工業(yè)以太網(wǎng)OPEN IE的數據通訊方案

1 引言

在當今自動(dòng)化領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò )結構已經(jīng)被廣泛地應用于各行各業(yè)的工業(yè)環(huán)境中，它是構成各類(lèi)控制系統的基礎，其性能直接影響著(zhù)系統整體的綜合指標，不同的網(wǎng)絡(luò )種類(lèi)形式如：串口通訊、現場(chǎng)總線(xiàn)、以太網(wǎng)等已在各類(lèi)場(chǎng)合獲得了驗證和發(fā)展，但隨著(zhù)近年來(lái)it技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種格局正在發(fā)生著(zhù)巨大的變化，特別是以太網(wǎng)技術(shù)正由商業(yè)向工業(yè)、上層向低層、低速向高速、非實(shí)時(shí)向實(shí)時(shí)、封閉向透明、層次化向扁平化等方面全面發(fā)展和延伸，并融合了各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)和協(xié)議，再加上低成本的刺激和速度的提高因素，全球各自動(dòng)化巨頭廠(chǎng)商也不斷推出“e網(wǎng)拉平到底”成功案例，傳統的控制系統卻不得不面對這一強勁的挑戰，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域并融入現場(chǎng)通訊技術(shù)已成為現實(shí)。

對于未來(lái)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的主角，從現有市場(chǎng)應用角度看，以太網(wǎng)iso/osi七層模型中頂層應用層協(xié)議的標準化、通用性和開(kāi)放性是決定各供貨商設備彼此間是否可具備互操作性的首要條件，應用層協(xié)議的標準和開(kāi)放為不同層次、不同廠(chǎng)商、不同種類(lèi)的設備實(shí)現互聯(lián)通信及實(shí)現高效的統一管理提供了良好的實(shí)現平臺，縱觀(guān)西門(mén)子工業(yè)以太網(wǎng)simatic ie的發(fā)展就順應了這一市場(chǎng)的需求和趨勢，simatic ie體系架構如圖1所示。



圖1 simatic ie體系架構圖

simatic ie所遵循的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)正是全面體現標準化、通用性及開(kāi)放性這一戰略，它兼顧了效率、實(shí)時(shí)性、確定性、靈活性等各方面綜合因素，包含了標準以太網(wǎng)和定制以太網(wǎng)，simatic ie基于“tcp/ip＋標準化（profinet）＋通用性（s7/s5兼容、it、iso等通信）＋開(kāi)放性（開(kāi)放式ie）”這一模式是對當前工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展模式的最好詮釋?zhuān)渲衧7通信和s5兼容通信是simatic plc家族的標準通信協(xié)議，其應用接口的通信不依賴(lài)特定的總線(xiàn)系統，它包含simatic net系統范圍內基于以太網(wǎng)的s7站、s5站和pg/pc之間的相互通信；而開(kāi)放式ie是指基于s5兼容通信或開(kāi)放式通信專(zhuān)用的功能塊使用標準協(xié)議(tcp native、iso on tcp、udp)堆棧在應用層上實(shí)現開(kāi)放的通訊服務(wù)，相當于直接socket訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)功能，通常稱(chēng)為開(kāi)放式ie通訊，其數據交換是通過(guò)send/receive接口或t blocks接口來(lái)實(shí)現的，它是基于西門(mén)子s7 plc控制層面所集成的以太網(wǎng)服務(wù)功能,支持與第三方通訊伙伴用于以太網(wǎng)或tcp/ip的數據流通信；開(kāi)放式ie通訊為用戶(hù)編程提供一個(gè)“空應用頂層”的以太網(wǎng)服務(wù)來(lái)支持tcp/ip端口的自由通訊，適合于二進(jìn)制或者ascii碼與外部設備進(jìn)行自由約定協(xié)議或特定專(zhuān)用協(xié)議的數據通信。

2 流程工藝

某半導體有限公司作為一家專(zhuān)業(yè)從事微處理器mcu、ic以及功率半導體分立器件生產(chǎn)、銷(xiāo)售業(yè)務(wù)的企業(yè)，其公司的ic產(chǎn)品的包裝、貼標、稱(chēng)重、輸送、檢測分選等后道工序中所包含的檢測采集設備有稱(chēng)重儀表、標簽打印機、條碼掃描儀、噴碼機、分選儀等，這些第三方設備的共性表現為：設備分布范圍廣且布線(xiàn)成本高、協(xié)議繁瑣且各不相同、物理層不統一組網(wǎng)性能差且維護復雜、實(shí)時(shí)性要求不高且通信量不均等因素，基于上述設備的聯(lián)網(wǎng)方案當前常用的不外乎有以下幾種：

(1)模擬量輸入輸出模塊

(2)usb/rs232/rs485串行ptp通信

(3)各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)或設備總線(xiàn)

