自动化控制系统中多现场总线兼容性问题探讨 ——以太网和现场总线的互连(六)

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5.5仿真具体实现
          5.5.1建立连接
          下图是管理器与节点建立连接的流程，首先是管理器启动并处于侦听状态，等待有节点提出连接要求，节点启动后通过connect提出与管理器的连接请求，在管理器端引起Connection_Request事件，接受连接请求并分配一端口号。节点得到Connection_Accept后即表明已经与管理器建立起连接。此时，双方均可通过Send_Data发送数据，并在数据到达时引起Data_Arrival进行数据接收。
           
         
         
       
        5.5.2参数设置
          连接建立起来后，管理器可通过发送设置命令对节点进行参数设置，可设置的参数包括该节点的代号、输入输出网络变量、功能块及其参数。程序中用不同的前缀来区分这些参数，Name表示节点代号，NetworkIn和NetworkOut分别表示输入和输出网络变量，Function表示功能块，Var1、Var2、Var3表示参数。节点程序根据这些不同的前缀来设置不同的参数并返回给管理器程序。
       
        5.5.3报文
          报文由大量数据构成，每次传输仅发送其中的一小段数据，全部发送结束后再在目的站形成完整的报文。传输的格式如下：
         
       
         
        前缀MES表示当前传送的是报文。
       
        仿真试验中的报文数据来自数据文件message.txt.首先打开文件并读取其内容至字符串变量中，然后该变量加上前缀再发送到以太网上。
       
        读取文件部分并加上前缀的函数如下：
          void ReadFile（）
       
        {
             FILE *pf；
                if（fp=fopen（"message.txt"，"wb"））
       
                      puts（"打开文件成功"）；
                       else
                        puts（"打开文件成败"）；
                AnsiString SendData；
                fread（SendData，200，12 ，pf）；//共读取200*12=2400个字节
                SendData="MES"+SendData；//由于bcb的优势，这里可以直接加上前缀
          }
          函数开始定义一个文件指针，然后打开文件。成功打开文件后，从文件中读取指定大小的数据，并加上前缀MES就成为仿真程序中所使用的报文。
           
          5.5.4程序界面
          1.管理器程序
         
          管理器程序中节点列表框中会根据连接到管理器的现场节点的顺序依次列出现场节点，而输入网络变量、功能块以及输出网络变量表示管理器程序对现场节点发出查询信息，同时接收现场节点返回的信息并显示出来。参数则表示可以在管理器端设置现场节点的参数，现场节点根据管理器发送过来的参数调整自己的参数以满足控制的要求。报文则是管理器与现场节点之间传输的数据，这里用读取文件的方式获得数据以模拟线路上需要传输的数据。
       
        2.节点程序
          节点程序则在不同的计算机上运行。功能块以及3个参数是从管理器程序得到的，根据得到的参数可以设置节点程序的功能。输入网络变量是管理器程序发过来的数据所包含的时间，输出网络变量则是节点处的时间，通过比较这2个时间，可以检验以太网的实时性。当节点接收到管理器发过来的报文，可以在接收的报文处显示接收的报文。地址和端口可以对管理器的地址进行设置，便于管理。
         
       
         
        5.7结论
          仿真实验中，在以太网中选择一台计算机作为服务器运行以太网现场总线管理应用程序，其他的计算机运行以太网现场总线节点应用程序。首先启动管理器应用程序，然后启动节点程序，等于有新节点挂到总线上。两者按前述的建立连接的过程建立起连接。此时，在管理器中出现节点的代号。操作员可以选中该节点，并对节点的参数进行设置，包括输入网络变量、输出网络变量、功能块及其参数，参数以命令的方式发送到节点中。节点可以根据设置的参数来接收发送报文，即接收输入网络变量并发送输出网络变量。在这里的仿真中，主要是管理器不断向各个节点查询当前的时间，而节点则以自己的系统时间为应答，以此来模拟管理器和节点之间的数据传输。而在管理器程序的界面上，可以列出所有的现场节点，并能查看各个节点所有的参数，并对各个节点进行参数设置及发送报文。
       
