近幾年來現(xiàn)場總線已經(jīng)得到了越來越多人的重視，它能夠在工程建設(shè)的基建、安裝、維護等階段為我們節(jié)約大量的資金。但有一點往往容易被忽視，即現(xiàn)場總線也可以和電廠的信息網(wǎng)絡(luò)很好的集成，這樣工程人員就可以通過電廠的信息系統(tǒng)查看到有關(guān)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息。本文將著重介紹
序 言
目前很多電廠都將電廠的數(shù)字化建設(shè)放在一個很重要的位置，而且都建設(shè)了比較完善的管理信息系統(tǒng)（MIS）甚至是廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS），但數(shù)字化電廠不僅僅要實現(xiàn)管理過程的數(shù)字化，也需要實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)字化。現(xiàn)場總線在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩际菙?shù)字量，同時它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也遵守OSI規(guī)定的七層協(xié)議，這就為現(xiàn)場總線與電廠信息系統(tǒng)的集成創(chuàng)造了可能性。下面介紹一下現(xiàn)場總線與電廠信息系統(tǒng)集成方面的情況。
一、現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)和ISO／OSI參考模型的關(guān)系
首先介紹一下現(xiàn)場總線系統(tǒng)所遵守的ISO／OSI參考模型。
ISO／OSI參考模型定義了一個7層的開放系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的要求，對模型進行了優(yōu)化，除去了實時性不強的中間層，并增加了用戶層，這樣構(gòu)成了現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)模型。例如，基金會現(xiàn)場總線（FF）模型與ISO／OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。
圖型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型圖1的中間一列所示，它采用ISO／OSI參考模型中的三個對應(yīng)層，即物理層、鏈路層和應(yīng)用層。考慮到現(xiàn)場總線通信的特點，將ISO／OSI參考模型中的3～6層簡化為一個現(xiàn)場總線訪問層。它是ISO／OSI參考模型的簡化形式，既考慮到開放性系統(tǒng)的要求，又兼顧了控制系統(tǒng)的特點。
基金會現(xiàn)場總線（FF）模型如圖1的右側(cè)一列所示。它采用了ISO／OSI參考模型中的三層：物理層、鏈路層和應(yīng)用層，隱去了3～6層。其中物理層、鏈路層采用了IEC／ISA標(biāo)準。應(yīng)用層分別為兩個子層：現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報文規(guī)范子層FMS。FMS為系統(tǒng)的用戶層提供通信服務(wù)。FMS提供不同類型的通信信道，稱為虛擬通信關(guān)系VCR，F(xiàn)AS把VCR映射到底層網(wǎng)絡(luò)，從而把用戶的應(yīng)用進程同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展隔離開來。鏈路層、訪問子層和報文規(guī)范子層的全部功能集成在一起稱為通信棧（Communication Stack）。
1.1 物理層
現(xiàn)場總線物理層是由物理介質(zhì)的有關(guān)規(guī)定和傳輸數(shù)據(jù)的信號協(xié)議所構(gòu)成。物理層使數(shù)據(jù)鏈路層在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時與物理介質(zhì)的類型無關(guān)。物理層協(xié)議是有關(guān)于系統(tǒng)安裝的一些規(guī)定。它規(guī)定了以下四個特性：機械特性、電氣特性、功能特性和過程特性。
機械特性：主要涉及到連接器的規(guī)格，以及連接器的安裝。
電氣特性：規(guī)定傳輸線上數(shù)字信號的電壓高低、傳輸距離和傳輸速率等；
功能特性：定義連接器內(nèi)容插腳的功能；
過程特性：規(guī)定了信號的時序關(guān)系，以便正確地發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。
物理介質(zhì)可以是IEC物理層技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的任何一種傳輸介質(zhì)。例如雙絞線、光纜和射頻。物理層又可以分成物理介質(zhì)相關(guān)子層與物理介質(zhì)獨立子層。
1.2 數(shù)據(jù)鏈路層
現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）位于物理層與總線訪問子層之間，它為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線訪問子層之間，它為系統(tǒng)管理內(nèi)核和總線訪問子層訪問物理層提供服務(wù)。為了對現(xiàn)場總線上的各類鏈路傳輸活動進行控制，需要在數(shù)據(jù)鏈路層上附加協(xié)議控制信息?，F(xiàn)場總線通信中的鏈路活動調(diào)度、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送、鏈路活動控測與響應(yīng)、鏈路時間同步都是通過數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)的。通過鏈路活動調(diào)度器（LAS）可以對傳輸介質(zhì)進行周期和非周期兩種訪問。
在功能上，DLL可以分成兩層，訪問總線和控制數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。
