Design and Implementation about Non－real－time Data Sharing among PLCs

趙艷領(lǐng)(機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所網(wǎng)絡(luò)控制研究中心，北京　100055)

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PLC之間非實時數(shù)據(jù)共享設(shè)計與實現(xiàn)

國家863基金資助項目(編號:2013AA040304)。

修改稿收到日期:2015－09－17。

作者趙艷領(lǐng)(1984－)，男，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師;主要從事工業(yè)自動化系統(tǒng)開發(fā)、工控系統(tǒng)信息安全、嵌入式軟件開發(fā)、樓宇自動化等方面的研究。

0　引言

PLC控制系統(tǒng)通常由工程師站、操作員站、PLC和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備組成［1］。隨著自動化控制水平的不斷提高，PLC之間的數(shù)據(jù)交換要求也越來越高［2］。由于企業(yè)升級改造，一條主作業(yè)線上可能并存西門子、ABB、GE等多家的PLC系統(tǒng)，對于這種情況，經(jīng)常使用現(xiàn)場總線或者OPC集成技術(shù)進行不同廠家PLC之間數(shù)據(jù)的交換和共享［3］。

總體而言，一般廠商都提供本品牌PLC之間數(shù)據(jù)共享解決方案，如西門子S7－300分布式PLC之間的數(shù)據(jù)共享采用全局數(shù)據(jù)包(global data，GD)的方式［4］。目前PLC之間的數(shù)據(jù)共享大多數(shù)是類似GD這種方式，存在通信速率低(有的不使用以太網(wǎng))、組態(tài)繁瑣(要求接收方和發(fā)送方都要組態(tài)相同的數(shù)據(jù)個數(shù)、順序、類型)、限制數(shù)據(jù)報文長度、明文傳輸、校驗機制簡單、不支持網(wǎng)絡(luò)冗余等問題。

本文利用獨立開發(fā)組態(tài)軟件和PLC固件程序的優(yōu)勢，確定PLC之間的數(shù)據(jù)共享關(guān)系，采用數(shù)據(jù)名稱+數(shù)據(jù)類型的組合作為PLC之間共享數(shù)據(jù)項的通信唯一標志; PLC之間數(shù)據(jù)的交換和共享采用高效的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol，UDP)，并采用通信可靠性等技術(shù)手段確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊C密和穩(wěn)定。

1　相關(guān)技術(shù)

基于類似GD全局數(shù)據(jù)包方式，不同PLC之間數(shù)據(jù)共享與交換的技術(shù)原理如圖1所示。

圖1　類似GD的數(shù)據(jù)共享方式示意圖Fig. 1　The data sharingmethod similar to GD

假設(shè)有3臺PLC設(shè)備，PLC1的IP地址是192. 168. 1. 10，PLC2的IP地址是192. 168. 1. 11，PLC3的IP地址是192. 168. 1. 12。

PLC1與PLC2和PLC3之間的數(shù)據(jù)共享和交換的步驟如下。

①組態(tài)軟件組態(tài)出PLC1有兩組需要供應(yīng)給PLC2和PLC3的數(shù)據(jù)組(如果PLC1需要共享PLC2的數(shù)據(jù)，則稱PLC1為消費方，PLC2為供應(yīng)方)，數(shù)據(jù)組1包含一個Bool類型的A變量和浮點類型的B變量，數(shù)據(jù)組2包含一個Bool類型的C變量和浮點類型的D變量。

②組態(tài)軟件組態(tài)出PLC2有一組需要從PLC1消費的數(shù)據(jù)組1(包含一個Bool類型的A變量和浮點類型的B變量)。

③組態(tài)軟件組態(tài)出PLC3有一組從PLC1消費的數(shù)據(jù)組2(包含一個Bool類型的C變量和浮點類型的D變量)。

④把組態(tài)信息下載到PLC之中。

⑤PLC1周期性地向PLC2和PLC3發(fā)送數(shù)據(jù)。

⑥PLC2和PLC3實時地接收數(shù)據(jù)。

這種方案的優(yōu)點是傳輸數(shù)據(jù)不用包括變量的任何信息，只需要傳輸數(shù)據(jù)值，因此通信效率高，但也存在很多缺點。

①組態(tài)復(fù)雜。如PLC2需要增加一個消費PLC1的數(shù)據(jù)點項，則PLC1和PLC2都需要重新組態(tài)。

②無法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)長度一致但類型不一致的問題。如B在PLC1中是Float類型，在PLC2中是int類型(假設(shè)用戶組態(tài)錯誤)，報文無法識別該類錯誤。

