西门子模块6GK7243-1GX00-0XE0参数说明
现场总线的特点是开放、互联，这是它优于其它形式系统的根本原因。这种开放互联的性质也给现场总线系统带来了不安全因素。讨论了现场总线系统的通信安全问题，指出这一问题的重要性，提出了在设备层实现通信安全的方案。根据现场总线技术的特点和发展现状提出了模块化的加密方案，并且对这一方案的适用性进行了分析，也探讨了其对总线通信性能的影响。
我国已经提出了“以信息化推动工业化”的战略。在生产自动化系统中实现信息交换和共享并以此为基础实施企业CIMS工程已成为人们的共识，这必将成为自动化系统未来发展的方向。现场总线在这一系统中扮演了重要的角色，它为底层的智能设备提供了开放的通信平台，使之能够实时地进行数据交换。便于自动化系统与企业局域网互联，从而实现任意时刻、任意地点的控制，进而推进整个企业的自动化、信息化进程。
一、问题的提出
图1为某中药生产厂的自动化系统。该系统实现了中约生产中的配料工作的自动化，能够提高生产效率，增加保密性，便于远程管理。
图1中药配料系统
在生产一线上采用基于现场总线的控制系统。当中药配料落入秤斗中时，Panther仪表就可以检测出这个变化，经过A/D转换变成以数字表示的称重数值。通过RIO接口，PLC程序可直接读取Panther的称重数值。智能仪表与控制器作为总线节点，依托总线进行相互通信，协调工作。
可以看到基于现场总线的这一系统结构简单，成本较低，可以有灵活的控制，可扩展性强。能够方便地与企业局域网进行通信，从而满足远程控制的要求。
可是我们发现，在现场总线一级的设备之间的通信是不安全的，如图2中，监听者可以获取信道中的数据。现场总线协议标准是公开的，这些数据很容易被解释为有意义的信息，那么各个节点之间的通信就没有任何保密性可言。
现场总线数据交换中的这种不安全因素来自于协议本身。现场总线采用类似局域网的广播报文方式进行通信，那么上面的这种窃听就可以获取总线上通信的所有信息。对于一个中药厂来说，药品的配方就是企业的生命，如果这些信息被窃取，后果将不堪设想。
推而广泛，现代企业的许多关键技术都会在生产一线的仪器工作参数中体现出来，那么随着企业的自动化、信息化程度的提高，信息的不安全性也越来越高。企业的现代化进程是不可避免的，在这一过程中，必须对信息安全提出越来越高的要求，对于采用现场部构建的生产自动化系统，应该考虑总线网段的通信安全。
二、解决方案
我们提出的是一种进行设备间通信加密的方案，来解决上面提出的问题。
现场总线网段上设备的通信加密不同于目前通常的网络通信加密，，需要考虑实现加密的层次、实现方法以及对性能影响等诸多因素。
1、实现安全的层次
CC-bbbb现场总线是日本三菱电机公司主推的一种基于PLC系统的现场总线，这是目前在世界现场总线市场上唯一的源于亚洲、又占有一定市场份额的现场总线。它在实际工程中显示出强大的生命力，特别是在制造业得到广泛的应用。
在CC-bbbb现场总线的应用过程中，为重要的一部分便是对系统进行通信初始化设置。目前CC-bbbb通信初始化设置的方法有三种，本文将对这三种不同的初始化设置方法进行比较和分析，以期寻求在不同的情况下如何来选择简单有效的通信初始化设置方法。这对CC-bbbb现场总线在实际工程中的使用具有重要的现实意义，一则为设计人员在保证设计质量的前提下减少工作量和节省时间，二则也试图探索一下是否可以发挥和挖掘CC-bbbb的潜力。
实验系统简述
为了便于比较通信初始化设置方法，我们在实验室中建立了这样一个小型的CC-bbbb现场总线系统.整个系统的配置如图1所示。
图1 系统配置
在硬件连接设置无误之后，就可开始进行通信初始化设置。
三种设置方法的使用
图2 通信初始化程序的流程
采用的是基本的方法,即通过编程来设置通信初始化参数。编制通信初始化程序的流程如图2所示。在参数设定部分，将整个系统连接的模块数，重试次数，自动返回模块数以及当CPU瘫痪时的运行规定（停止）以及各站的信息写入到存储器相应的地址中。在执行shua新指令之后缓冲存储器内的参数送入内部寄存区，从而启动数据链接。如果缓冲存储器内参数能正常启动数据链接，这说明通信参数设置无误，这时就可通过寄存指令将参数寄存到E²PROM。这是因为一旦断电内部寄存区的参数是不会保存的，而E²PROM中的参数断电仍然保存。通信参数必须一次性地写入E²PROM，即仅在初始化时才予以执行。此后CPU运行就通过将E²PROM内的参数送入内部寄存区去启动数据链接。如果通信参数设置有误（如参数与系统所采用的硬件不一致，或参数与硬件上的设置不一致），数据链接将无法正常启动，但通常并不显示何处出错，要纠正只有靠自己细心而又耐心地检查，别无它法。反过来，如果通信参数设置正确而硬件上的设置有错，CC-bbbb通信控制组件会提供出错信息，一般可通过编程软件包的诊断功能发现错误的类型和错在哪里。
第二种通信初试化设置的方法是使用CC-bbbb 通信配置的组态软件GX-Configurator for CC-bbbb。该组态软件可以对A系列和QnA系列的PLC进行组态，实现通信参数的设置。
整个组态的过程十分简单，在选择好主站型号之后就可以进行主站的设置，此后再陆续添加所连接的从站，并进行从站的设置，包括从站的型号和其所占用站的个数。后组态完成的画面如图3所示。
