張凱林，高 強，史書臣，楊雪松 ，李大華

（1.天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384；2.中海油工業(yè)自控（天津）有限公司，天津 300461）

隨著工程技術的迅猛發(fā)展，針對工業(yè)現(xiàn)場的信息通訊出現(xiàn)了很多不同的通訊協(xié)議，不同廠家的控制器、執(zhí)行器和現(xiàn)場儀表的通訊基于不同的通訊協(xié)議，工業(yè)現(xiàn)場就出現(xiàn)了異構網絡的通訊。異構網絡中，由于各種網絡所基于的通訊協(xié)議不同，一種網絡上的設備與其他網絡上設備的通訊就遇到了障礙。此外，PLC、DCS等控制器在各自的網絡中需要作為主站對現(xiàn)場執(zhí)行機構進行控制時，那么各個系統(tǒng)主站之間的通訊也將成為系統(tǒng)間通訊的障礙。解決異構網絡通訊問題的一種方法是在軟件上利用OPC技術[1]，另一方面利用協(xié)議轉換網關。

本文所述的基于異構網絡的多協(xié)議自適應網關能夠在硬件上實現(xiàn)基于Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP和Modbus-RTU幾種協(xié)議通訊的控制器、執(zhí)行器或現(xiàn)場儀表集成到一起，實現(xiàn)以上幾種協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉換；可以使PLC、DCS等需要充當系統(tǒng)主站的控制器進行數(shù)據(jù)通訊；另外，多協(xié)議自適應網關的Profibus-DP接口可以根據(jù)主站控制器的配置實現(xiàn)其通訊波特率及從站地址的自適應。本文通過幾種多協(xié)議自適應網關的典型應用，介紹了其應用領域及應用方法。

1 多協(xié)議自適應網關硬件設計

多協(xié)議自適應網關采用STM32F407ZGT6芯片作為核心控制器，它是基于ARM®；CortexTM-M4內核的高性能微控制器，其主頻為168 MHz，并帶有1M FLASH，192 K字節(jié)SRAM，可以滿足4種協(xié)議同時進行轉換的要求。

如圖1所示，設計的網關采用+24 Vz直流供電并采用德國赫優(yōu)訊公司的COMX模塊作為Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP 3 種協(xié)議的通訊接口，COMX 100CA-DP作為Profibus-DP協(xié)議的接口，COMX 100CA-DN作為DeviceNet協(xié)議的接口，COMX 100CA-RE作為EtherNet/IP協(xié)議的接口。COMX模塊上帶有50針插頭，可將其插在網關主板上，與CPU進行通訊，進行數(shù)據(jù)交換。COMX模塊的核心功能在于其協(xié)議組包和解包功能，它可以從外部總線接收到與其對應的協(xié)議報文，將該報文進行解包并傳送給CPU，也可接收從CPU發(fā)送過來的通用數(shù)據(jù)，并進行該協(xié)議的組包，然后發(fā)送到外部總線。本網關為COMX模塊預留了4個50針插口，其中3個作為上述3種協(xié)議的接口，1個作為備用接口，在需要加入其他協(xié)議通訊時將對應協(xié)議的COMX模塊插在此接口，再進行針對此接口的軟件編程，即可利用接口進行與外部總線的通訊。此外，為方便主芯片設置信息的存儲以及主程序的下載更新，多協(xié)議自適應網關設計了信息存儲模塊和程序下載接口[2-3]。

圖1 硬件框架Fig.1 Hardware frame

2 多協(xié)議自適應網關的功能實現(xiàn)

