優(yōu)點(diǎn) - 自動(dòng)化控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)的互連

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1、整個(gè)系統(tǒng)完全建立在網(wǎng)絡(luò)上，系統(tǒng)的各種功能由各組成部分通過一致的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議共同完成，整個(gè)實(shí)現(xiàn)全開放，用戶不會(huì)受任一廠家產(chǎn)品的限制。用戶所需的各種系統(tǒng)組成部分，例如控制軟件、操作軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等，都可以從不同的廠商那里購買，并自主地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的真正全開放。

2、由于通過交換以太網(wǎng)和路由器實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備的高速互連，系統(tǒng)復(fù)雜控制功能可以安排在網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺(tái)甚至同時(shí)安排在幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)控制功能的全分散和互相備份、冗余，系統(tǒng)可靠性大大提高。

3、由于控制算法可以分散在多個(gè)計(jì)算機(jī)上，大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)以前難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。甚至可以讓一臺(tái)計(jì)算機(jī)只用于實(shí)現(xiàn)某一特別復(fù)雜的控制算法。

4、系統(tǒng)功能可以同時(shí)分布到幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)操作帶來很大的靈活性。幾個(gè)操作人員可在幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)工作，如果任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，操作人員可以立即轉(zhuǎn)移到其他計(jì)算機(jī)上繼續(xù)進(jìn)行操作。

5、系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線上的儀表、設(shè)備主要用于數(shù)據(jù)的采集和控制的輸出以及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制算法。計(jì)算機(jī)則可以利用軟件設(shè)計(jì)的高度靈活性，虛擬實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線站點(diǎn)，并在整個(gè)系統(tǒng)中起核心作用。這樣可以將不同的現(xiàn)場(chǎng)總線集成在一個(gè)分布式控制系統(tǒng)中，從而緩解不同現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和互操作的壓力，保護(hù)生產(chǎn)廠家和用戶的既有投資。當(dāng)用戶需要擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模時(shí)，可以采用任一種類的現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)多種類型現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)集成。

6、由于以太網(wǎng)和互連網(wǎng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)互連，系統(tǒng)能夠方便地支持通過互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。

使用隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連

現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)是有很大不同的：FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的互連模型中包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層等結(jié)構(gòu)；而以太網(wǎng)、TCP/IP互連參考模型則包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、IP層、傳輸控制層、應(yīng)用層。二者物理層、數(shù)據(jù)鏈路層完全不同，并且基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線沒有IP層和傳輸控制層，但FF對(duì)應(yīng)用層有詳細(xì)的規(guī)定，而以太網(wǎng)、TCP/IP互連參考模型中，應(yīng)用層協(xié)議是由程序自定義的。

以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的互連，可以采用類似隧道技術(shù)的方法，如圖4.2所示，這樣對(duì)于應(yīng)用程序而言是透明的，應(yīng)用程序只知道不在同一網(wǎng)段上，不會(huì)感覺系統(tǒng)是由兩種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。

隧道技術(shù)是通過將待傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)經(jīng)過加密和協(xié)議封裝處理后再嵌套裝入另一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，像普通數(shù)據(jù)包一樣發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)跨越公共網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)送私有數(shù)據(jù)包的目的，是一種用于異型網(wǎng)絡(luò)之間互連并傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)兩種異型網(wǎng)絡(luò)連接之間的路由器時(shí)，路由器并不象一般的路由器對(duì)幀頭部進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和地址判斷并轉(zhuǎn)發(fā)，而是將數(shù)據(jù)幀作為分組再加上自己的幀頭部，向同樣位于中間網(wǎng)絡(luò)的另一路由發(fā)送。另一路由收到數(shù)據(jù)后，和剛才的路由器所作的相反，去掉幀頭，繼續(xù)向后繼網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，數(shù)據(jù)和到達(dá)第一個(gè)路由器時(shí)完全一樣。整個(gè)過程中，中間網(wǎng)絡(luò)可以被看成是兩種網(wǎng)絡(luò)互相通訊的隧道，分組完全不必關(guān)心中間經(jīng)過什么樣的網(wǎng)絡(luò)，因此大大簡(jiǎn)化了路由轉(zhuǎn)發(fā)和尋址的工作。

在模型中的路由器現(xiàn)場(chǎng)總線接口處，只有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，這是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最基本的層次。路由器采用地址掩碼的形式進(jìn)行目的地址判斷。

當(dāng)路由器總線接口處的數(shù)據(jù)鏈路層，把從物理層得到的數(shù)據(jù)幀傳給以太網(wǎng)接口時(shí)，以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)幀加入到有效的IP分組載荷字段中，向以太網(wǎng)廣播。需要從現(xiàn)場(chǎng)總線接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，如果收到相符的報(bào)文，則從中取出數(shù)據(jù)提交給上層［39］。數(shù)據(jù)報(bào)文在以太網(wǎng)上的廣播和接收，可以通過套接字Socket來輕易地實(shí)現(xiàn)。Socket是用于TCP/IP協(xié)議下通訊的一個(gè)服務(wù)接口，它實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議在傳輸層定義的幾個(gè)常用服務(wù)原語。使用Socket時(shí)，IP地址和一個(gè)Socket綁定，因此一個(gè)Socket是面向一個(gè)應(yīng)用程序的。用戶只需要對(duì)Socket進(jìn)行發(fā)送或接收操作，就可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Socket通信。這種操作對(duì)于用戶來說是完全透明的，用戶不必關(guān)心傳輸層以下各層的工作情況。

整個(gè)系統(tǒng)的通信建立在Ethernet、TCP/IP和現(xiàn)場(chǎng)總線的混合通信協(xié)議之上，通過隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速Ethernet與相對(duì)低速的現(xiàn)場(chǎng)總線的互連，以實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控單元和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的互連和互操作。系統(tǒng)的信息傳輸機(jī)制如下：當(dāng)上層監(jiān)控單元需要向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送信息時(shí)，它首先基于Ethernet和TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送給路由器，讓路由器對(duì)設(shè)置命令及參數(shù)進(jìn)行加密、打包，并加上現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議相應(yīng)的幀頭部，再傳到現(xiàn)場(chǎng)總線上；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向上層監(jiān)控單元發(fā)送信息的過程與此相反。

在本協(xié)議模型中，還有一個(gè)重要的功能模塊——系統(tǒng)管理模塊。該模塊負(fù)責(zé)整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)工作，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線上的預(yù)留地址進(jìn)行管理和分配。任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)想要和現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行互連，都必須由系統(tǒng)管理模塊分配一個(gè)在現(xiàn)場(chǎng)總線上的虛擬地址。

該模型能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線接入以太網(wǎng)，同時(shí)所采用的是所必需的最小協(xié)議層次集合，可以保證轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間最小，從而滿足實(shí)時(shí)性方面的要求。