周大勇 劉德康 劉亞娟 沈立人

（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

以太網(wǎng)技術在SSRF設備控制中的應用

周大勇 劉德康 劉亞娟 沈立人

（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

隨著工控技術和以太網(wǎng)技術的發(fā)展，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)基本都具備了以太網(wǎng)連接功能。上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)大量采用了PLC作為設備控制器。應用以太網(wǎng)技術在上海光源設備控制中，通過以太網(wǎng)技術可以使設備控制器直接連接至控制網(wǎng)絡。采用以太網(wǎng)技術簡化了控制系統(tǒng)結構，同時也便于系統(tǒng)維護和升級。

以太網(wǎng)，EPICS，可編程邏輯控制器，設備控制

上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)控制系統(tǒng)軟件基礎平臺使用EPICS[1–2]系統(tǒng)，EPICS即“實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)”(Experimental Physics and Industrial Control System)，是20世紀90年代初由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)和阿貢國家實驗室(ANL)等聯(lián)合開發(fā)的大型控制軟件系統(tǒng)。發(fā)展至今，已被全世界數(shù)十個大型科學研究工程項目所采用，涉及粒子加速器和探測器系統(tǒng)、同步輻射裝置、大型天文望遠鏡以及飛機工業(yè)等領域。EPICS經(jīng)過多年準備和實踐，源碼現(xiàn)已公開，已被選作開發(fā)SSRF控制系統(tǒng)的基本軟件平臺。在此基礎軟件平臺上加以擴展，開發(fā)一組EPICS增強軟件系統(tǒng)，用以組合整個SSRF控制系統(tǒng)軟件以及與其它系統(tǒng)的互連。EPICS控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 EPICS控制系統(tǒng)結構Fig.1 EPICS control system architecture.

1 控制系統(tǒng)的組成

EPICS基本由三部分組成：(1) 操作員接口層(Operator Interface, OPI)，位于控制系統(tǒng)的頂層，具有訪問整個控制系統(tǒng)的能力，同時兼具與外部系統(tǒng)的通信聯(lián)結。通過人機交互界面監(jiān)控內(nèi)部系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)控制參數(shù)設置/回讀、報警處理、數(shù)據(jù)存檔等功能。(2) 輸入輸出控制器 (Input/Output Controller, IOC)，通過現(xiàn)場總線或直接I/O方式控制前端設備控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、控制量的設置、響應監(jiān)控層或其他IOC的請求、處理來自設備控制層的外部事件等；局域網(wǎng)(Local Area Network, LAN)，即以太網(wǎng)，EPICS通過Channel Access協(xié)議實現(xiàn)IOC和OPI的通訊。(3) 設備控制器(Device Controller)，主要進行現(xiàn)場設備的控制，設備控制器一般通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)與IOC連接。

上海光源控制系統(tǒng)采用EPICS結構，控制系統(tǒng)底層設備控制器大部分為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)。隨著以太網(wǎng)技術[3]的發(fā)展，一些PLC廠商也開發(fā)了以太網(wǎng)模塊，用于現(xiàn)場信息的采集和控制。

以太網(wǎng)連接技術的最大優(yōu)勢之一，就是無論是診斷數(shù)據(jù)還是控制信號，都能在網(wǎng)絡內(nèi)部和不同網(wǎng)絡之間進行傳送。在實際現(xiàn)場工程中還能節(jié)省大量的勞動力和材料成本，因為它不需要安裝過多現(xiàn)場I/O模塊機架，也節(jié)省了遍布各處的通信線纜。以太網(wǎng)用單一電纜取代了眾多的接線。大量設備都可以通過這條電纜聯(lián)網(wǎng)，而且一旦建立了以太網(wǎng)連接，設備的功能測試就成為一件非常簡單的事情，用戶只需要從任何一臺聯(lián)網(wǎng)的PC上直接“Ping”一下希望測試的設備即可。

SSRF控制系統(tǒng)是建立在以太網(wǎng)之上的，所有的設備控制、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)監(jiān)測都要通過以太網(wǎng)來進行。目前在上海光源所使用的絕大部分PLC設備控制器都具有以太網(wǎng)連接功能，主要應用如下：

