCP系統(tǒng)（產(chǎn)品）連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　?、?PROFIBUS/DeviceNet網(wǎng)關(guān)：DeviceNe系統(tǒng)（產(chǎn)品）連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　 　?、?PROFIBUS網(wǎng)橋 　?、?PROFIBUS/RS232/RS485網(wǎng)橋：RS-232/485產(chǎn)品連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　　② PROFIBUS/CAN網(wǎng)橋：CAN產(chǎn)品連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　?、?PROFIBUS/Ethernet+TCP/IP網(wǎng)橋：Ethernet+TCP/IP產(chǎn)品連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)； 　　4、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋在自動化系統(tǒng)中完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的工程實例 　?、?典型的MCC、PCC監(jiān)控系統(tǒng) 　　圖2是典型的工廠配電監(jiān)控中MCC（Motor Control Center）、PCC（Power Control Center）監(jiān)控系統(tǒng)。目前，國產(chǎn)MCC、PCC一般價格在1000～3000元之間，每臺設(shè)備至少50個字節(jié)的通信數(shù)據(jù)。目前價格在2000元以上的MCC、PCC通常具有PROFIBUS-DP接口，而價格1000元左右的MCC、PCC通常采用低成本的MODBUS/485協(xié)議。 　　在一個實際工廠配電監(jiān)控項目中，MCC加上PCC一般有200臺以上，大工程可以到1000臺。采用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接，波特率通常使用187.5K。理論上一條PROFIBUS總線上最多有125個站點，每段最多有32個站點。超過32站點需要中繼器來分隔網(wǎng)段?？梢杂嬎?，對一個500～600臺設(shè)備的項目，至少需要5條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，也就是5個PROFIBUS主站。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)向上通常需要連接到工廠主控系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)，如DCS系統(tǒng)的Ethernet-TCP/IP；因此需要PROFIBUS網(wǎng)關(guān)功能是：向下有一個或多個（如5個）PROFIBUS主站接口，向上是Ethernet-TCP/IP接口；網(wǎng)關(guān)最好是開放的（嵌入式）系統(tǒng)，比如WinCE或Win2000等，用戶可以自主開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議，比如MODBUS/TCP等。 　　如果MCC、PCC采用MODBUS/485協(xié)議，系統(tǒng)組成成本相對要低；同樣需要網(wǎng)關(guān)：向上是Ethernet-TCP/IP接口；向下有一個或多個MODBUS/485主站接口。MODBUS連接都采用RS-485，波特率通常使用19.2K。理論上一條MODBUS總線上最多有255個站點，每段最多有32個站點。超過32站點需要中繼器來分隔網(wǎng)段。 　?、?A市地鐵一號線旅客信息和顯示系統(tǒng) 　　A市地鐵一號線，在每個地鐵站都有若干PIIS（旅客信息和顯示系統(tǒng)）、和DTI（停站時分指示器）；PIIS用來顯示到達(dá)本站的下一列車的到達(dá)時間、及目的地站名；DTI顯示以秒為單位向車站中的司機(jī)顯示出站時間。 　　PIIS和DTI均為帶有RS-485的通信接口，通信協(xié)議是項目規(guī)定定義。PIIS和DTI所顯示數(shù)據(jù)均來自PROFIBUS主站（RTU DP Master），因此PIIS和DTI都需要使用PROFIBUS/RS485總線網(wǎng)關(guān)連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上。本項目每個車站有4 塊PIIS和2 塊DTI，共用6塊PB-B-RS485總線橋；16個車站總計使用96塊PB-B-RS485總線橋。這可以算是一次較大規(guī)模、應(yīng)用于關(guān)鍵工程中的現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用實例。目前項目以通車近2年，設(shè)備、系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。見圖3。 　　⑶ B市地鐵五號線 　　B市地鐵五號線的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)包括16個地下車站的站級子系統(tǒng)、7個地面車站站級子系統(tǒng)、C停車場的站級子系統(tǒng)、D車輛段的站級子系統(tǒng)。該系統(tǒng)對B市地鐵五號線23個車站及停車場、車輛段的暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水、低壓配電與動力照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、安全門系統(tǒng)、車站事故照明電源等車站設(shè)備進(jìn)行全面、有效地進(jìn)行自動化監(jiān)控及管理；及時、準(zhǔn)確的將監(jiān)視數(shù)據(jù)上傳給綜合監(jiān)控系統(tǒng)，同時接收綜合監(jiān)控系統(tǒng)所下達(dá)的模式控制、單點控制等控制指令；確保設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)，從而提供一個舒適的乘車環(huán)境。