论文部分内容阅读
【摘 要】现场总线作为连接智能现场设备和自动化系统的通信系统，是工业智能化系统与现场设备之间的主要通信手段。现场总线技术集成了计算机通信和控制技术，以其灵活的配置和方便的管理方式与集中、分散控制体系得到了广泛应用。本文探讨了基于现场总线技术的数据处理系统方案分析，在此基础上探讨了现场总线技术的整体方案设计，和数据处理系统的工作原理，希望通过本文的研究为现场总线技术的数据处理系统设计研究提供一些可参考的建议。
【关键词】网络通信；现场总线；数据服务；通讯协议
1 现场总线技术概述
现场总线连接了智能现场设备和自动化系统，是解决工业现场智能化终端与控制系统之间通信问题的关键所在。现场总线技术融合计算机网络通信技术和计算机中央控制技术，将现场的智能化终端如仪器仪表、控制器和执行器等设备与系统进行通讯和联络，现场总线技术以其突出的灵活配置、开放性和分布控制的特征得到了广泛应用。
现场总线技术起步于上世纪八十年代末九十年代初，国际标准协会和国家电工技术协会曾制定了现场总线的标准。然而，随着网络技术的高速发展，国际电子工业巨头在巨大的网络通讯技术的市场利益的驱使下，纷纷自主研发现场总线技术。许多国家基于现场总线技术关乎国民经济和工业领域的发展，也纷纷在现象总线通信协议领域投入大量的人力、物力、财力，以达到垄断行业的目的。这一现象虽然推动了总线通信协议技术的发展，但由于百花争鸣的市场现象导致了现场总线的协议和标准难以统一，不能形成统一的规范。
现场总线技术是面向工业终端的设备控制通信网络，它的应用存在一定的局限性。由于通信协议方式不兼容，互联网与工业网两套网络系统不兼容，不能实现远程信息通信。现有的总线接口与以太网接口不兼容，需要进行协议转换后才能实现与计算机系统的通信，造成了许多不便。对现场总线技术最大的制约因素是协议转换标准不统一，没有形成标准化的国际标准制约了不同体系结构的标准，是现场总线技术的开放性受到了限制。
2 基于现场总线技术的数据处理系统分析
现场总线的数据处理系统的主要作用是其它应用系统和现场总线系统之间的相互通讯服务体系。本文研究的系统是用于连接现场总线和外部应用之间的系统，是总线系统数据处理的必要条件。作为具有数据处理功能的总线系统，本文研究的总线网络和应用系统都是研究的数据支撑。系统的应用领域主要是工业和制造业，主要用于工业及制造业的现场生产设备设施进行网络管理和通信控制，对系统的通信功能和外部接口以及数据格式等都有较高的要求。本文研究的总线系统主要从通信、系统内部功能和应用三个方面进行分析。
2.1 现场总线通信
现场总线通信服务的主要功能使实现系统和现场总线的通信，主要包括通信服务需求、功能需求、数据管理需求等。通信服务需求必须支持因特网数据接口，对于因特网数据接口，系统能够实现多个设备接口接入，同时将多个因特网端口通过服务的形式进行网络通信。启动系统后，以太网端口按照系统的通信配置开启端口，以备网络通信随时接入，每个端口的处理方式必须保证多个端口同时存在时能够保证设备的并入。其次，系统和设备之间的通信方式应当采用长连接的通信方式，数据服务的接入中数据的接收和数据处理都比较容易实现，但数据连接方式的建立和构建则是数据处理的重中之重。采用短连接的数据处理方式不仅数据处理速度较低，而且数据处理周期长、身份认证和数据处理时效性差，本文研究的系统采用长连接方式能够有效克服短连接通信的缺陷，能够有效提高系统和总线网络的控制信息连接。
2.2 系统内部功能需求