在组态过程中的各个模块的基本信息都会显示在组态完成的画面上，整个画面简单直观，系统配置一目了然。在组态完成后启动数据链接时出现了问题。
图3 组态完成画面
当选择“Download master bbbbbeter file”之后，弹出一对话框，要求选择是将参数写到E²PROM还是缓冲存储器。无论选择其中任何一种，软件都会提示“是否现在执行数据链接?”，如果选择“是”，各站点的LED灯指示正常。当把此时运行正常的PLC复位后重新运行，各站点均出错。这种情况说明组态文件并未能真正写入到E²PROM中，也就是说该组态软件并不具备将参数写入E²PROM这部分功能。在这种情况下为了能使用E²PROM启动数据链接，就必须在主站中再写入“参数寄存到E²PROM”这段程序，靠组态和编程共同作用来正常启动数据链接。显而易见，这种方法是利用组态软件包设置通信参数，再利用编程将这些参数写E²PROM，这才得以完成数据链接所必须的后步骤。当然这在实际使用时会带来某些不便，但它毕竟可以省略将通信参数写入缓冲寄存区的一段程序，在这个意义上也给CC-bbbb的使用者带来许多便利。
后一种方法是通过CC-bbbb网络参数来实现通信参数设定。由于这是小Q系列的PLC新增的功能，而A系列和QnA系列PLC并不具备这项功能。在进行这种设置方法的实验就必须将原先使用的主站模块换成Q系列的PLC。
整个设置的过程相当方便。只要在GPPW软件的网络配置菜单中，设置相应的网络参数，远程I/O信号就可自动shua新到CPU内存，还能自动设置CC-bbbb远程元件的初始参数。如下图所示。如果整个CC-bbbb现场总线系统是由小Q 系列和64个远程I/O模块构成的，甚至不须设置网络参数即可自动完成通信设置的初试化。
比较和分析
在使用过这三种不同的方法之后，对它们的优点和弊端都有了一个更为全面地认识和理解。
编制传统的梯形图顺控程序来设置通信参数为复杂，编程时耗费的时间长。并且在调试时一旦发现错误，就需要一条条指令校对，寻找出错误所在，有着很大的工作量。它仍然有着其他方法所没有的优势。在编完整个设置的程序之后就能非常清晰的了解整个设置过程，掌握PLC是如何运作，启动数据链接的。整个编程的思路非常清晰，要编制正确的程序必须建立在熟练的掌握各种软元件的使用条件的基础之上，在这个过程中能够对各个软元件的功能，接通条件都能有非常好的理解，并能熟练使用。对初学且有志牢固掌握CC-bbbb通信设计者好从这里入手。
采用的组态软件进行设置的大的优势就在于简单直观，在画面上能够明了地看到整个系统的配置，包括主站所连接的从站个数，各从站的规格和性能，一目了然。一旦发生错误或是要更改参数，都能够很快地完成，节省了很多时间和工作量。它也有一个大的缺陷，就是无法将参数寄存到E²PROM中，在复位之后，刚写入的组态内容将不复存在。倘若在实际的应用中，现场的情况错综复杂，会遇到很多预想不到的问题，如果中途需要复位，那么组态软件将无能为力，必需重新设置再写入，这样会影响工作进度。在这种情况下采用组态软件，并辅以将通信参数从缓冲积存区写入E²PROM的程序，就能完成整个系统的初始化设置。组态软件目前还不支持小Q系列的PLC。
后，利用网络参数设置的方法简单有效，只要按规定填写一定量的参数之后就能够很好的取代繁冗复杂的顺控程序。在发生错误或是需要修改参数时，同组态软件一样，也能很快地完成，减少设置时间。它的不足之处，在于设置过程中跳过了很多重要的细节，从而无法真正掌握PLC的内部的运作过程，比较抽象。例如在填写了众多参数之后，各站的数据链路能正常执行，却无法理解这些参数之间是如何联系的，如何作用的，如何使得各站的数据链接得以正常完成。
小结
三种方法各有千秋，适用于在不同的目的和不同的情况下（譬如不同的PLC系列）供使用者灵活选用。如果旨在清晰地了解PLC内部的运作，可以用编程的方法；如果旨在节省设计人员的工作量，减少设计调试时间，可以用网络参数的方法。组态软件的方法可以算是这两种的结合。在实际的应用中，通过网络参数来进行通信初始化设置的方法不失为一种为优越的方法，方便、可靠、功能全面这三点就已经很好的满足了系统的需求，缩短了CC-bbbb现场总线在应用于各种不同的工控场合时设计和调试的时间，降低了工作的难度，更方便了以后的故障检修和维护。遗憾的是它只适用于小Q系列PLC。
随着通信技术和控制技术的发展，相信在不久的将来现场总线技术及其相关技术将发展得更为成熟和完善，并将出现更为便利且功能强大的通信设置的方法，使将来的现场总线技术更好地应用于现场
引言
自动化控制、计算机、通信、网络等技术的发展，导致了自动化领域的深刻变革。信息技术的飞速发展，使得自动化系统结构逐步形成全分布式网络集成自控系统。现场总线（fieldbus）正是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线是应用在生产现场、微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线控制系统FCS（fieldbuscontrolsystem），是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的基于现场总线的新一代控制系统。目前，比较具有影响力的现场总线有：基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus）、LonWorks、PROFIBUS、CAN和HART等等。其中，PROFIBUS是当前为流行的现场总线技术之一。