③無法發(fā)現(xiàn)順序顛倒，如PLC1中的A、B的順序，PLC2中的B、A順序仍然通信正常。

④無校驗或者校驗簡單;明文傳輸、難以滿足日益嚴峻的工業(yè)信息安全要求。

2　方案設(shè)計與實現(xiàn)

2. 1總體設(shè)計

鑒于目前存在的問題，本方案應(yīng)當優(yōu)先實現(xiàn)的目標是:①較高的通信效率保證數(shù)據(jù)的實時性;②組態(tài)簡單;③保證通信可靠性和安全性。

該方案的完成同樣需要組態(tài)軟件和固件程序的配合，在組態(tài)軟件中利用設(shè)定的規(guī)則配置出PLC之間共享數(shù)據(jù)的消費和供應(yīng)關(guān)系，然后連同邏輯配置下載到相應(yīng)PLC設(shè)備之中。作為消費方的PLC首先向供應(yīng)方的PLC發(fā)出消費請求，單個點項使用變量名和數(shù)據(jù)類型的組合來標志消費數(shù)據(jù)的信息，這就可以保證消費數(shù)據(jù)信息的唯一性。供應(yīng)方的PLC查詢自己的供應(yīng)數(shù)據(jù)庫，若消費信息存在，則周期性應(yīng)答;否則應(yīng)答錯誤。消費方在發(fā)出請求之后，則周期性接收供應(yīng)信息，若一定時間收不到信息，則重新發(fā)送消費信息，設(shè)計原理如圖2所示。

圖2　方案設(shè)計原理圖Fig. 2　The design principle of scheme

2. 2組態(tài)軟件的實現(xiàn)

組態(tài)軟件主要是定義組態(tài)規(guī)則和生成PLC之間數(shù)據(jù)共享的消費和供應(yīng)關(guān)系，規(guī)則示例如在PLC1中組態(tài)PLC2#Bool#A，其含義是PLC1需要消費PLC2中的變量類型為Bool變量A。在PLC2中需要把變量A加入到共享數(shù)據(jù)庫中，為了方便，可以把經(jīng)常用到的I/O測點變量增加到共享數(shù)據(jù)庫中。若無別的消費方PLC請求，消費信息對系統(tǒng)沒有影響;而當PLC1中需要消費更多變量時，PLC2無需再次下載程序。

對于同一個PLC，可能既是消費方也是供應(yīng)方，因此最終生成消費信息和共享數(shù)據(jù)庫信息兩類組態(tài)信息。消費信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，共享數(shù)據(jù)庫以列表的形式包含所有的共享數(shù)據(jù)信息。

圖3　消費信息結(jié)構(gòu)圖Fig. 3　The structure of consumption information

2. 3固件程序的實現(xiàn)

2. 3. 1固件程序模塊劃分

隨著技術(shù)的進步，軟件的應(yīng)用日趨廣泛，軟件開發(fā)也成為系統(tǒng)工程，復(fù)雜軟件的設(shè)計應(yīng)用遞歸分解技術(shù)將大業(yè)務(wù)加以分解，提高程序可修改性以及可擴展性［5］。PLC固件程序也是一個包含各個子功能的程序集合，數(shù)據(jù)共享功能使用模塊化的設(shè)計思想進行功能劃分和分解，功能模塊劃分如圖4所示，包含6大模塊。