并能在火災(zāi)或阻塞等災(zāi)害狀態(tài)下，更好地協(xié)調(diào)車站設(shè)備的運行，充分發(fā)揮各種設(shè)備應(yīng)有的作用，保證乘客的安全和設(shè)備的正常運行。 　　地下站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖4（地上站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似）：系統(tǒng)的車站級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為冗余雙環(huán)網(wǎng)， A、B兩端的冗余PLC與RI/O之間的總線為冗余雙總線，系統(tǒng)與現(xiàn)場的第三方通訊設(shè)備之間的聯(lián)接是利用雙總線通過Y-LINK下掛的單總線進(jìn)行聯(lián)接的。 　　監(jiān)控系統(tǒng)所連接的通訊設(shè)備有：ISCS、冷水機(jī)組（350KW以上）、冷水機(jī)組（350KW以下）、消防應(yīng)急電源EPS、風(fēng)機(jī)ATV變頻器、多聯(lián)分體空調(diào)、斜拉橋景觀照明、冷卻塔變頻器、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS）、輪椅升降臺、無機(jī)房電梯、自動人行道、6M以下自動扶梯、6M以上自動扶梯、UPS、振動檢測模塊。 　　監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備第三方通訊接口形式有： RS485-ASCII、LONWORKS、MODBUS-RTU、Profibus-DP。所有第三方現(xiàn)場設(shè)備都要連接到PROFIBUS-DP上，因此需要使用PROFIBUS/MODBUS、PROFIBUS/ LONWORKS及PROFIBUS到自定義協(xié)議的通信網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)連接 　?、?PROFINET/CBA 　　PROFINET是PROFIBUS國際組織提出的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。PROFINET強(qiáng)調(diào)對原投資的保護(hù)，也就是要能夠與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（PROFIBUS、INTERBUS）互連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。PROFINET/CBA是針對車間級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控提出的解決方案。CBA將生產(chǎn)單元設(shè)備看成工藝技術(shù)模塊，將其封裝成PROFINET組件，定義輸入/輸出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)組件之間的集成。CBA不在意工藝技術(shù)模塊內(nèi)部的實現(xiàn)技術(shù)方案，內(nèi)部采用什么現(xiàn)場總線，一律通過“代理服務(wù)器”將各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)連接到PROFINET上?！按矸?wù)器”至少有協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)功能，并有控制器等其它功能。 　　PROFINET/CBA圖見書 　　四、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件的技術(shù)、理論、及標(biāo)準(zhǔn)化工作將大有可為 網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件在未來自動化領(lǐng)域中將起到重要作用。許多企業(yè)看準(zhǔn)這樣一個商機(jī)，開始有關(guān)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件的技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)制造方面的工作。越來越多的用戶接受現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋這類產(chǎn)品；系統(tǒng)集成商也開始熟練掌握這些產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)。盡管如此，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程不長，有關(guān)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件的技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)制造仍然處在初始階段。實際應(yīng)用與市場需求發(fā)展很快，因此加快有關(guān)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋及網(wǎng)絡(luò)部件的技術(shù)、理論、及標(biāo)準(zhǔn)化的工作很有必要。本文意在“拋磚引玉”，呼吁與有志者合作，共同從事這方面的研究、開發(fā)工作。 　　1．有關(guān)技術(shù)理論 　　首先應(yīng)該是技術(shù)概念的界定。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)借鑒計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、理論，但沒有必要拘泥于此。 　?、?