PROFIBUS是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准,代号DIN19245。PROFIBUS于1996年成为欧洲标准EN50170，1999年底成为IEC61158的组成部分，已被全世界接受。
PROFIBUS根据应用特点可分为PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。
PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代价格昂贵的24V或0～20mA并行信号线，用于分布式控制系统数据传输。
PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提高大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。
PROFIBUS-PA：专为过程自动化设计，标准的本征安全的传输技术，实现了IEC1158-2中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。
1 PROFIBUS基本特性
1.1协议结构
PROFIBUS协议的结构定向根据ISO7498以开放系统互联网络OSI为参考模型。PROFIBUS协议结构采用OSI的层、第二层和第七层。物理层定义了物理特性，它上接数据链路层，下连媒介。发送时物理层编码并调制来自数据链路层的信息，用物理信号驱动媒介。接收时物理层用来对媒介的信号进行解调和解码。数据链路层定义总线存储协议，执行总线通信规则，处理出错检测、出错恢复、仲裁和调度。应用层定义了应用功能，完成信息指令的翻译，掌握数据的结构和意义。用户层是数据和应用软件。
1.2传输技术
由于单一的传输技术不可能兼顾传输可靠性、传输距离和高速传输等要求，PROFIBUS提供三种类型：DP和FMS的RS485传输;PA的IEC1158-2传输;光纤（FO）传输。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之间可通过DP/PA耦合器（Coupler）或链接器（bbbb）相连接。
1.3存取协议
PROFIBUS的DP，FMS，和PA均使用单一的总线存取协议，通过OSI参考模型的第二层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和从站之间的主从方式。任意时刻只能有一个主站拥有令牌，直到该主站的时间片用完或已无信息传递，才将令牌按一定的环路传给下一个主站。这样保证每个主站在一个有限时间内得到总线的控制权。主站与从站采用轮询（Polling）存取方式，这样系统配置可能实现下列三种：纯主-从系统;纯主-主系统;混合系统。
2 SIMATICS7-200系列PLC的基本通信方式
SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论是独立运行还是相连成网络皆能实现复杂控制功能。此系列PLC的CPU型号有：CPU221，CPU 222，CPU 224，CPU 226和CPU226XM。本控制系统采用CPU224，它具有四种通讯方式：
一：PPI方式
PPI通讯协议是通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网，物理上采用RS485电平，波特率为9.6kbit/s，19.2kbit/s和187.5kbit/s。PPI通讯网络是一个令牌传递网。
二：MPI方式
S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，波特率为19.2kbit/s，187.5kbit/s。S7-200CPU在MPI网络中作为从站，它们彼此间不能通讯。
三：自由通讯方式
S7-200可以由用户自己定义通讯协议，与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯。波特率高为38.4kbit/s（可调整）。
四：PROFIBUS-DP网络
在S7-200系列的CPU中，都可以通过增加EM277扩展模块的方法支持PROFIBUSDP网络协议。高传输速率可达12Mbit/s。
3现场信号与系统监控软件之间的连接桥梁——OPC