(1) 橫河FA-M3系列，以太網(wǎng)連接，驅(qū)動程序為EPICS Device/Driver Support for Network-based Intelligent Controllers，應用在直線電子槍控制系統(tǒng)、上海光源機器保護系統(tǒng)、增強器電源連鎖控制系統(tǒng)。

(2) 西門子S7-300系列，以太網(wǎng)連接，驅(qū)動程序為s7plc EPICS driver，應用在調(diào)制器控制系統(tǒng)。

(3) 歐姆龍CPM2A系列，RS232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)連接，驅(qū)動程序為SSRF控制組自行開發(fā)，應用在儲存環(huán)公共直流源控制系統(tǒng)。

所有設備控制都可以通過以太網(wǎng)連接至中央控制系統(tǒng)，并且在EPICS系統(tǒng)下都有相應的設備驅(qū)動程序可以使用。因此SSRF在設備控制中基本上采用以太網(wǎng)技術為基礎的通訊方式。

2 以太網(wǎng)及工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。該標準定義了在LAN中采用的電纜類型和信號處理方法。以太網(wǎng)在互聯(lián)設備之間以10–100Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜型號為10 Base T。以太網(wǎng)由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成為應用最為廣泛的以太網(wǎng)技術。許多制造供應商提供的產(chǎn)品都能采用通用的軟件協(xié)議進行通信，開放性好。

以太網(wǎng)具有的優(yōu)點：(1) 具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能提供足夠的帶寬；(2) 由于具有相同的通信協(xié)議，Ethernet和TCP/IP很容易集成到信息技術(IT)世界；(3) 能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立控制系統(tǒng)的公共網(wǎng)絡平臺或基礎構架；(4) 在整個網(wǎng)絡中，運用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術；(5) 沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具，成為事實上的統(tǒng)一標準；(6) 允許使用不同的物理介質(zhì)和構成不同的拓撲結構。

近些年來，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以太網(wǎng)進入了控制領域，形成了新型的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡技術。這主要是由于控制系統(tǒng)向分布化、智能化控制方面發(fā)展，開放的、透明的通訊協(xié)議是必然的要求。目前通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)廣泛應用，千兆以太網(wǎng)技術也已成熟，10G以太網(wǎng)正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。

工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點：(1) 基于TCP/IP的以太網(wǎng)采用國際主流標準，協(xié)議開放、完善不同廠商設備，容易互連，具有互操作性；(2) 可實現(xiàn)遠程訪問，遠程診斷；(3) 不同的傳輸介質(zhì)可以靈活組合，如同軸電纜、雙絞線、光纖等；(4) 網(wǎng)絡速度快，可達千兆甚至更快；(5) 支持冗余連接配置，數(shù)據(jù)可達性強，數(shù)據(jù)有多條通路抵達目的地；(6) 系統(tǒng)容易幾乎無限制，不會因系統(tǒng)增大而出現(xiàn)不可預料的故障，有成熟可靠的系統(tǒng)安全體系；(7) 可降低投資成本；(8) 現(xiàn)場設備信息可以通過以太網(wǎng)送到主控室，操作員可以在主控室直接使用查看現(xiàn)場運行情況，現(xiàn)場設備也可以通過網(wǎng)絡獲得控制信息。

上海光源設備控制采用的設備控制器（主要是PLC）都帶有以太網(wǎng)接口，這些都標志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為真正開放互連的控制網(wǎng)絡的發(fā)展方向。工業(yè)以太網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術的基礎上，通過采用雙工通信、交換機、信息優(yōu)先級等技術，使有實時要求站點的通信通過交換機實現(xiàn)透明的轉(zhuǎn)發(fā)，不存在信道共享引起的競爭問題，還可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級排隊機制，使緊急信息的傳送達到最快。在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能，采用高速背板交換或微處理器交換，響應時間是確定的，足以滿足大多數(shù)場合的實時控制要求。

具有以太網(wǎng)連接的PLC可以直接連接至控制網(wǎng)絡；不具有以太網(wǎng)連接功能的PLC，也可以通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，連接至控制網(wǎng)絡。采用以太網(wǎng)技術的設備控制器的控制系統(tǒng)結構，如圖2所示。

圖2 設備控制器網(wǎng)絡連接Fig.2 Device controller network configuration.