計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋的技術(shù)概念 　　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論中有關(guān)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋的技術(shù)概念隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而變化很大；本人查閱有關(guān)資料，現(xiàn)摘要如下： 　　“網(wǎng)關(guān)曾經(jīng)是很容易理解的概念。在早期的因特網(wǎng)中，術(shù)語網(wǎng)關(guān)即指路由器。路由器是網(wǎng)絡(luò)中超越本地網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)記， 這個走向未知的“大門”曾經(jīng)、現(xiàn)在仍然用于計算路由并把分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到源始網(wǎng)絡(luò)之外的部分，因此， 它被認(rèn)為是通向因特網(wǎng)的大門。隨著時間的推移，路由器不再神奇，公共的基于IP的廣域網(wǎng)的出現(xiàn)和成熟促進(jìn)了路由器的成長。 現(xiàn)在路由功能也能由主機(jī)和交換集線器來行使，網(wǎng)關(guān)不再是神秘的概念?，F(xiàn)在，路由器變成了多功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 它能將局域網(wǎng)分割成若干網(wǎng)段、互連私有廣域網(wǎng)中相關(guān)的局域網(wǎng)以及將各廣域網(wǎng)互連而形成了因特網(wǎng)， 這樣路由器就失去了原有的網(wǎng)關(guān)概念。然而術(shù)語網(wǎng)關(guān)仍然沿用了下來，它不斷地應(yīng)用到多種不同的功能中， 定義網(wǎng)關(guān)已經(jīng)不再是件容易的事。目前，主要有三種網(wǎng)關(guān)： 協(xié)議網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)、安全網(wǎng)關(guān)。唯一保留的通用意義是作為兩個不同的域或系統(tǒng)間中介的網(wǎng)關(guān)，要克服的差異本質(zhì)決定了需要的網(wǎng)關(guān)類型?！薄稗D(zhuǎn)換過程可以發(fā)生在OSI參考模型的第2層、第3層或2、3層之間。但是有兩種協(xié)議網(wǎng)關(guān)不提供轉(zhuǎn)換的功能?！? 　　目前計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中稱“網(wǎng)關(guān)”很多，下面框圖6表明了了一些“網(wǎng)關(guān)”概念的聯(lián)系：（圖見書） 　　“網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，將兩個局域網(wǎng)（LAN）連起來，根據(jù)MAC地址（物理地址）來轉(zhuǎn)發(fā)幀，可以看作一個“低層的路由器”（路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址如IP地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)）。它可以有效地聯(lián)接兩個LAN，使本地通信限制在本網(wǎng)段內(nèi)，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的信號至另一網(wǎng)段，網(wǎng)橋通常用于聯(lián)接數(shù)量不多的、同一類型的網(wǎng)段。網(wǎng)橋通常有透明網(wǎng)橋和源路由選擇網(wǎng)橋兩大類?！? 　?、?現(xiàn)場總線技術(shù)中有關(guān)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋的技術(shù)概念 　　現(xiàn)場總線技術(shù)中有關(guān)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋的技術(shù)概念主要含義是指兩個不同的域或系統(tǒng)間的中介，多數(shù)指異型網(wǎng)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。 　　網(wǎng)關(guān)：泛指兩種（以上）不同現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換設(shè)備，通常包括（物理層、鏈路層）應(yīng)用層、甚至用戶層。 　　如：PROFIBUS-DP / MODBUS網(wǎng)關(guān)、PROFIBUS-DP / MODBUS/TCP網(wǎng)關(guān)、PROFIBUS-DP /PROFINET網(wǎng)關(guān)。這三種網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換包括了物理層、鏈路層、和應(yīng)用層，見圖7。（圖見書） 　　再比如： 　　將東芝變頻器VF-A7連接到PROFIBUS-DP的網(wǎng)關(guān)： 　　東芝變頻器VF-A7具有RS-485接口和企業(yè)自定義協(xié)議。網(wǎng)關(guān)一邊應(yīng)按照VF-A7協(xié)議讀/寫數(shù)據(jù)到VF-A7變頻器，讀/寫數(shù)據(jù)內(nèi)容與格式應(yīng)滿足PROFIBUS有關(guān)變頻器行規(guī)。網(wǎng)關(guān)另一邊應(yīng)符合PROFIBUS-DP及有關(guān)變頻器行規(guī)。見圖8。（圖見書） 　　網(wǎng)橋：泛指兩種不同現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換設(shè)備，通常只包括物理層、鏈路層。 　　如：PROFIBUS-DP / CAN網(wǎng)橋，見圖9。（圖見書） 　?、?