2.1 協(xié)議轉換功能

多協(xié)議自適應網關將Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP 3種協(xié)議以及Modbus-RTU協(xié)議集成在一起。其中Modbus-RTU協(xié)議是將外部總線傳來的數(shù)據(jù)通過RS-485芯片處理之后，直接送給CPU，再由其發(fā)送給其他3種協(xié)議所對應的COMX模塊進行Modbus-RTU總線信息的接收，反之，CPU也會將數(shù)據(jù)通過RS-485芯片發(fā)送給外部總線，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互通訊。Profibus-DP協(xié)議、DeviceNet協(xié)議和EtherNet/IP協(xié)議都有與之對應的COMX模塊，其可以在硬件上實現(xiàn)將外部總線傳來的協(xié)議報文進行解包從而變成通用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，也可將通用數(shù)據(jù)變成不同協(xié)議的報文，并將該報文發(fā)送至外部總線[5]。

數(shù)據(jù)流向如圖2所示，使用COMX模塊的3種協(xié)議以Profibus-DP協(xié)議轉換為DeviceNet協(xié)議的數(shù)據(jù)流向為例，支持Profibus-DP協(xié)議的控制器或儀表設備等，通過Profibus-DP總線將報文傳送給多協(xié)議自適應網關的Profibus-DP接口COMX-DP模塊，模塊將此報文進行解包成為通用數(shù)據(jù)并存儲至其自身的雙端口內存區(qū)的DP協(xié)議接收區(qū)，該存儲區(qū)被擴展成為主板CPU存儲區(qū)的一部分，可進行統(tǒng)一尋址。之后主板CPU會調用此數(shù)據(jù)，根據(jù)主程序中所設地址將其轉存至DeviceNet協(xié)議對應內存地址COMX模塊的DN協(xié)議發(fā)送區(qū)，再由COMX-DN模塊將此數(shù)據(jù)組包成為DeviceNet協(xié)議報文通過Device總線發(fā)送至支持DeviceNet協(xié)議通訊的控制器、儀表或設備，完成Profibus-DP至DeviceNet協(xié)議的轉換及數(shù)據(jù)通訊。對于Modbus-RTU協(xié)議，利用主板CPU的UART采用全雙工的形式，通過RS-485芯片收發(fā)Modbus報文，實現(xiàn)其與其他協(xié)議報文間的相互轉換。

圖2 數(shù)據(jù)流向圖Fig.2 Flow chart of data

此外，在實現(xiàn)不同通訊協(xié)議通訊時，多協(xié)議自適應網關可以將支持不同通訊協(xié)議的幾個主站控制器連接成一個網絡。每個COMX模塊在網絡組態(tài)的時候作為一個從站被組態(tài)到各自的網絡之中，支持各種協(xié)議的主站控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送給COMX模塊，主板CPU將此數(shù)據(jù)依照上述方法進行數(shù)據(jù)的通訊，Modbus-RTU協(xié)議數(shù)據(jù)亦如此。這樣多協(xié)議自適應網關就可以實現(xiàn)至少4臺支持不同通訊協(xié)議的主站控制器之間的通訊，解決了不同協(xié)議主站之間通訊困難的問題。

2.2 Profibus-DP接口站地址自適應功能

當Profibus-DP主站組態(tài)信息未知，或其他從站與多協(xié)議自適應網關站地址發(fā)生沖突時，多協(xié)議自適應網關可自動尋址，并完成組態(tài)。其程序流程如圖3所示，網關上電后首先判斷其站地址與主站所設站地址是否正確，并嘗試系統(tǒng)組態(tài)，若正確則COMX-DP模塊的通訊指示燈置為常綠狀態(tài)，系統(tǒng)組態(tài)完成，可以進行正常通訊。如不正確主板CPU的計時器將置1，調用COMX模塊的內部函數(shù)，將此數(shù)值存入COMX-DP模塊的站地址寄存器，繼續(xù)判斷地址，如果正確則開始正常通訊，若組態(tài)失敗則將計數(shù)器數(shù)值加1，寫入COMX-DP模塊的站地址寄存器，繼續(xù)判斷，直至系統(tǒng)進入正常通訊狀態(tài)。如此，即完成了Profibus-DP接口的站地址自適應過程，簡化了系統(tǒng)的組態(tài)過程。

