現場總線協議轉換機理及實現
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現場總線是20世紀80年代中期發展起來的一種先進的控制技術，它的出現被譽為20世紀90年代工業控制領域的一場革命[1]。與其他工業控制網絡相比，現場總線采用串行的數字通信方式，具有實時性好、穩定性高等特點，迅速發展成為工業控制網絡中使用最廣泛的通信網絡。目前現場總線的發展主要呈現以下特點：
① 多種現場總線標準并存
為了反映工業網絡通信技術的發展，國際電工委員會（IEC）于2000年公布通過了IEC61158現場總線標準，容納了8種互不兼容的控制層協議。2003年的新版本進一步達到了10種現場總線標準，另外還有3種設備級現場總線標準，統稱為“10＋3”種現場總線網絡協議。
同時存在這么多種國際標準，原因除了經濟利益上的沖突以外，還有著客觀上的原因：
新技術和新事物的層出不窮，目前沒有一種現場總線可以滿足所有要求，用戶不得不根據自己的需要選擇不同的現場總線設備。因此，多種現場總線標準并存的現狀還將持續下去。
② 以太網技術融入現場總線
在OSI/ISO七層協議中，以太網本身只定義了物理層和數據鏈路層，它的控制協議使用TCP/IP協議:TCP(transmission control protocol)用來保證傳輸的可靠性；IP(internet protocol)用來確定信息傳遞路線。
隨著過程控制領域內上層通信與互聯網通信一樣逐步統一到以太網，將以太網用于工業控制的呼聲越來越高。以太網融入現場總線的最大障礙是以太網在數據鏈路層采用CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)介質訪問控制協議，這種協議在負載較重的情況下，會因為在網絡上發生碰撞而產生擁塞，影響數據的實時性。另外以太網一般抗干擾性能較差，不具備本質安全性能，不能向現場儀表供電。但隨著以太網技術的發展，它的傳送速率大幅度提高，物理層標準的工業化以及千兆以太網技術和無碰撞全雙工光纖技術的出現，以太網技術的實時性得到提高，使其逐步可以應用在工業控制網絡中，形成了工業以太網技術[13]。
與傳統現場總線相比，工業以太網有著明顯的優勢。它可以實現智能化現場設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監管控一體化，具有低成本、高性能的特點[9]。
現在常用的工業以太網主要包括美國 Rockwell 公司推出的Ethernet/IP、德國Siemens 公司推出的ProfiNet、法國施奈德公司推出的Modbus/TCP 等[5]。2004 年1 月，IEC/SC65C 將包括中國開發的以太網協議EPA 在內的6 種非國際標準以太網技術作為IEC 的PAS（publicly
available specification）文件出版，協議標準的國際化將使得工業以太網技術取得更加迅猛的發展。
③ 無線現場總線發展迅速
無線現場總線（R-fieldbus）的提出旨在利用現有的迅猛發展的無線移動通信技術，在有線的計算機網絡通信技術的支持下，實現一種在工廠的現場設備層的、具有無線移動接入能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無線現場總線，使信息能夠從Internet 層，工廠的監控層到現場設備控制層之間實現無縫隙的交換與溝通、透明的集成與融合。無線現場總線能夠集成解決工業環境下諸如移動對象、危險環境對象與傳統的有線連接對象之間的符合工業級實時要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數據的通信和控制問題。
在滿足無線與有線集成后系統的實時性和可靠性要求的前提下，無線現場總線可以在企業網絡的現場層應用無線數字通信技術，使它與原有的有線網絡有機地集成為一體，讓無線網段成為有線網段的自然擴展，真正地把每一個需要接入企業網絡的生產設備都連成一體。
無線現場總線利用了無線技術對現場總線技術的擴充，在許多場合具有不可替代的作用。開始得到人們的重視并迅速發展，在歐洲將無線技術與Profibus 技術相結合的研究已經取得階段性的成功。
2 現場總線協議轉換機理研究
2.1 協議轉換研究的必要性
在今后相當長的時間內，多種標準并存將是現場總線發展的最主要特征。多標準實際上就是意味著沒有標準，各種總線采用的通信標準的不同以及總線協議的多樣性和互不兼容性使得總線系統間的互聯性和互操作性大大降低。另外，不同類型的現場總線具有不同的形成背景和使用環境。如圖1 所示[1]，每一個應用層次中都有著不止一種現場總線類型可以選擇，但同時也使得復雜的現場環境中選擇應用何種現場總線類型成為一個問題。
圖 1 各類現場總線的應用范圍
面對現場總線領域標準繁多、產品混亂的局面，如何在一個復雜的控制系統中集成使用各種通信協議的現場總線設備，如何整合現場總線與以太網產品，已成為現場總線技術應用的瓶頸。總結目前研究成果，現場總線協議轉換可以在過程控制級或現場設備級實現[8]。
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