1.3 應(yīng)用層
應(yīng)用層直接為客戶服務(wù)，提供適用于應(yīng)用、應(yīng)用管理和系統(tǒng)管理的分布式信息服務(wù)。開放系統(tǒng)相互連接的管理包括初始化、維護、終止和記錄某些數(shù)據(jù)所需的功能，這些數(shù)據(jù)與為在應(yīng)用進程間傳送數(shù)據(jù)而建立的鏈接有關(guān)?，F(xiàn)場總線應(yīng)用層主要組成部分包括：應(yīng)用進程、應(yīng)用進程對象、應(yīng)用實體和應(yīng)用服務(wù)元素等。應(yīng)用層主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。現(xiàn)場總線訪問子層（FAS）提供發(fā)布者／接收者、客戶／服務(wù)器和報告分發(fā)三種服務(wù)，現(xiàn)場總線報文子層（FMS）則提供對象字典服務(wù)、變量訪問服務(wù)和事件服務(wù)。
1.4 用戶層
現(xiàn)場總線用戶層具有標(biāo)準功能塊（FB）和裝置描述（DD）功能。為了實現(xiàn)過程自動化，現(xiàn)場裝置使用功能塊，使用這些功能塊完成控制策略。IEC專門成立了一個工作組IECSC65C／WG7負責(zé)制定標(biāo)準功能塊，按照規(guī)范，共有AI，AO，DI，DO和PID等32個功能塊?，F(xiàn)場總線一個很重要的功能是裝置的互操作性，允許用戶將不同廠家提供的裝置連接在同一根現(xiàn)場總線上。為了實現(xiàn)互操作，每個現(xiàn)場總線裝置都用裝置描述（DD）來描述。DD可以認為是裝置的一個驅(qū)動器，它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關(guān)，所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。
上述可見，IEC61158工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線標(biāo)準是充分考慮工業(yè)自動化系統(tǒng)的特點，融進了近十年計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最新技術(shù)，這也為將現(xiàn)場總線系統(tǒng)與電廠的信息系統(tǒng)進行了集成提供了可能性。
二、現(xiàn)場總線與電廠信息網(wǎng)絡(luò)集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與電廠信息網(wǎng)絡(luò)集成的體系結(jié)構(gòu)涉及從底層現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)到上層信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程。其結(jié)構(gòu)具有兩層，從底向上依次為：現(xiàn)場總線設(shè)備在和現(xiàn)場總線監(jiān)控層。
2.1 現(xiàn)場總線設(shè)備層
按照現(xiàn)場總線的協(xié)議標(biāo)準，智能設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設(shè)計，完成數(shù)據(jù)采集、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能。
2.2 現(xiàn)場總線監(jiān)控層
這一到從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種運行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計和下載。這一層處于以太網(wǎng)中，因此其關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)與底層現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)接口，主要負責(zé)現(xiàn)場總線協(xié)議以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。
在電廠Intranet中，首先要將中間監(jiān)控層的數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣遠程用戶就能隨時能過瀏覽器查詢網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)以及現(xiàn)場設(shè)備的工況，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控。賦予一定的權(quán)限后，還可以線修改各種設(shè)備參數(shù)的和運行參數(shù)，從而在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)底層測控信息的實時傳遞。
三、現(xiàn)場總線與電廠信息網(wǎng)絡(luò)集成的原理
以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準，是當(dāng)今TCP／IP采用的最主要的局域網(wǎng)技術(shù)。
根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的原理，網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)從通信協(xié)議的角度有以下幾種方式：中繼器、網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)等。
中繼器是物理層互聯(lián)設(shè)備，其主要功能是對物理信號的放大、整形等，以延長信號在介質(zhì)中的傳輸距離，這種互聯(lián)設(shè)備僅能連接同種網(wǎng)絡(luò)的幾個距離較遠的網(wǎng)段。
網(wǎng)橋是一種在鏈路層實現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。其功能是在互聯(lián)的兩個網(wǎng)絡(luò)之間存儲轉(zhuǎn)發(fā)幀，存儲并轉(zhuǎn)換成另一個網(wǎng)絡(luò)的幀格式，發(fā)往另外一個網(wǎng)絡(luò)。