工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中大量使用的物理層設(shè)備 　　由于工業(yè)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳輸距離、傳輸速率、站點個數(shù)、終端匹配等需要，現(xiàn)場總線實際應(yīng)用中需要大量的各種物理設(shè)備。這些設(shè)備通常沒有報文的接收轉(zhuǎn)發(fā)功能，主要起到延長傳輸距離、增加站點數(shù)、改變網(wǎng)絡(luò)拓結(jié)構(gòu)等作用。 　　如： 　　工作在相同物理層設(shè)備：中繼、分支、集線器...... 　　工作不同物理層協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備：DP/PA耦合器、RS-232/485光端設(shè)備、...... 　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)中常用的各種不同類型的接插件，如D9、M16、RJ45等也應(yīng)屬于物理層設(shè)備，但這些已超出本文要闡述的范圍。 　　2、有關(guān)產(chǎn)品技術(shù) 　?、?網(wǎng)關(guān) 　　按照ISO/OSI模型，現(xiàn)場總線通常只有物理層、鏈路層、應(yīng)用層；為解決產(chǎn)品互換性，額外增加定義了第八層：用戶層，用來詳細(xì)描述各種設(shè)備的屬性，稱為設(shè)備行規(guī)。見圖10。（圖見書） 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中使用的網(wǎng)關(guān)，作為不同通信協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，通常包括 1、2、7、（8）層。包含用戶層協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)對用戶使用來說是最方便的，不妨稱為專用網(wǎng)關(guān)（或稱為產(chǎn)品網(wǎng)關(guān)、或透明網(wǎng)關(guān)）。為區(qū)別起見，只包括 1、2、7協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)可稱為協(xié)議網(wǎng)關(guān)。 　?、賹Ｓ茫óa(chǎn)品）網(wǎng)關(guān)指：包含了用戶層協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)。使用這種網(wǎng)關(guān)，用戶不必了解兩方任何一方的通信協(xié)議，只需了解產(chǎn)品信息格式（產(chǎn)品行規(guī)）。如下圖11：連接?xùn)|芝變頻器的PROFIBUS專用（產(chǎn)品）網(wǎng)關(guān)PB-B-VFA7。（圖見書） 　　用戶在PROFIBUS配置中，在設(shè)備目錄中找到的是“東芝變頻器的PROFIBUS網(wǎng)關(guān)PB-B-VFA7”，配置到PROFIBUS上后，在PROFIBUS I/O數(shù)據(jù)區(qū)中見到的是一個PROFIBUS（行規(guī)）變頻器，它詳細(xì)規(guī)定了每個I/O字（節(jié)）的含義；這樣，現(xiàn)實中的東芝變頻器VF-A7在PROFIBUS主站S7-300中成為一個PROFIBUS變頻器（從站）；用戶無須了解東芝變頻器VF-A7的RS-485通信協(xié)議，只要對PROFIBUS I/O讀/寫即可實現(xiàn)對東芝變頻器VF-A7的監(jiān)控。這就是產(chǎn)品（專用）網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)透明讀寫，是用戶最方便使用的網(wǎng)關(guān)。 　?、趨f(xié)議網(wǎng)關(guān) 　　將一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成另一種通信協(xié)議，也可以看作是兩個不同協(xié)議網(wǎng)段的數(shù)據(jù)區(qū)映射。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換包括 1、2、7層。 　　比如：PROFIBUS-DP/MODBUS協(xié)議網(wǎng)關(guān)，用戶可以通過這種將Altivar變頻器連接到PROFIBUS總線上；與專用（產(chǎn)品）網(wǎng)關(guān)的區(qū)別是：用戶需要了解MODBUS協(xié)議、及Altivar變頻器的MODBUS數(shù)據(jù)區(qū)地址。因此，用戶需要依據(jù)Altivar變頻器《產(chǎn)品通信手冊》，配置MODBUS通信命令，實現(xiàn)PROFIBUS數(shù)據(jù)與MODBUS數(shù)據(jù)的交換。用戶在STEP 7主站配置中看到的是網(wǎng)關(guān)，配置的是MODBUS命令，而不是變頻器產(chǎn)品。見下圖12：（圖見書） 　?、?網(wǎng)橋 　　網(wǎng)橋：不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，通常包括 1、2層。 　?、?常用的網(wǎng)橋產(chǎn)品 　　PB-B-CAN：PROFIBUS到CAN的網(wǎng)橋產(chǎn)品； 　　PB-B-RS232/485：PROFIBUS到RS232-485的網(wǎng)橋產(chǎn)品； 　　PB-B-Ethernet-TCP/IP: PROFIBUS到以太網(wǎng)的網(wǎng)橋產(chǎn)品； 　?、?網(wǎng)橋產(chǎn)品應(yīng)用中的難點 　　現(xiàn)場總線網(wǎng)橋在實際使用中有一個難點，這是在產(chǎn)品設(shè)計時必須注意的：將一個（有1、2、7層）協(xié)議的設(shè)備連接到另一種（有1、2、7層）協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上，用戶如何實現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)？ 　　