3 基于以太網(wǎng)技術的設備控制

目前SSRF中使用的PLC主要包括：YOKOGAWA公司的FA-M3R[4]系列PLC，SIEMENS公司的S7-300系列PLC，OMRON公司的CPM2A系列PLC。

3.1 YOKOGAWA FA-M3R系列PLC

SSRF中的機器保護系統(tǒng)、磁鐵電源連鎖保護系統(tǒng)、真空閥門控制系統(tǒng)和電子槍控制系統(tǒng)采用了YOKOGAWA公司的FA-M3系列PLC。通訊過程如圖3所示。

圖3 FA-M3 PLC與IOC通訊示意Fig.3 Communication between FA-M3 PLC and IOC.

在EPICS環(huán)境下已經(jīng)有了一系列完整Device/Driver支持模塊，這些模塊包括：通用驅(qū)動模塊、通用設備支持模塊和對于所支持的設備所用到的特定的設備模塊(Device-specific module)[5]。其軟件結構如圖4所示。

圖4 FA-M3設備驅(qū)動結構Fig.4 Architecture of FA-M3 PLC driver’s software.

3.1.1 設備特定模塊(Device-specific module)

設備特定模塊的主要功能是建立一個能被發(fā)送到遠端設備，解析響應消息，并能通過解析數(shù)據(jù)庫記錄的link field來獲得地址信息的命令(Commands)，每個設備特定模塊必須具備如下3個功能：

(1) 連接域解析器(Link Field Parser)：在初始化IOC時，通過對實時數(shù)據(jù)庫記錄中的Link Field的解析來得到特定通道(Channel)的地址信息。

(2) 命令建構器(Command Constructor)：建立一個命令，發(fā)送給遠端指定地址的設備；如果操作是寫(write)的話，能從IOC記錄緩存(Record Buffer)中傳送數(shù)據(jù)命令消息(Command Message)。

(3) 響應解析器(Response Parser)：在響應消息(Response Message)到達時解析其內(nèi)容，在操作為讀(read)時將包含在消息中的數(shù)據(jù)傳送到IOC記錄緩存(Record Buffer)。

3.1.2 異步I/O庫模塊(Asynchronous I/O Library)

異步I/O庫模塊通過一系列應用程序編程接口(Application Programming Interface, API)來支持上層的設備特定模塊，在這些API中包含了EPICS中異步設備支持的技術細節(jié)。異步I/O庫模塊有兩個主要函數(shù)：

(1) 通用的初始化函數(shù)。初始化函數(shù)啟動連接域解析器來確定遠端設備和要讀/寫的地址。初始化函數(shù)也初始化一種數(shù)據(jù)結構，該結構需要在調(diào)用記錄結束時執(zhí)行回叫(Call back)。

(2) 通用的讀/寫函數(shù)。讀/寫函數(shù)在一次異步I/O中被調(diào)用2次，分別是初始化和I/O處理完成時。初始化時，它調(diào)用命令建構器來形成一條消息(message)，并把I/O請求放在MPF (Message Passing Facility)隊列中，然后通知該次事件(event)的MPF。在I/O處理完成時，讀/寫函數(shù)什么也不做，因為響應解析器在函數(shù)調(diào)用之前已經(jīng)傳送好數(shù)據(jù)。

以上兩個函數(shù)可以成為EPICS中DEST (Device Support Entry Table)中特定的記錄/設備支持模塊的成員函數(shù)。

3.1.3 通用驅(qū)動支持(Common Driver Support)

通用驅(qū)動支持會建立一個MPF，因為每個通訊服務器(Communication server)運行于不同的遠端設備之上（每個遠端設備稱為server）。所有對于遠端設備的I/O請求都會在MPF的隊列中排序。一個MPF包含以下線程：

(1) 發(fā)送任務(Send Task)：從I/O隊列中獲得I/O請求，調(diào)用命令建構器將信息字節(jié)放到緩存中，并將其發(fā)送給遠端設備，然后阻塞(block)，直到Receive Task得到一個響應消息。

(2) 收取任務(Receive Task)：等待響應消息到來，消息到達后調(diào)用響應解析器來解析消息，然后使被阻塞(blocked)的Send Task線程轉(zhuǎn)到下一個循環(huán)中。最終生成一個回叫(Call Back)請求來完成此次異步I/O。

(3) 超時處理(Timeout Handler)：當watch-dog中的計時器到達計時時間時，取消此次I/O處理。同時生成一個回叫信息，ERROR。

YOKOGAWA FA-M3系列PLC在其CPU內(nèi)存中對于安裝于系統(tǒng)的模塊都設置了相應的存儲區(qū)域，通過PLC的以太網(wǎng)模塊，應用其電腦通訊連接命令(Personal Computer Link Command)，IOC可以直接訪問其CPU相應的存儲區(qū)域，實現(xiàn)IOC對PLC的控制。電腦通訊連接命令和響應格式如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)連接命令數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.5 Data frame of personal computer link command.