①配置解析模塊主要是解析組態(tài)軟件下發(fā)的消費信息和共享數(shù)據(jù)庫信息。

②調(diào)度模塊主要是控制接收、發(fā)送與PLC自身的其他模塊的調(diào)度關(guān)系。

③診斷模塊主要是發(fā)現(xiàn)請求超時、接收異常等信息。

④發(fā)送模塊主要是完成消費信息的請求和提供共享數(shù)據(jù)應(yīng)答發(fā)送的功能。

⑤接收模塊主要是控制周期性接收消費請求信息和消費請求應(yīng)答信息的管理。

⑥安全性模塊主要包括數(shù)據(jù)報文的校驗、加密、糾錯等方式。

圖4　固件程序模塊Fig. 4 The module of firmware program

本文不對所有模塊進行一一說明，只介紹此方案實現(xiàn)過程中碰到的容易出錯的地方，詳見2. 3. 2及其以后的章節(jié)。

2. 3. 2數(shù)據(jù)共享功能調(diào)度順序

為便于調(diào)試，PLC廠商一般會提供強制功能。強制的含義是指在沒有實際設(shè)備的情況下可以對輸入、輸出測點進行數(shù)據(jù)值的控制。當強制輸入點時由于該輸入點值為“強制值”，就相當于“真正的輸入點”［6］。

PLC基本的運行機制是掃描輸入數(shù)據(jù)、邏輯運算、輸出控制。共享數(shù)據(jù)的消費方實際是從網(wǎng)絡(luò)上獲取供應(yīng)方PLC采集的數(shù)據(jù)或者運算的結(jié)果，與本身從實際I/O測點獲得的數(shù)據(jù)類似也可以成為網(wǎng)絡(luò)I/O測點。

結(jié)合以上兩點，數(shù)據(jù)共享功能的調(diào)度順序如圖5所示，否則可能會出現(xiàn)無法強制和消費方接收的數(shù)據(jù)更新滯后的情況。

圖5　調(diào)度順序示意圖Fig. 5　The scheduling sequence

2. 3. 3共享數(shù)據(jù)變量的保持屬性

由于實際運行中的PLC可能會因為掉電或者程序異常而重新啟動，重啟之后有些數(shù)據(jù)必須保持在重啟之前的狀態(tài)，否則現(xiàn)場會失去控制。譬如西門子的PLC內(nèi)部繼電器R僅用于內(nèi)部，不提供外部輸出。R可按保持型/非保持型設(shè)置，保持與非保持的意義如下。

保持:是指在工作電源掉電或PLC工作方式由RUN轉(zhuǎn)為PROG時，存儲區(qū)的內(nèi)容不會丟失或被修改。

非保持:是指在工作電源掉電或PLC的工作方式由RUN轉(zhuǎn)為PROG時，存儲區(qū)的內(nèi)容將會丟失或被修改［7］。

我們開發(fā)的PLC仍然存在這兩類屬性，對于組態(tài)軟件生成的消費信息和共享數(shù)據(jù)庫信息中的變量必須具有保持型屬性(無需用戶設(shè)置系統(tǒng)自動生成)，否則極端情況下會出現(xiàn)現(xiàn)場失控現(xiàn)象，如PLC1需要消費PLC2中一個Bool變量A。該變量A在PLC1中參與一個連鎖控制重啟前為True，若A為False時觸發(fā)一個事件并進行記錄。當PLC1重啟之后A如無特殊屬性則歸零為False，在沒有收到PLC2發(fā)來的數(shù)據(jù)之前將利用False參與運算導(dǎo)致錯誤。有些廠家的PLC需要用戶添加，而用戶一旦忘記只有重啟時才可能發(fā)現(xiàn)，平時很難測試出來，為系統(tǒng)埋下較大的隱患。

2. 3. 4通信安全性保障

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向操作的簡單非可靠信息傳送服務(wù)。由于不存在數(shù)據(jù)分片和連接管理，系統(tǒng)開銷比較小，通信帶寬有效利用率要高于基于連接的通信方式;用戶無需從其中接收的通信數(shù)據(jù)進行組裝和判斷，內(nèi)部通信基于消息機制，每次收發(fā)的數(shù)據(jù)報文具有獨立意義。相對傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)，采用UDP可以降低用戶最終數(shù)據(jù)的解釋帶來的額外系統(tǒng)開銷［8］。

考慮到PLC系統(tǒng)資源，使用UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，但是UDP是一種無連接不安全的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有必要通過增加一些手段來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴３Ｒ姷臄?shù)據(jù)通信錯誤有損壞、重復(fù)、亂序、丟失等，本方案參考IEC 61784－3關(guān)于通信錯誤和對策的建議，取舍之后采用的方法如表1所示。需要說明的是，考慮到系統(tǒng)資源，本加密算法是極其簡單的處理，而非常用的AES、DES等加密算法。