路由器是在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)互聯(lián)的設(shè)備。它比網(wǎng)橋更加復(fù)雜，也具有更大的靈活性。路由器有更強的一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力，聯(lián)結(jié)對象包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。
網(wǎng)關(guān)是傳輸層以上的互聯(lián)設(shè)備，用于在不同的子網(wǎng)間實現(xiàn)包的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。也稱作協(xié)議轉(zhuǎn)換器。用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。
由于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是三層結(jié)構(gòu)，而且有一些與通常意義上的計算機網(wǎng)絡(luò)所沒有的特點，如實時性、短幀性、協(xié)議簡單性等，與以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)有很大的不同，而且在基于TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)互聯(lián)參考模型中，TCP層、IP層等對應(yīng)用程序是完全透明的，并且應(yīng)用層是由程序自定義的，因此，可以通過應(yīng)用層來建立現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)之間的集成。
當(dāng)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場總線上傳輸時，通過集成在現(xiàn)場總線通信控制器中的現(xiàn)場總線協(xié)方式將數(shù)據(jù)進行打包，數(shù)據(jù)以包的形式在總線上傳輸，在監(jiān)控層，應(yīng)用網(wǎng)關(guān)將從底層現(xiàn)場總線上接收到的數(shù)據(jù)包進行分析并解壓，同時，對接收到的數(shù)據(jù)進行組態(tài)處理，以圖形、曲線等形式直觀地顯示出來，以供監(jiān)控人員隨時了解底層設(shè)備信息。
應(yīng)用網(wǎng)關(guān)工作原理如下：
1) 控制系統(tǒng)設(shè)備配置信息地獲取及數(shù)據(jù)地采集與控制
數(shù)據(jù)在現(xiàn)場總線上傳輸時，通過現(xiàn)場總線協(xié)議棧將設(shè)備信息及數(shù)據(jù)進行打包，然后送往監(jiān)控層的監(jiān)控機。在監(jiān)控機上，將從底層現(xiàn)場總線上采集到的設(shè)備信息及數(shù)據(jù)進行解壓，為計算機上的應(yīng)用程序提供可視的訪問接口。
2) 設(shè)備信息組態(tài)
監(jiān)控層監(jiān)控機在采集數(shù)據(jù)的同時，將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)信息經(jīng)過現(xiàn)場組態(tài)，提供友好的人機交互式圖形界面，實時動態(tài)地顯示底層設(shè)備信息，以供監(jiān)控人員實時監(jiān)測及控制設(shè)備運行狀況。
3) 數(shù)據(jù)的存儲和處理
在監(jiān)控機上，對設(shè)備信息進行組態(tài)的同時，通過TCP／IP協(xié)議與Intranet上的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器建立連接，將采集到的數(shù)據(jù)信息實時送往數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫中保存。為Intranet上客戶端的信息瀏覽提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
數(shù)據(jù)通過此網(wǎng)關(guān)，在現(xiàn)場總線與企業(yè)Intranet之間進行有序流動，從而實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互和信息共享。
四、現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與電廠信息網(wǎng)絡(luò)集成的方法
4.1 加入轉(zhuǎn)換接口
在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和電廠信息網(wǎng)之間加入轉(zhuǎn)換接口是通過硬件實現(xiàn)的，即在底層控制網(wǎng)絡(luò)與中間監(jiān)控層之間加入中繼器、網(wǎng)橋、路由器等專門的硬件設(shè)備，使控制網(wǎng)絡(luò)作為信息網(wǎng)絡(luò)的擴展與之緊密集成。硬件設(shè)備可以是一臺專門的計算機，依靠其中運行的軟件完成數(shù)據(jù)包的識別、解釋和轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)現(xiàn)場總線智能設(shè)備與企業(yè)網(wǎng)中監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)通信。
轉(zhuǎn)換接口的集成方式功能較強，但實時性較差。信息網(wǎng)絡(luò)一般是采用TCP／IP的以太網(wǎng)，而TCP／IP沒有考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備有大量信息上傳或遠程監(jiān)控操作頻繁時，轉(zhuǎn)換接口都將成為實時通信的瓶頸。
4.2 DDE技術(shù)
