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网关、网桥及网络部件的技术、理论、及标准化工作将大有可为

网关、网桥及网络部件在未来自动化领域中将起到重要作用。许多企业看准这样一个商机，开始有关网关、网桥及网络部件的技术研究、产品开发制造方面的工作。越来越多的用户接受现场总线网关、网桥这类产品；系统集成商也开始熟练掌握这些产品的应用技术。尽管如此，工业控制网络的发展历程不长，有关工业控制网络的网关、网桥及网络部件的技术研究、产品开发制造仍然处在初始阶段。实际应用与市场需求发展很快，因此加快有关工业控制网络的网关、网桥及网络部件的技术、理论、及标准化的工作很有必要。本文意在“抛砖引玉”，呼吁与有志者合作，共同从事这方面的研究、开发工作。

联系人：吴巧燕

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1．有关技术理论

首先应该是技术概念的界定。工业控制网络技术借鉴计算机网络技术、理论，但没有必要拘泥于此。

⑴ 计算机网络中有关网关、网桥的技术概念

计算机网络技术理论中有关网关、网桥的技术概念随网络技术的发展而变化很大；本人查阅有关资料，现摘要如下：

“网关曾经是很容易理解的概念。在早期的因特网中，术语网关即指路由器。路由器是网络中超越本地网络的标记， 这个走向未知的“大门”曾经、现在仍然用于计算路由并把分组数据转发到源始网络之外的部分，因此， 它被认为是通向因特网的大门。随着时间的推移，路由器不再神奇，公共的基于IP的广域网的出现和成熟了路由器的成长。 现在路由功能也能由主机和交换集线器来行使，网关不再是神秘的概念。现在，路由器变成了多功能的网络设备， 它能将局域网分割成若干网段、互连私有广域网中相关的局域网以及将各广域网互连而形成了因特网， 这样路由器就失去了原有的网关概念。然而术语网关仍然沿用了下来，它不断地应用到多种不同的功能中， 定义网关已经不再是件容易的事。目前，主要有三种网关： 协议网关、应用网关、网关。保留的通用意义是作为两个不同的域或系统间中介的网关，要克服的差异本质决定了需要的网关类型。”“转换过程可以发生在OSI参考模型的第2层、第3层或2、3层之间。但是有两种协议网关不提供转换的功能。”

目前计算机网络中称“网关”很多，下面框图6表明了了一些“网关”概念的联系：（图见书）

“网桥工作在数据链路层，将两个局域网（LAN）连起来，根据MAC地址（物理地址）来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。它可以有效地联接两个LAN，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段。网桥通常有透明网桥和源路由选择网桥两大类。”

⑵ 现场总线技术中有关网关、网桥的技术概念

现场总线技术中有关网关、网桥的技术概念主要含义是指两个不同的域或系统间的中介，多数指异型网中的协议转换设备。

网关：泛指两种（以上）不同现场总线协议的转换设备，通常包括（物理层、链路层）应用层、甚至用户层。

如：PROFIBUS-DP / MODBUS网关、PROFIBUS-DP / MODBUS/TCP网关、PROFIBUS-DP /PROFINET网关。这三种网关的协议转换包括了物理层、链路层、和应用层，见图7。（图见书）

再比如：

将东芝变频器VF-A7连接到PROFIBUS-DP的网关：

东芝变频器VF-A7具有RS-485接口和企业自定义协议。网关一边应按照VF-A7协议读/写数据到VF-A7变频器，读/写数据内容与格式应满足PROFIBUS有关变频器行规。网关另一边应符合PROFIBUS-DP及有关变频器行规。见图8。（图见书）

网桥：泛指两种不同现场总线协议的转换设备，通常只包括物理层、链路层。

如：PROFIBUS-DP / CAN网桥，见图9。（图见书）

⑵ 工业控制网络中大量使用的物理层设备

由于工业环境，网络拓扑、传输距离、传输速率、站点个数、终端匹配等需要，现场总线实际应用中需要大量的各种物理设备。这些设备通常没有报文的接收转发功能，主要起到延长传输距离、增加站点数、改变网络拓结构等作用。

如：

工作在相同物理层设备：中继、分支、集线器......

工作不同物理层协议转换设备：DP/PA耦合器、RS-232/485光端设备、......

现场总线系统中常用的各种不同类型的接插件，如D9、M16、RJ45等也应属于物理层设备，但这些已超出本文要阐述的范围。

2、有关产品技术

⑴ 网关

按照ISO/OSI模型，现场总线通常只有物理层、链路层、应用层；为解决产品互换性，额外增加定义了第八层：用户层，用来详细描述各种设备的属性，称为设备行规。见图10。（图见书）

工业控制网络中使用的网关，作为不同通信协议转换设备，通常包括 1、2、7、（8）层。包含用户层协议转换的网关对用户使用来说是方便的，不妨称为网关（或称为产品网关、或透明网关）。为区别起见，只包括 1、2、7协议转换网关可称为协议网关。

①（产品）网关

指：包含了用户层协议转换的网关。使用这种网关，用户不必了解两方任何一方的通信协议，只需了解产品信息格式（产品行规）。如下图11：连接东芝变频器的PROFIBUS（产品）网关PB-B-VFA7。（图见书）