表1　通信可靠性方法Tab. 1 The measures of communication reliability

表1中，“!”表示具有該項功能。

3　試驗驗證

3. 1測試環(huán)境

測試環(huán)境組成如圖6所示。

圖6　測試驗證圖Fig. 6　The testingverification

①開發(fā)的實際功能安全PLC共5個(沈陽中科博微自動化技術(shù)有限公司開發(fā)，內(nèi)部型號Cybersafe)。

②采用匹配的虛擬仿真軟件虛擬27個PLC，虛擬仿真軟件運行于PC機上，可以實現(xiàn)PLC的邏輯執(zhí)行、HMI通信等各種功能。

③組態(tài)軟件和操作員站合為一臺PC機，所有的設(shè)備采用交換機連接。

④數(shù)據(jù)共享信息組態(tài)。真實PLC1需要共享PLC2、PLC3、PLC4、PLC5以及其他27個虛擬PLC的數(shù)據(jù)信息，包括50個模擬量和50個數(shù)字量。

⑤采用故障注入的方法插入無序、重復(fù)報文，查看處理結(jié)果。

3. 2測試結(jié)果分析

根據(jù)實現(xiàn)原理可知，PLC1開始時需要進行數(shù)據(jù)共享信息的請求，請求成功后，4個真實PLC和27個虛擬PLC周期性向PLC1進行共享信息的發(fā)送，因此會影響PLC1的CPU負荷和網(wǎng)絡(luò)負荷，測試結(jié)果如表2所示。

表2　主要測試項結(jié)果Tab.2 The main testing results

4　結(jié)束語

本文在分析現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)缺點基礎(chǔ)之上，根據(jù)存在的問題，采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式，利用自主開發(fā)的優(yōu)勢，通過組態(tài)軟件和固件程序的上下配合，解決了目前組態(tài)復(fù)雜、通信可靠性低等缺點，給出了實際開發(fā)中的關(guān)鍵問題的解決方法。

由于嵌入式系統(tǒng)資源的有限性，報文的加密算法比較簡單。在工業(yè)信息安全日益引起重視的今天，在不引入外部防護設(shè)備的情況下，作為網(wǎng)絡(luò)I/O的共享數(shù)據(jù)的安全性和可靠性依靠PLC自身策略的保障仍是一個尚待解決的問題。

參考文獻

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Design and Implementation about Non－real－time Data Sharing among PLCs

趙艷領(lǐng)
(機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所網(wǎng)絡(luò)控制研究中心，北京100055)

摘要:針對PLC之間非實時數(shù)據(jù)共享組態(tài)復(fù)雜、通信不可靠等問題，提出了一種PLC之間非實時數(shù)據(jù)共享方案。方案的實現(xiàn)需要組態(tài)軟件和PLC固件程序的配合，組態(tài)軟件主要負責(zé)配置各個PLC之間數(shù)據(jù)共享的關(guān)系，固件程序解析組態(tài)軟件下發(fā)的配置信息，采用主動請求的方式建立PLC與PLC之間的數(shù)據(jù)共享關(guān)系。該方案采用UDP協(xié)議，并考慮通信數(shù)據(jù)的完整性與機密性，同時詳細分析了調(diào)度、數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)可靠性保證的實現(xiàn)。測試驗證了該方案滿足設(shè)計目標。

關(guān)鍵詞:可編程控制器用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)共享可靠性信息源

Abstract:Aiming at the problems of the complexity of software configuration and communication unreliability in non-real-time data sharing，a new policy about non-real-time data sharing among PLCs is proposed. The implementation of the policy needs the cooperation between configuration software and PLC firmware program. The configuration software is responsible for deploying the relation about data sharing among the PLCs; the PLC firmware program issues the configuration information and builds the relation about data sharing by sending request actively. User datagram protocol(UDP)is used in this scheme，and data integrity and data confidentiality are also considered，meanwhile，the details about scheduling，data attributes and the implementation of data reliability insurance are analyzed. The policy is proved to accord with the design target by testing.

Keywords:PLCUDP Data integrity Data sharing Reliability Information sources

中圖分類號:TH7; TP319

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603003