系统接收的信息数据缓存在缓存文件中，数据解析完成后要对原始数据进行清除，原始数据中的数据碎片以及未处理的数据要进行保留。对于接入的数据系统应当进行及时回复，出现信息发送超时的数据要进行反复重新发送，保证连接的有效性，设备和系统之间的通信线路采用发送、应答的跳帧方式连接。系统内部功能的主要作用之一是处理多种数据版本的兼容问题。满足多种协议版本的兼容需求，采用多种方式支持总线协议构架。系统应当支持版本库的管理，在数据前封装制定格式的数据必须符合标准的总线协议，系统对于数据的多样性应当有统一的处理方式，系统实现DDL的注册机功能和DDL的校验都应当合法和完整。系统内部的数据管理要实现对当日数据库进行清理和备份，对数据表要实现查询功能，对数据库的备份和恢复也应当能够实现。对于功能性需求，本系统与应用系统间的网络通信格式支持 TCP/IP 数据服务与 Web service 服务两种通信方式，针对 Web Service 我们采用 SOAP 协议，针对 TCP/IP我们使用 XML 文档或具备 XML 格式的数据帧进行数据传输，无论采用哪种方式，我们所发送的数据内容和格式是规范的，便于系统自身的数据生成，更便于应用系统的解析，对后续应用系统的升级不存在任何数据格式可变因素影响[1]。
2.3 系统应用需求
应用系统在系统之间采用订阅与发布、请求与应答两种工作模式，在订阅与发布模式中，系统通过数据服务实现数据订阅，数据系统在已有的订阅规则中实时向系统发布数据信息；在请求与应答的工作模式中，应用系统中的数据服务项数据系统发送请求服务命令，数据本系统根据请求的信息进行相应的服务应答。系统应当为应用提供可靠和服务端口，应用系统通过服务端口实现信息注册，信息注册的内容主要包括服务的类型、数据类别等[2]。
3 基于现场总线技术的数据处理系统整体设计
系统的内部结构的整体方案设计主要遵循输入、处理、输出的标准工作流程，在做数据处理系统的整体方案设计时，将系统整体上划分为通讯层、业务层、应用服务层三个层面。系统与应用层的逻辑关系是“一对多”，即系统可以同时与多个应用进行通讯，系统之间采用订阅与发布的工作模式，应用要在系统上进行注册和定制数据类型，当系统处理网络数据后，服务接口向应用系统发布数据处理信息，多个应用系统订阅的数据类型既可能相同也可能不同。此外，系统还可以处理应用系统订阅的数据，下行数据经系统总线处理后發送给网关，下行数据则按照另外一种数据处理方式请求与应当方式进行处理。 系统与网关设备之间的双向通信服务也是整体方案设计的重要组成部分。系统为每个接入系统的设备都构建一个独立的通信服务构架，该通信服务构架在处理数据连接请求服务时与系统和连接设备共同进行数据交换工作。最后，系统内部的层次结构由上至下进行数据处理，即按照上行与下行数据处理过程划分，每个层次结构之间的数据处理方式都不同，每个层次结构之间的数据处理格式也不同。应用层次的数据处理和服务层次的数据处理都应用xml串行格式，数据通过服务接口传送或保存在数据库中。逻辑层的数据转化以双向通讯的形式在应用数据和中间数据中转化，网络层的数据形式以二进制数据在网络层中进行处理，对网络层中未处理的数据要进行缓存。
4 基于现场总线技术的数据处理系统工作原理
基于现场总线技术的数据处理系统工作主要分三个阶段进行。第一个阶段是配置阶段，这一阶段的主要任务是对应用层的数据进行配置管理，应用层要为系统的工作进行前期数据准备，包括系统基础参数配置。注册应用系统和注册网络设备，同时要对数据库和系统版本进行维护升级，第一阶段的配置任务是系统启动的充分必要条件。
第二阶段是数据处理系统的核心阶段，主要任务是对应用系统中的应用、设备、服务、身份进行注册，又称注册期。网关设备和应用系统必须通过服务层的注册和认证后才能通过应用系统向服务层请求身份认证，应用系统的名称和口令在预备期通过身份识别后，在注册期才能注册身份信息，身份认证之后，系统要向服务层进行数据订阅。同样总线设备也在服务层注册后才被允许接入[3]。最后的一个阶段是工作期。系统通过了预备期和注册期后才能正式投入工作，开始实现网络控制和数据处理，根据预设的数据服务功能和数据发布命令执行系统功能。
5 基于现场总线技术的数据处理方案