圖3 DP站地址自適應程序流程圖Fig.3 Flow chart of DP station address self-adaptation program

3 多協(xié)議自適應網關的典型應用

3.1 異構網絡系統(tǒng)的通訊

多協(xié)議自適應網關可以將基于不同通訊協(xié)議的系統(tǒng)、執(zhí)行器和儀表等集成，消除由于通訊協(xié)議不同而造成的通訊障礙[5]。

異構網絡系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)主要由1臺西門子公司的S7-300系列PLC、1臺羅克韋爾公司的ControlLogix系列PLC、1臺可用總線控制的變頻器以及1個電子溫/濕度測量儀表組成。

圖4 異構網絡系統(tǒng)通訊結構圖Fig.4 Communication of heterogeneous networks system structure

圖4所示系統(tǒng)中包含了Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP以及Modbus-RTU 4種通訊協(xié)議?？赏ㄟ^多協(xié)議自適應網關進行協(xié)議轉換，實現(xiàn)上述系統(tǒng)的集成。S7-300 PLC通過硬線采集工業(yè)現(xiàn)場的開關量及模擬量信號，通過Profibus-DP協(xié)議通訊與系統(tǒng)集成，與ControlLogix PLC相互收發(fā)數(shù)據(jù)，相互監(jiān)控，采集現(xiàn)場溫濕度并通過變頻器控制電機的啟停及轉速。ControlLogix PLC通過EtherNet/IP協(xié)議通訊亦可實現(xiàn)上述功能。變頻器通過DeviceNet協(xié)議通訊，可接收到上層控制器發(fā)送的控制字，實現(xiàn)對三相交流電機的啟停及轉速控制。同時，多協(xié)議自適應網關通過Modbus-RTU協(xié)議與電子溫濕度測量儀表相連，將現(xiàn)場的溫度、濕度等信息通過網關協(xié)議的轉換傳輸給控制器，實現(xiàn)對現(xiàn)場溫濕度的監(jiān)控。

在系統(tǒng)配置時，將COMX 100CA-DP配置為S7-300PLC的一個從站；將COMX 100CA-DN配置為ControlLogix PLC的1個從站；使用COMX 100CARE模塊作為主站，利用赫優(yōu)訊公司的網絡配置軟件將上述變頻器組態(tài)為此模塊的1個從站；調整主板芯片代碼，使Modbus-RTU接口充當主站，溫/濕度測量儀表作為其從站配置。隨后調整主板芯片的軟件代碼，使收發(fā)地址相互對應，即可實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

王安石在其《臨川集》八十《上郎侍郎啟之》一：“追惟舊聞，不越俎以代庖；蓋言有守，未操刀而使割。”中為了突出強調“不越權或不代替別人做事”從典源中擇取了“越俎代庖”這一狀中結構作為典面。

多協(xié)議自適應網關在上述系統(tǒng)中完成了協(xié)議轉換功能，將基于異構網絡的控制器、執(zhí)行器和現(xiàn)場儀表集成到一起，可實現(xiàn)系統(tǒng)中不同協(xié)議數(shù)據(jù)的相互發(fā)送與接收。

3.2 不同協(xié)議主站控制器的相互通訊

在大型工廠中，往往需要不止1套的中控系統(tǒng)，不同的中控系統(tǒng)去控制不同的工業(yè)流程。當系統(tǒng)主站之間需要相互通訊，且其基于不同通訊協(xié)議時，系統(tǒng)之間就需要多個一對一的協(xié)議轉換網關，此時就大大增加了集成系統(tǒng)所需的成本也為現(xiàn)場工程師增加了大量的勞動量。多協(xié)議自適應網關可以將支持不同通訊協(xié)議的主站控制器集成到一起，使其完成相互通訊，起到了“異構網絡主站服務器”的作用[6]。