Sub header大小為1個字節(jié)，第1位是命令/響應(Command/Response)標志位：0表示命令，1表示響應；剩余7位為命令/響應類型標志，標識請求傳送的命令類型。CPU number大小為1個字節(jié)，可以設置值為1–4，表示要訪問的PLC CPU號碼（一個系統(tǒng)內(nèi)最多可安裝4個CPU）。Exit code大小為1個字節(jié)，表示命令執(zhí)行結果，exit code為0表示正常，不為0表示執(zhí)行命令時有錯誤發(fā)生，不同的錯誤響應具有不同的值。Size大小為2個字節(jié)表示命令或響應的字節(jié)大小。Command parameter表示設備名稱、訪問的數(shù)量或其他信息，實際內(nèi)容基于發(fā)送的命令類型。Response parameter包括命令的響應，其大小和內(nèi)容基于發(fā)送命令的類型。

3.2 SIEMENS S7系列PLC

SSRF在調(diào)制器控制系統(tǒng)和增強器注入引出系統(tǒng)中使用SIEMENS S7[6]系列PLC。EPICS與西門子系列PLC采用內(nèi)存數(shù)據(jù)交換的方式進行通訊：即在IOC和PLC的內(nèi)存區(qū)中各自使用一塊內(nèi)存用于數(shù)據(jù)通訊。通訊過程如圖6所示。

圖6 西門子PLC與IOC通訊示意Fig.6 Communication between SIEMENS PLC and IOC.

通訊過程如下：首先PLC與IOC通過Ethernet建立TCP/IP連接；然后PLC將其內(nèi)存區(qū)中Send Buffer的數(shù)據(jù)通過其以太網(wǎng)模塊定時向IOC的Receive Buffer發(fā)送，PLC的Receiver Buffer則定時的接受來自于IOC Send Buffer的數(shù)據(jù)。IOC中運行的驅(qū)動軟件在內(nèi)存設置相應的Send Buffer和 Receive Buffer，定時地將Send Buffer的數(shù)據(jù)一并發(fā)送到PLC，并將接收的數(shù)據(jù)放置于Receive Buffer。IOC和PLC中的Send Buffer和Receive Buffer可以根據(jù)需求來設定地址和大小。

采用該種通信方式需事先設定好IOC和PLC兩端的通訊數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，上位IOC只能處理PLC發(fā)送緩存區(qū)定時發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并不能直接訪問和控制PLC的內(nèi)存；IOC也只能接收PLC以太網(wǎng)模塊定時發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，不能實時訪問PLC的CPU內(nèi)存。同樣，PLC在接收到IOC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之后，還要根據(jù)事先約定的數(shù)據(jù)格式進行判斷，然后再進行下一步的控制處理。

3.3 OMRON CPM2A系列PLC

儲存環(huán)公共直流電源底層設備控制采用OMRON CPM2A[7]系列PLC，與OMRON CPM2A系列PLC進行通訊要采用其Host Link協(xié)議。Host Link通信是一種對話型的通信協(xié)議，這種協(xié)議下，PLC對由主計算機發(fā)送來的命令發(fā)送應答信號。在PLC里無需通信程序。要實現(xiàn)與CPM2A的通訊，需要通過RS232口向其發(fā)送Host Link格式的命令。

該種型號PLC屬于微型PLC[8–9]，并沒有相應的以太網(wǎng)接口模塊，只能通過其CPU上的RS232串口與上位IOC進行通訊，以此實現(xiàn)對將PLC所控制的開關量的回讀、遠程控制。EPICS中所用的通訊協(xié)議為Channel Access，該協(xié)議基于Ethernet技術，要實現(xiàn)上述需求，需將串口信號轉(zhuǎn)成Ethernet信號。MOXA公司生產(chǎn)的串口服務器NPort5610具有串口到以太網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力。因此可以通過NPort5610發(fā)送控制命令到PLC的串口?？刂平M根據(jù)需求已于EPICS下開發(fā)通過串口服務器NPort5610將RS232串口信號傳送至Ethernet上的驅(qū)動。具體實施方案如圖7所示。

圖7 歐姆龍CPM2A與IOC通訊方式Fig.7 Communication between OMRON CPM2A PLC and IOC.