用户在PROFIBUS配置中，在设备目录中找到的是“东芝变频器的PROFIBUS网关PB-B-VFA7”，配置到PROFIBUS上后，在PROFIBUS I/O数据区中见到的是一个PROFIBUS（行规）变频器，它详细规定了每个I/O字（节）的含义；这样，现实中的东芝变频器VF-A7在PROFIBUS主站S7-300中成为一个PROFIBUS变频器（从站）；用户无须了解东芝变频器VF-A7的RS-485通信协议，只要对PROFIBUS I/O读/写即可实现对东芝变频器VF-A7的监控。这就是产品（）网关实现的数据透明读写，是用户方便使用的网关。

②协议网关

将一种通信协议转换成另一种通信协议，也可以看作是两个不同协议网段的数据区映射。网络协议转换包括 1、2、7层。

比如：PROFIBUS-DP/MODBUS协议网关，用户可以通过这种将Altivar变频器连接到PROFIBUS总线上；与（产品）网关的区别是：用户需要了解MODBUS协议、及Altivar变频器的MODBUS数据区地址。因此，用户需要依据Altivar变频器《产品通信手册》，配置MODBUS通信命令，实现PROFIBUS数据与MODBUS数据的交换。用户在STEP 7主站配置中看到的是网关，配置的是MODBUS命令，而不是变频器产品。见下图12：（图见书）

⑵ 网桥

网桥：不同协议网络协议转换设备，通常包括 1、2层。

① 常用的网桥产品

PB-B-CAN：PROFIBUS到CAN的网桥产品；

PB-B-RS232/485：PROFIBUS到RS232-485的网桥产品；

PB-B-Ethernet-TCP/IP: PROFIBUS到以太网的网桥产品；

② 网桥产品应用中的难点

现场总线网桥在实际使用中有一个难点，这是在产品设计时注意的：将一个（有1、2、7层）协议的设备连接到另一种（有1、2、7层）协议的网络上，用户如何实现应用层数据？

好还是举例说明。以“PB-B-RS232/485：PROFIBUS到RS232-485的网桥”为例，需要将一个企业自定义通信协议的RS-232/485设备连接到PROFIBUS上。企业自定义通信协议如下：

●RS-232/485 半双工（波特率、启始位、数据位、校验位、停止位......）

●主/从应答方式

●数据报文格式（二进制）：

发送：

地址码 功能码 数据区首地址 数据长度 CRC校验

应答：

地址码 功能码 数据区首地址 数据长度 数据段 CRC校验

例如：PB-B-RS232/485网桥的RS-232/485接口发送如下报文：

地址码 功能码 数据区首地址 数据长度 CRC校验

01H 01H 0010H 000AH CRC

报文功能是要读取RS-232/485设备数据区0010H开始的10个字节；

RS-232/485设备应答如下：

地址码 功能码 数据区首地址 数据长度 数据段 CRC校验

01H 01H 0010H 000AH 数据1 数据2 。。。。。。 数据10 CRC校验

问题：PB-B-RS232/485网桥在RS-232一侧只是一个物理层接口，报文数据来自何处？

目前有2类解决问题方法：

方法1：在主站（控制器）中编程实现应用层数据

（A）在总线桥配置中，如上图13：（图见书）

PROFIBUS输出区：

QB0：RS-232/485数据报文发送长度

QB0

本例为：7

QB1：RS-232/485发送/接收控制字：

D7: set_tr D6: set_re D5—D2 D2：relen D1:auto_ D0：start_tr

强置接收完毕/发送允许 强置等待接收 不用 按长度接收 发送方式 启动发送

QB256~QB319：配置了64字节的RS-232/485报文数据区。

QB256 QB257 QB258~QB259 QB260 QB261~QB262 QB263 。。。。。。 QB319

地址码 功能码 数据区首地址 数据长度 CRC校验 不用 不用 不用

01H 01H 0010H 000AH CRC ** ** **

（B）首先PROFIBUS主站通过PROFIBUS将QB256~QB319送到PB-B-RS232/485网桥，网桥根据控制字QB1采用自动发送/或触发发送，按QB0的发送长度，将RS-232/485报文数据QB256~QB262发送至设备。见图14。（图见书）

（C）现场设备回答

IB0：网桥接收到现场设备回答报文长度；

IB1：通信状态字；

D7：oe_er D6--D3 D2：re_ing D1：tr_ing D0：reok_tren

奇偶校验错 不用 正在接收 正在发送 接收完毕/发送允许

IB256~IB319：配置了64字节的RS-232/485接收报文数据区。

IB256 IB257 IB258~IB259 IB260 IB261 。。。。。。 IB270 IB271~IB272 IB273 。。。。。。 IB319

地址码 功能码 数据区首地址 数据长度 数据1 。。。。。。 数据10 CRC校验 ** ** **

01H 01H 0010H 000AH * 。。。。。。 * CRC ** ** **

接收过程见图15：现场设备、总线桥、PROFIBUS主站之间的报文传送 （图见书）

方法2：配置下载方法

网桥的厂家提供一个网桥报文的配置软件，用来配置网桥的发送/接收报文，然后下载到网桥。见下图16。（图见书）

3．有关标准化工作

⑴ 工业控制网络设备技术标准很有必要，可技术、产品的发展与提高，有利于用户使用和推广。

⑵ 有关标准应该包括

① 技术概念

② 用户介面（接口）

③ 技术指标：同步性、一致性、数据更新速率等等。

Atlas Copco 2901200308 

Atlas Copco 1900071012 

Atlas Copco 1900071103 

Atlas Copco 1900-0590-44 

Atlas Copco JECG728 

Atlas Copco 2102-S7/S74-230

Atlas Copco 1900-0590-93