设计适用于现场总线的通用数据处理系统的核心目标是解决异构数据的兼容性问题[2]。系统在处理过程中，现场总线的网络系统经过标准化的处理过程后形成系统能够识别的数据格式，这个数据格式的处理过程又叫标准化过程，通常分为加工前数据、加工中数据、加工后数据三个阶段。加工前数据使现场总线系统采集的或系统上传的数据信息的原始数据，加工前的数据主要包含设备信息、设备制造厂商信息、设备数据类型、设备系统版本、数据校验信息等。现场总线数据处理系统在处理过程中首先对数据进行校验，校验数据的协议类别和版本信息，此后进行数据库协议解析。加工中数据是系统对加工前的原始数据进行一些列数据处理后的成果，加工中的数据是现场总线系统数据处理过程的中间数据格式，通过这一环节的数据处理避免了多种数据总线协议版本不兼容的问题。加工中数据的生成过程是系统中的版本库的主要任务，系统中针对不同协议的版本库能够根据加工前的原始数据的类型，利用版本库中对应的协议版本解析器进行解析，解析的结果是多种协议数据形成了统一格式的中间数据[4]。加工后数据又叫应用数据，是通过加工中数据处理后得来的。应用数据的最终形成，提供了其它软件系统可供识别的统一数据格式。当中间数据形成后，系统根据中间数据所提供的数据类型，设备编号，数据内容等相关信息，对中间数据进行了封裝，生成 XML 格式的标准应用数据[5]。形成加工后的应用数据后，系统根据需要采用订阅与发布模式，向下属应用系统分发数据，最终完成服务的全过程，实现了数据处理的目的。
6 结语
本文从系统分析入手，研究系统的工作机制、整体设计和工作原理分析以及数据处理方案分析，由浅入深，总体上完成了基于现场总线技术的数据处理系统的理论设计。但系统的运行管理、系统维护、版本管理与升级、网络状态、数据维护、以及应用管理功能限于论文篇幅，本文不做详细描述，系统的测试也需要进一步研究。
参考文献
[1]赵维铎 易红.基于 Web 和现场总线的数控系统远程监测研究[J].东南大学学报2008， 9（6）： 45-48.
[2]曹小华 赵成 陶德.基于现场总线 CAN 的实时监控系统研究与设计[J].武汉理工大学学报， 2008， 39（4）： 910-912.
[3]张浩，谭克勤，朱守云等[中].现场总线与工业以太网网络应用技术手册[M].上海：上海科学技术出版社，2004.1： 105-142.
[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011： 7-18.
[5]谢经明，周祖德，陈幼平，陈兵.环境远程监测系统设计[J].华中科技大学学报， 2002，30（4）： 18-22.
【关键词】网络通信；现场总线；数据服务；通讯协议
1 现场总线技术概述
现场总线连接了智能现场设备和自动化系统，是解决工业现场智能化终端与控制系统之间通信问题的关键所在。现场总线技术融合计算机网络通信技术和计算机中央控制技术，将现场的智能化终端如仪器仪表、控制器和执行器等设备与系统进行通讯和联络，现场总线技术以其突出的灵活配置、开放性和分布控制的特征得到了广泛应用。
现场总线技术起步于上世纪八十年代末九十年代初，国际标准协会和国家电工技术协会曾制定了现场总线的标准。然而，随着网络技术的高速发展，国际电子工业巨头在巨大的网络通讯技术的市场利益的驱使下，纷纷自主研发现场总线技术。许多国家基于现场总线技术关乎国民经济和工业领域的发展，也纷纷在现象总线通信协议领域投入大量的人力、物力、财力，以达到垄断行业的目的。这一现象虽然推动了总线通信协议技术的发展，但由于百花争鸣的市场现象导致了现场总线的协议和标准难以统一，不能形成统一的规范。
现场总线技术是面向工业终端的设备控制通信网络，它的应用存在一定的局限性。由于通信协议方式不兼容，互联网与工业网两套网络系统不兼容，不能实现远程信息通信。现有的总线接口与以太网接口不兼容，需要进行协议转换后才能实现与计算机系统的通信，造成了许多不便。对现场总线技术最大的制约因素是协议转换标准不统一，没有形成标准化的国际标准制约了不同体系结构的标准，是现场总线技术的开放性受到了限制。
2 基于现场总线技术的数据处理系统分析