4 結語

上海光源控制系統(tǒng)采用EPICS結構，控制系統(tǒng)底層設備控制器大部分為PLC。對于不同的設備控制器，不同廠家采取的設備通訊模式不盡相同，一般主要通過現(xiàn)場總線進行。現(xiàn)場總線類型較多，如DeviceNet、Foundation Field bus、Profibus等。各種現(xiàn)場總線通訊標準的不一致性，不僅增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度，而且不同種類的現(xiàn)場總線的使用，也加大了對于整個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡管理的難度。

SSRF控制系統(tǒng)的PLC設備控制器使用以太網(wǎng)連接技術，不但簡化了控制系統(tǒng)結構，而且通訊介質(zhì)統(tǒng)一為以太網(wǎng)，大大減少了通訊線纜的連接，方便了系統(tǒng)維護和擴展；同時所有對于設備控制器的程序維護更新也都可以通過以太網(wǎng)連接來實現(xiàn)。

1 Kraimer M R. EPICS: Input/Output Controller application developer’s guide (Release3.14.6)[DB/OL]. http://www. aps.anl.gov/epics, 2004

2 Hill J O. EPICS R3.14 channel access reference manual (Release 3.12)[DB/OL]. http://www.aps.anl.gov/epics, 1995

3 張炯. UNIX 網(wǎng)絡編程實用技術與實例分析[M]. 北京:清華大學出版社, 2002 ZHANG Jiong. The UNIX network programming techniques and examples of analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2002

4 橫河PLC編程手冊[DB/OL]. http://www.yokogawa. com/itc/menu/itc-Download-en.htm, 2010 Henghe PLC programming manual[DB/OL]. http://www. yokogawa.com/itc/menu/itc-Download-en.htm, 2010

5 Odagiri J. EPICS device/driver support for network-based intelligent controllers[C]. Proceedings of ICALEPCS 2003, Gyeongju, Korea, 2003

6 EPICS using SLS S7PLC driver PLC configurations[DB/OL]. http://epics.web.psi.ch/software/ s7plc/YHLhtcPLCa.pdf, 2012

7 S7PLC EPICS driver documentation[DB/OL]. http://epics. web.psi.ch/style/software/s7plc/s7plc, 2012

8 劉鍇, 周海. 深入淺出西門子S7-300 PLC[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2004 LIU Kai, ZHOU Hai. Explain profound theories in simple language Siemens S7-300 PLC[M]. Beijing: Beihang University Press, 2004

9 宋伯生. PLC編程理論·算法及技巧[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005 SONG Bosheng. The PLC programming theory and algorithms and techniques[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2005

CLCTL503.6

Application of Ethernet technology in SSRF control system

ZHOU Dayong LIU Dekang LIU Yajuan SHEN Liren
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)

Background: With the development of computer technology and Ethernet technology, programmable logic controller (PLC) has the ability to access Ethernet with its Ethernet communication module, so the device controller can be connected directly to the Ethernet network. Purpose: The aim is to apply the Ethernet technology for the accelerator device controller to the upper-level control system. Methods: The Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) control system is based on the large-scale software EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System). The EPICS communication is mainly based on Ethernet technology. Control devices are connected to the EPICS either by their self-contained driver or by implementation of the approriate Ethernet application program interface (API). Results: PLCs with Ethernet connection are widely used in SSRF device control system whilst other control devices are connnected to EPICS by developing Ethernet API. Conclusion: The Ethernet technology ensures good reliability and easy maintenance of the SSRF device control.

Ethernet, EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System), Programmable Logic Controller (PLC), Device control

TL503.6

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120101

周大勇，男，1978年出生，2010年于中國科學院上海應用物理研究所獲博士學位

2013-10-09，

2014-03-01