最好還是舉例說明。以“PB-B-RS232/485：PROFIBUS到RS232-485的網(wǎng)橋”為例，需要將一個企業(yè)自定義通信協(xié)議的RS-232/485設(shè)備連接到PROFIBUS上。企業(yè)自定義通信協(xié)議如下： 　　●RS-232/485 半雙工（波特率、啟始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位......） 　　●主/從應(yīng)答方式 　　●數(shù)據(jù)報文格式（二進(jìn)制）： 發(fā)送： 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū)首地址 數(shù)據(jù)長度 CRC校驗 應(yīng)答： 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū)首地址 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù)段 CRC校驗 例如：PB-B-RS232/485網(wǎng)橋的RS-232/485接口發(fā)送如下報文： 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū)首地址 數(shù)據(jù)長度 CRC校驗 01H 01H 0010H 000AH CRC 報文功能是要讀取RS-232/485設(shè)備數(shù)據(jù)區(qū)0010H開始的10個字節(jié)； RS-232/485設(shè)備應(yīng)答如下： 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū)首地址 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù)段 CRC校驗 01H 01H 0010H 000AH 數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)2 。。。。。。 數(shù)據(jù)10 CRC校驗 問題：PB-B-RS232/485網(wǎng)橋在RS-232一側(cè)只是一個物理層接口，報文數(shù)據(jù)來自何處？ 目前有2類解決問題方法： 方法1：在主站（控制器）中編程實現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù) （A）在總線橋配置中，如上圖13：（圖見書） PROFIBUS輸出區(qū)： QB0：RS-232/485數(shù)據(jù)報文發(fā)送長度 QB0 本例為：7 QB1：RS-232/485發(fā)送/接收控制字： D7: set_tr D6: set_re D5—D2 D2：relen D1:auto_ D0：start_tr 強(qiáng)置接收完畢/發(fā)送允許 強(qiáng)置等待接收 不用 按長度接收 發(fā)送方式 啟動發(fā)送 QB256～QB319：配置了64字節(jié)的RS-232/485報文數(shù)據(jù)區(qū)。 QB256 QB257 QB258～QB259 QB260 QB261～QB262 QB263 。。。。。。 QB319 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū)首地址 數(shù)據(jù)長度 CRC校驗 不用 不用 不用 01H 01H 0010H 000AH CRC ＊＊ ＊＊ ＊＊ （B）首先PROFIBUS主站通過PROFIBUS將QB256～QB319送到PB-B-RS232/485網(wǎng)橋，網(wǎng)橋根據(jù)控制字QB1采用自動發(fā)送/或觸發(fā)發(fā)送，按QB0的發(fā)送長度，將RS-232/485報文數(shù)據(jù)QB256～QB262發(fā)送至設(shè)備。見圖14。（圖見書） （C）現(xiàn)場設(shè)備回答 IB0：網(wǎng)橋接收到現(xiàn)場設(shè)備回答報文長度； IB1：通信狀態(tài)字； D7：oe_er D6——D3 D2：re_ing D1：tr_ing D0：reok_tren 奇偶校驗錯 不用 正在接收 正在發(fā)送 接收完畢/發(fā)送允許 IB256～I(xiàn)B319：配置了64字節(jié)的RS-232/485接收報文數(shù)據(jù)區(qū)。 IB256 IB257 IB258～I(xiàn)B259 IB260 IB261 。。。。。。 IB270 IB271～I(xiàn)B272 IB273 。。。。。。 IB319 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)區(qū)首地址 數(shù)據(jù)長度 數(shù)據(jù)1 。。。。。。 數(shù)據(jù)10 CRC校驗 ＊＊ ＊＊ ＊＊ 01H 01H 0010H 000AH ＊ 。。。。。。 ＊ CRC ＊＊ ＊＊ ＊＊ 接收過程見圖15：現(xiàn)場設(shè)備、總線橋、PROFIBUS主站之間的報文傳送 （圖見書） 方法2：配置下載方法 網(wǎng)橋的廠家提供一個網(wǎng)橋報文的配置軟件，用來配置網(wǎng)橋的發(fā)送/接收報文，然后下載到網(wǎng)橋。見下圖16。（圖見書） 3．有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作 ⑴ 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很有必要，可促進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)品的發(fā)展與提高，有利于用戶使用和推廣。 ⑵ 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該包括 ① 技術(shù)概念 ② 用戶介面（接口） ③ 技術(shù)指標(biāo)：同步性、一致性、數(shù)據(jù)更新速率等等。 轉(zhuǎn)自：《國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)》