现场总线的数据处理系统的主要作用是其它应用系统和现场总线系统之间的相互通讯服务体系。本文研究的系统是用于连接现场总线和外部应用之间的系统，是总线系统数据处理的必要条件。作为具有数据处理功能的总线系统，本文研究的总线网络和应用系统都是研究的数据支撑。系统的应用领域主要是工业和制造业，主要用于工业及制造业的现场生产设备设施进行网络管理和通信控制，对系统的通信功能和外部接口以及数据格式等都有较高的要求。本文研究的总线系统主要从通信、系统内部功能和应用三个方面进行分析。
2.1 现场总线通信
现场总线通信服务的主要功能使实现系统和现场总线的通信，主要包括通信服务需求、功能需求、数据管理需求等。通信服务需求必须支持因特网数据接口，对于因特网数据接口，系统能够实现多个设备接口接入，同时将多个因特网端口通过服务的形式进行网络通信。启动系统后，以太网端口按照系统的通信配置开启端口，以备网络通信随时接入，每个端口的处理方式必须保证多个端口同时存在时能够保证设备的并入。其次，系统和设备之间的通信方式应当采用长连接的通信方式，数据服务的接入中数据的接收和数据处理都比较容易实现，但数据连接方式的建立和构建则是数据处理的重中之重。采用短连接的数据处理方式不仅数据处理速度较低，而且数据处理周期长、身份认证和数据处理时效性差，本文研究的系统采用长连接方式能够有效克服短连接通信的缺陷，能够有效提高系统和总线网络的控制信息连接。
2.2 系统内部功能需求
系统接收的信息数据缓存在缓存文件中，数据解析完成后要对原始数据进行清除，原始数据中的数据碎片以及未处理的数据要进行保留。对于接入的数据系统应当进行及时回复，出现信息发送超时的数据要进行反复重新发送，保证连接的有效性，设备和系统之间的通信线路采用发送、应答的跳帧方式连接。系统内部功能的主要作用之一是处理多种数据版本的兼容问题。满足多种协议版本的兼容需求，采用多种方式支持总线协议构架。系统应当支持版本库的管理，在数据前封装制定格式的数据必须符合标准的总线协议，系统对于数据的多样性应当有统一的处理方式，系统实现DDL的注册机功能和DDL的校验都应当合法和完整。系统内部的数据管理要实现对当日数据库进行清理和备份，对数据表要实现查询功能，对数据库的备份和恢复也应当能够实现。对于功能性需求，本系统与应用系统间的网络通信格式支持 TCP/IP 数据服务与 Web service 服务两种通信方式，针对 Web Service 我们采用 SOAP 协议，针对 TCP/IP我们使用 XML 文档或具备 XML 格式的数据帧进行数据传输，无论采用哪种方式，我们所发送的数据内容和格式是规范的，便于系统自身的数据生成，更便于应用系统的解析，对后续应用系统的升级不存在任何数据格式可变因素影响[1]。
2.3 系统应用需求
应用系统在系统之间采用订阅与发布、请求与应答两种工作模式，在订阅与发布模式中，系统通过数据服务实现数据订阅，数据系统在已有的订阅规则中实时向系统发布数据信息；在请求与应答的工作模式中，应用系统中的数据服务项数据系统发送请求服务命令，数据本系统根据请求的信息进行相应的服务应答。系统应当为应用提供可靠和服务端口，应用系统通过服务端口实现信息注册，信息注册的内容主要包括服务的类型、数据类别等[2]。
3 基于现场总线技术的数据处理系统整体设计
系统的内部结构的整体方案设计主要遵循输入、处理、输出的标准工作流程，在做数据处理系统的整体方案设计时，将系统整体上划分为通讯层、业务层、应用服务层三个层面。系统与应用层的逻辑关系是“一对多”，即系统可以同时与多个应用进行通讯，系统之间采用订阅与发布的工作模式，应用要在系统上进行注册和定制数据类型，当系统处理网络数据后，服务接口向应用系统发布数据处理信息，多个应用系统订阅的数据类型既可能相同也可能不同。此外，系统还可以处理应用系统订阅的数据，下行数据经系统总线处理后發送给网关，下行数据则按照另外一种数据处理方式请求与应当方式进行处理。 系统与网关设备之间的双向通信服务也是整体方案设计的重要组成部分。系统为每个接入系统的设备都构建一个独立的通信服务构架，该通信服务构架在处理数据连接请求服务时与系统和连接设备共同进行数据交换工作。最后，系统内部的层次结构由上至下进行数据处理，即按照上行与下行数据处理过程划分，每个层次结构之间的数据处理方式都不同，每个层次结构之间的数据处理格式也不同。应用层次的数据处理和服务层次的数据处理都应用xml串行格式，数据通过服务接口传送或保存在数据库中。逻辑层的数据转化以双向通讯的形式在应用数据和中间数据中转化，网络层的数据形式以二进制数据在网络层中进行处理，对网络层中未处理的数据要进行缓存。