(4)工業(yè)平板電腦/嵌入式計算機

(5)基于pc base的tcp/ip方案

上述方案中又以串口通信方式最為普遍，如s7-300 plc通過(guò)cp340/341來(lái)擴充串口聯(lián)網(wǎng)功能，但這存在不同物理層（rs232/422/485）和不同協(xié)議的限制，勢必會(huì )造成擴展多個(gè)串口來(lái)連接這類(lèi)設備，使系統成本升高、布線(xiàn)復雜，另外還受到傳輸速率低、通信距離短和維護困難等因素的限制，因此利用工廠(chǎng)范圍內現有共享的以太網(wǎng)公共傳輸通道相比上述解決方案更具備明顯的優(yōu)勢。

首先基于osi以太網(wǎng)七層模型的低層部分具有統一的網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層，即物理層和數據鏈路層符合ieee 802.3規范，這意味著(zhù)以太網(wǎng)絡(luò )硬件的物理接口和驅動(dòng)程序層面得到了統一，各類(lèi)以太網(wǎng)標準端口及線(xiàn)纜的選擇標準及它們組合使用，為以太網(wǎng)端口設備的互聯(lián)提供了極大的便利，確保此類(lèi)設備可快速方便地共享以太網(wǎng)公共傳輸通道的信息。

其次osi以太網(wǎng)模型的中間層部分傳輸層/網(wǎng)絡(luò )層，它提供了統一的基于ip的tcp/udp協(xié)議,它具有結構簡(jiǎn)單標準、網(wǎng)絡(luò )資源易整合和支持高速通信的優(yōu)勢，其中udp是基于ip的簡(jiǎn)單快速數據傳輸協(xié)議，由于它在發(fā)送的數據包中僅加入了少量的管理信息，與tcp/ip相比可獲得更高的數據吞吐量，但它面向數據包的傳輸，而非面向連接的特性，決定了udp協(xié)議數據傳輸中存在著(zhù)不安全的隱患；而rfc1006中的“iso-on-tcp”是tcp協(xié)議的一種擴展，它在tcp/ip協(xié)議中定義了iso傳輸的屬性，集合了高速通訊和路由兼容性的優(yōu)勢，支持帶確認的數據塊傳送，具有極高的通信可靠性，但當前僅限于simatic s7家族產(chǎn)品內部所使用，第三方通訊伙伴一般都不支持iso-on-tcp連接，因此面向連接的tcp/ip以太網(wǎng)通訊成為我們首選。

綜合以上闡述可得出采用統一介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層、標準tcp/ip傳輸網(wǎng)絡(luò )層和開(kāi)放應用層的以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現這些第三方通訊設備聯(lián)網(wǎng)，是此流程自動(dòng)化控制的首選方案，因此針對上述工業(yè)數據采集領(lǐng)域的現狀，我們制定了基于tcp/ip的以太網(wǎng)通信解決方案，包括設備投資、布線(xiàn)、維護和編程難易程度所產(chǎn)生的總體成本可大為降低，它不單獨占用處理器物理端口和處理資源，在靈活性和可用性方面可有極大的提升，與plc控制層的協(xié)同工作效率也得到了提高，降低了維護成本并進(jìn)一步簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )結構，并對今后系統功能擴充及升級也帶來(lái)了極大的便利，符合各制造商們日益關(guān)注的價(jià)值主張。
3 開(kāi)放式ie功能實(shí)現

3.1系統組成

本系統現場(chǎng)設備主要包含有：godex熱敏標簽條碼打印機、metrologic條形碼掃描儀、tcs電子臺秤和輥道秤等等，為滿(mǎn)足這些設備數據處理和控制的要求，采用帶有cp343-1通信處理機的s7-300 plc并充分利用工廠(chǎng)現有的局域網(wǎng)資源，組成一個(gè)基于tcp/ip數據流的工業(yè)以太網(wǎng)通信方案，以滿(mǎn)足各工藝段的需要，也使s7-300 plc資源得到充分的利用和發(fā)揮，系統組成如圖2所示。



圖2 系統示意圖

s7-300cp模板的s7應用程序是基于s5兼容接口send/receive來(lái)實(shí)現開(kāi)放式ie通信，cp它最多可同時(shí)建立16個(gè)tcp/ip任務(wù)資源的連接，雖然tcp/ip是基于面向數據流通信的服務(wù)，而非基于消息的數據包傳輸服務(wù)，這就意味著(zhù)發(fā)送的數據沒(méi)有任何有用于數據的信息，例如長(cháng)度、起始和結束信息，接收端只能提供相對應的接收長(cháng)度和特征符來(lái)獲取正確的信息，因此需考慮send/receive收發(fā)功能的輸出參數及狀態(tài)的判別，來(lái)協(xié)調雙方的請求和響應以確保雙方可靠通信，另外對于接收方還需注意接收緩沖區數據流的定位問(wèn)題，總之send/receive接口所集成的基于tcp/ip的socket接口訪(fǎng)問(wèn)為實(shí)現與第三方設備的數據交換提供了靈活多樣服務(wù)，基于tcp連接的接口框圖如圖3所示。