现场总线作为开发的控制网络能实现现场设备之间、现场设备与控制室之间的信号通信。当现场信号传至监控计算机之后，如何实现计算机内部各应用程序之间的信息沟通与传递，即如何让现场信息出现在计算机的各应用平台上，OPC完美地解决了此类信息传递问题。OPC（OLEfor Process Control）是过程控制中的对象链接嵌入技术，建立在bbbbbbs的对象链接嵌入（OLE，bbbbbbbbbbing and bbbbbding）、部件对象模块（COM，Component bbbbbbModel）、分布部件对象模块（DCOM，Distributed Component bbbbbbModel）技术的基础上进行开发的。OPC是一个开放的接口标准、技术规范。它的作用就是为服务器/客户的链接提供统一、标准的接口规范。按照这种统一规范，各客户/服务器之间可组成如图1所示的链接方式，各客户/服务器间形成即插即用的简单规范链接关系。
图1
有了OPC作为通用接口，就可把现场信号与上位机监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它们与PC机的某些通用开发平台链接起来，如VB,VC++,Excel等。这样给我们开发上位机监控软件带来很大的方便。
4系统实例简介
在石油工业中，由于控制的复杂性、现场多种设备相互之间存在干扰以及系统可靠性要求高等特点，在实际应用中常采用高可靠性的中央控制器如PLC和现场总线技术如PROFIBUS。在智能发油控制系统中就是采用SIMATICS7-200 CPU224控制发油泵，并通过PROFIBUS-DP现场总线由工控机（或PC机）进行监控。
4.1智能发油控制系统组成
本系统是由PROFIBUS-DP构成的单主站系统，具有简单设备一级的高速数据传输特性。系统组成如图2所示。
图2
（1）整个控制系统连接在两路PROFIBUS-DP总线上，每路总线包含一个总站和20个DP从站，两个总站和开piao机构成局域网，主站和从站之间为主从关系。
（2）两个工控机主站和发piao机通过TCP/IP协议，组成局域网。
（3）系统以SIMATIC工控机作为DP类型2主站，通过现场总线接口卡CP5611使工控机与PROFIBUS-DP总线相连，能完成组态、运行、操作等功能。主站上的应用程序与CP5611的信息传递采用OPC通用接口服务软件实现。
（4）每个从站完成对两路发油系统的监控和控制，采用SIMATIC S7-200系列CPU224模块，通过EM277扩展模块以DP从站形式接入PROFIBUS-DP网络，按主/从模式向上位机发送数据。
4.2智能发油控制系统的软件设计
软件部分包括bbbbbbs2000操作系统、SIMATIC OPC接口服务软件、主站监控软件和从站编程软件。
4.2.1从站发油控制系统PLC通信接口软件设计
从站发油控制系统的PLC采用了SIMATICS7-200的配套编程工具Step7，完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理等功能。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成，其中OB是系统操作程序与应用程序的接口界面，用于控制程序运行;FB、FC是用户子程序;DB是用户定义的数据存储区，在本系统中它是上位机监控软件与Step7程序的数据接口点，配置与其相对应的DB块就可实现上位机监控软件OPC与Step7程序的数据接口。其通信接口程序如下。
CALL“DP-SEND”
CPLADDR：=W#16#170
SEND：=P#DB1.DBX0.0 BYTE240
DONE：=M0.0
ERROR：=M0.1
STSTUS：=MW1
CALLDP-RECV
CPLADDR：=W#16#170
RECV：=P#DB2.DBX0.0 BYTE240
NDR：=M128.0
ERROR：=M128.1
STATUS：=MW46
DPSTATUS：=MB120
L DB2.DBW0
L 0 ==I
JCm001
CALL FC63
M001: NOP0
CALL FC64
4.2.2主站通信接口软件设计
工控机作为主站，是通过通讯卡CP5611与从站进行数据交换的。选择操作系统控制面板的SetPG/PA Interface选项，对其硬件进行设置，可自动完成总线各部分配置。但对于自行开发的、带有Profibus-DP接口的从站，需要自己编写一个＊.GSD文件加入到配置库中。本系统将EM277的GSD文件加入至OPC服务接口配置库中，完成对总线配置后，即生成一个ldb文件供系统运行使用。
4.2.3工控机人机界面设计
工控机的人机界面设计，即发油控制管理系统，以bbbbbbs2000操作系统作为平台，通过标准通讯接口OPC，采用MicrosoftVC++程序设计语言编制程序，完成系统的控制要求，实现对油库的储运收发过程进行监控和管理。开piao机开出发piao后，通过局域网将信号传给发油机，发油机则使用PROFIBUS-DP网通知下位机PLC，由PLC控制油泵，并检测油量计和温度，自动完成发油过程。图3为发油机主程序流程图。图4为PLCS7-200主程序流程图。
图3
图4
5结束语
工程实践证明,本控制系统采用PROFIBUS-DP网络技术实现分布式控制,网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，给安装、调试和设备维护带来方便，提高了生产效率和管理水平。这种网络体系具有较高的性能价格比，并能根据用户要求扩展至较大的系统