4 基于现场总线技术的数据处理系统工作原理
基于现场总线技术的数据处理系统工作主要分三个阶段进行。第一个阶段是配置阶段，这一阶段的主要任务是对应用层的数据进行配置管理，应用层要为系统的工作进行前期数据准备，包括系统基础参数配置。注册应用系统和注册网络设备，同时要对数据库和系统版本进行维护升级，第一阶段的配置任务是系统启动的充分必要条件。
第二阶段是数据处理系统的核心阶段，主要任务是对应用系统中的应用、设备、服务、身份进行注册，又称注册期。网关设备和应用系统必须通过服务层的注册和认证后才能通过应用系统向服务层请求身份认证，应用系统的名称和口令在预备期通过身份识别后，在注册期才能注册身份信息，身份认证之后，系统要向服务层进行数据订阅。同样总线设备也在服务层注册后才被允许接入[3]。最后的一个阶段是工作期。系统通过了预备期和注册期后才能正式投入工作，开始实现网络控制和数据处理，根据预设的数据服务功能和数据发布命令执行系统功能。
5 基于现场总线技术的数据处理方案
设计适用于现场总线的通用数据处理系统的核心目标是解决异构数据的兼容性问题[2]。系统在处理过程中，现场总线的网络系统经过标准化的处理过程后形成系统能够识别的数据格式，这个数据格式的处理过程又叫标准化过程，通常分为加工前数据、加工中数据、加工后数据三个阶段。加工前数据使现场总线系统采集的或系统上传的数据信息的原始数据，加工前的数据主要包含设备信息、设备制造厂商信息、设备数据类型、设备系统版本、数据校验信息等。现场总线数据处理系统在处理过程中首先对数据进行校验，校验数据的协议类别和版本信息，此后进行数据库协议解析。加工中数据是系统对加工前的原始数据进行一些列数据处理后的成果，加工中的数据是现场总线系统数据处理过程的中间数据格式，通过这一环节的数据处理避免了多种数据总线协议版本不兼容的问题。加工中数据的生成过程是系统中的版本库的主要任务，系统中针对不同协议的版本库能够根据加工前的原始数据的类型，利用版本库中对应的协议版本解析器进行解析，解析的结果是多种协议数据形成了统一格式的中间数据[4]。加工后数据又叫应用数据，是通过加工中数据处理后得来的。应用数据的最终形成，提供了其它软件系统可供识别的统一数据格式。当中间数据形成后，系统根据中间数据所提供的数据类型，设备编号，数据内容等相关信息，对中间数据进行了封裝，生成 XML 格式的标准应用数据[5]。形成加工后的应用数据后，系统根据需要采用订阅与发布模式，向下属应用系统分发数据，最终完成服务的全过程，实现了数据处理的目的。
6 结语
本文从系统分析入手，研究系统的工作机制、整体设计和工作原理分析以及数据处理方案分析，由浅入深，总体上完成了基于现场总线技术的数据处理系统的理论设计。但系统的运行管理、系统维护、版本管理与升级、网络状态、数据维护、以及应用管理功能限于论文篇幅，本文不做详细描述，系统的测试也需要进一步研究。
参考文献
[1]赵维铎 易红.基于 Web 和现场总线的数控系统远程监测研究[J].东南大学学报2008， 9（6）： 45-48.
[2]曹小华 赵成 陶德.基于现场总线 CAN 的实时监控系统研究与设计[J].武汉理工大学学报， 2008， 39（4）： 910-912.
[3]张浩，谭克勤，朱守云等[中].现场总线与工业以太网网络应用技术手册[M].上海：上海科学技术出版社，2004.1： 105-142.
[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011： 7-18.
[5]谢经明，周祖德，陈幼平，陈兵.环境远程监测系统设计[J].华中科技大学学报， 2002，30（4）： 18-22.