        通过仿真实验，我们可以得出如下结论：由于以太网的开放性标准和TCP/IP协议的灵活性，加上采用隧道技术的原理，可以实现以太网与现场总线之间的互连及互相传输数据。以太网作为以控制为目的的现场总线，可以发挥以太网带宽的优势，并使企业的控制系统向网络化发展。
       
        当现场节点数目较少时，以太网的实时响应情况比较好，基本上能满足工业控制网络的要求。当数据增多时，则会出现不稳定的情况，即对节点的响应时间增加，甚至出现丢包的情况，这与以太网采用的CSMA/CD机制产生的“不确定性”是相符的。由于条件限制，仿真不具备代表性，不过可以采取提高管理器性能，增加网络带宽等措施来改善情况。
       
        总之，把以太网引入现场总线，利用隧道技术的原理实现以太网和现场总线的互连，最终实现多现场总线的集成是可行的。
          6总结与展望
          现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的，是新型的底层控制网络，其特点是分散的智能化与功能自治性。它的初衷是用数字通讯代替4～20MA模拟信号技术，但随着现场总线技术与智能仪表管理控制一体化的发展，在控制领域引起了一场前所未有的革命。
       
        但是，在FCS迅速发展的同时，也出现了很多的问题，主要就是迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率在目前控制系统中信息越来越多的情况下也显得不尽如人意，无法满足实时控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制的推广应用受到了一定的限制。
       
        从控制技术发展的历史来看，新一代控制技术的根本特征就是控制系统的网络化，网络不仅仅是设备之间数据通讯的手段，更是系统设计的核心，其内涵十分丰富。
       
        以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，在商业系统中广泛使用。今后现场总线向以太网靠拢，将是未来一定时期内的主要趋势。这将分2步进行，首先是设计面向以太网技术的产品，目前已经有很多厂商开始做这方面的尝试并有产品面世，它们设有以太网接口，并在协议上向以太网靠拢。例如LonWorks系统的iLon1000，就是将LonWorks报文打包，用TCP/IP协议封装并发送。第二步就是通过路由设备将现有的现场总线直接挂在以太网上，通过以太网实现现场总线间的互连，最终形成一个面向现场级、企业级、Internet级的层次形网络混合结构。
       
        本文根据目前现场总线发展的方向以及以太网与现场总线的特点，提出用隧道技术来实现现场总线与以太网互连的方案，这样可以解决在一个自动化控制系统中多种现场总线之间通讯的问题。
       
        由于TCP/IP协议与以太网技术有着紧密的联系，而且目前企业的局域网广泛采用以太网技术和TCP/IP协议，在现场总线的协议族中使用TCP/IP并和以太网实现互连，可以很方便的实现与上层管理层网络的无缝连接。而在自动化控制系统中，新技术的方向是建立在Intranet/Internet基础上的开放式的、网络化的系统，企业决策层、生产管理者以及经销商和用户都需要参与到这个系统中来了解生产信息，以太网和TCP/IP协议为这种需求提高了高效的可实现的技术。
       
        目前我国在控制领域已经远远落后于国外，DCS、PLC、工业PC等基本上为国外所垄断，现在新一代控制技术的出现和发展，为我国赶上国外先进技术提供了一次机遇，因为目前新一代控制技术中，主要以软件为主，就是在现有的硬件平台上发展软件技术，把以前用硬件实现的功能现在来用软件技术实现。我们要抓住机会，大力发展研究和发展新一代控制技术。
       
        随着技术的发展和应用的需求，我们相信，今后控制领域必然会逐步实现标准的统一，这不仅是广大用户的要求，也是网络技术的特点和新一代控制技术发展的客观规律所决定的，自动化技术必然向网络化的方向发展。