圖5中涉及到4套中控系統(tǒng)，分別為ABB公司的 AC800M，Emerson 公司的 DeltaV，Siemens公司的PCS以及Honeywell的C200。ABB系統(tǒng)的主站控制器支持Profibus-DP協(xié)議，Emerson系統(tǒng)的主站控制器支持Modbus-RTU協(xié)議，Siemens系統(tǒng)的主站控制器支持Profinet協(xié)議而Honeywell系統(tǒng)支持EtherNet/IP協(xié)議。

圖5 多系統(tǒng)主站通訊框架圖Fig.5 Communication of multi-system master struture

針對上述系統(tǒng)，多協(xié)議自適應網關在硬件上需要做一些調整：將DeviceNet協(xié)議的COMX 100CADN模塊拔除，利用赫優(yōu)訊公司提供的軟件將Profinet協(xié)議的固件下載到另外一個支持以太網通訊的COMX 100CA-RE模塊中，并將其插入原COMX 100CA-DN模塊處，隨后即可進行系統(tǒng)配置。

完成硬件調整之后，將COMX 100CA-DP模塊配置為AC800M控制器的1個從站；將原COMX 100CA-RE模塊配置為C200控制器的一個從站；將下載了Profinet協(xié)議固件的COMX 100CA-RE模塊配置為PCS控制器的1個從站；使Modbus-RTU接口作為DeltaV控制器的1個從站出現(xiàn)在系統(tǒng)之中。隨后通過改變主板芯片的源代碼，改變其地址對應關系，即可實現(xiàn)幾套DCS系統(tǒng)主站的相互通訊。

多協(xié)議自適應網關在上述系統(tǒng)中完成了不同廠家基于不同通訊協(xié)議DCS主站控制器的相互通訊，實現(xiàn)了主站控制器的相互監(jiān)控，由此可保證工業(yè)流程之間的相互連通，使一個大型工廠成為一個整體[7]。

3.3 Profibus-DP接口站地址自適應

在中控系統(tǒng)需要升級改造，且當主站組態(tài)信息未知，或系統(tǒng)中需要添加從站設備的站地址與多協(xié)議自適應網關站地址發(fā)生沖突時，會對系統(tǒng)的升級改造帶來未知的障礙。多協(xié)議自適應網關在設計時，針對應用最為廣泛的Profibus-DP協(xié)議，設計了Profibus-DP接口的站地址自動尋址功能，可簡化系統(tǒng)改造的過程，減輕工程師的工作量。

多總線自適應網關Profibus-DP接口的站地址自適應功能應用在S7-300 PLC系統(tǒng)中，其應用過程如下：

（1）當系統(tǒng)主站中的配置出現(xiàn)改變之后，主站控制器會出現(xiàn)BF（BUS FAULT）的總線錯誤，控制器不能正常啟動，此時需要將多總線自適應網關斷電后重新上電，其會檢測到錯誤，主板芯片會引導COMX模塊進入自動尋址模式；

（2）COMX在尋找到正確地址之后，模塊會自動進入正常工作模式，其通訊燈為常綠狀態(tài)，但此時PLC的BF報警仍未消除，不能正常工作；

（3）將PLC的組態(tài)信息重新下載到PLC之中，系統(tǒng)的BF報警消除，可進行正常通訊，通過多協(xié)議自適應網關與其他設備傳輸數(shù)據(jù)。

4 結語

多協(xié)議自適應網關應用到工業(yè)現(xiàn)場中，解決了基于不同通訊協(xié)議通訊的控制器、執(zhí)行器、現(xiàn)場儀表之間的相互通訊，將其集成于同一系統(tǒng)；使不同廠家支持不同協(xié)議通訊的DCS主站控制器實現(xiàn)了相互的監(jiān)控，實現(xiàn)了大型工廠的一體化；Profibus-DP從站地址自適應功能減少了系統(tǒng)升級過程中的障礙，提高了系統(tǒng)使用的可持續(xù)性，簡化了升級過程。經過實際驗證，多協(xié)議自適應網關達到了網關產品的設計要求，實現(xiàn)了協(xié)議轉換、“異構網絡主站服務器”以及DP從站地址自適應的功能。

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