當(dāng)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)之間具有中間系統(tǒng)或共享存儲器工作站時，可以采用DDE方式實現(xiàn)二者的集成，其實質(zhì)是各應(yīng)用程序通過共享內(nèi)存來交換信息，中間系統(tǒng)中的信息處理機是控制網(wǎng)絡(luò)的工作站，另外也是信息網(wǎng)絡(luò)中的工作站。其中運行兩個程序，一個接收、校驗實時信息的通信程序，為信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫提供實時數(shù)據(jù)信息；另一個是數(shù)據(jù)訪問應(yīng)用程序接口，供信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息處理、統(tǒng)計分析等功能。
DDE方式具有較強的實時性，而且比較容易實現(xiàn)，可以采用標(biāo)準的Windows技術(shù)。但是涉及到復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換時，DDE方式的軟件費用較大。因此這種方式適合配置于小系統(tǒng)。
從現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，監(jiān)控機既是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的上位機，又是以太網(wǎng)的一個工作站，成為連接現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的橋梁，這是控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互聯(lián)與其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的不同之處。因此，可以通過DDE方法來實現(xiàn)應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)交換。從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場總線與電廠信息網(wǎng)之間的有序流動。
從現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與電廠信息系統(tǒng)集成的體系結(jié)構(gòu)及其集成原理的角度出發(fā)，可以將兩者的集成分為兩部分考慮，即現(xiàn)場總線設(shè)備層與監(jiān)控層之間的信息集成以及監(jiān)控層與企業(yè)Intranet之間的集成。
現(xiàn)場總線設(shè)備層與現(xiàn)場總線監(jiān)控層之間的信息集成采用工控機／現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，運行串行通信技術(shù)，來實現(xiàn)監(jiān)控機與底層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)監(jiān)控機接收到現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)后，將其送往實時數(shù)據(jù)庫中保存，這些數(shù)據(jù)除了設(shè)備運行參數(shù)外，還包括現(xiàn)場總線上設(shè)備的基本情況，如設(shè)備名稱，設(shè)備序列號、設(shè)備狀態(tài)等信息。因此，在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程中應(yīng)加以考慮。
五、現(xiàn)場總線監(jiān)控層與Intranet之間的信息集成
通過監(jiān)控層將現(xiàn)場實時監(jiān)控系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息送入Intranet，集中到Web數(shù)據(jù)庫中，通過Web服務(wù)器，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞給客戶端的Web瀏鑒器。同時，在用戶瀏覽器上，可以改變底層設(shè)備的運行參數(shù)，通過Web服務(wù)器，將此信息送入Web數(shù)據(jù)庫，通過與監(jiān)控層的信息交互，將此參數(shù)通過高級控制模塊或智能設(shè)備中的簡單控制模塊對某一個現(xiàn)場智能設(shè)備進行控制，從而改變底層設(shè)備運行工況。
在監(jiān)控層，監(jiān)控機既是現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，同時又是Intranet上的一個節(jié)點，起到聯(lián)結(jié)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與Inteanet上的一個節(jié)點，起到聯(lián)結(jié)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與Intranet的橋梁作用。它作為現(xiàn)場總線與電廠信息網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€中間系統(tǒng)，對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，從事實現(xiàn)信息在現(xiàn)場總線和Intranet之間的共享。
六、結(jié)束語
可以預(yù)見的是現(xiàn)場總線必將在電廠得到越來越多的應(yīng)用，而電廠的信息化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)也將是大勢所趨，將這兩者集成起來將會更大程度的發(fā)揮它們的優(yōu)勢?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)與電廠的局域網(wǎng)的連接是可行的，因此在今后的電廠信息化建設(shè)的過程中可以考慮將這兩個系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)數(shù)字化電廠的建設(shè)目標(biāo)。
（轉(zhuǎn)載）
