以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)的跨平臺網(wǎng)絡(luò )通信
加入技術(shù)交流群
“EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)超導TOKMAK裝置”是國家九五重大科學(xué)工程。極向場(chǎng)電源控制系統是托卡馬克主要子系統之一，它為等離子體的產(chǎn)生、約束、維持、加熱，以及等離子體的電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎和控制手段。對裝置運行的性能與安全，物理實(shí)驗的成敗與效率，有著(zhù)至關(guān)重要的作用。其實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴充性要求甚高。為了滿(mǎn)足整個(gè)控制系統的這種高要求，整個(gè)控制系統由三層網(wǎng)絡(luò )組成：Windows 監測層、QNX實(shí)時(shí)控制層、現場(chǎng)總線(xiàn)執行層。
――――――――――――――――――-----------------------
基金項目：國家發(fā)展計劃委員會(huì )“投資(1998)1303號項目”(子項目)
作者簡(jiǎn)介：蘭魯光(1980-)，男，碩士生，研究方向現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、實(shí)時(shí)計算機監控；傅鵬，研究員、博導；楊亞龍，博士生；吳勇，碩士生 E-mail：lanluguang@163.com
Windows 監測層選用Windows 2000平臺作為操作工作站，進(jìn)行測量、監控、故障分析和波形顯示。而QNX實(shí)時(shí)控制層選用QNX6.20實(shí)時(shí)操作系統，擔負著(zhù)電源系統多變量反饋電流反饋控制、系統連鎖控制、保護及各種運行方式的調配。現場(chǎng)總線(xiàn)層由大量的現場(chǎng)總線(xiàn)控制器及現場(chǎng)總線(xiàn)模塊組成，負責采集大量現場(chǎng)設備的狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞給QNX實(shí)時(shí)控制層和WINDOWS監測層，并接受QNX控制層發(fā)來(lái)的控制信號控制現場(chǎng)設備。
2，現場(chǎng)總線(xiàn)層構建
現場(chǎng)總線(xiàn)是應用在生產(chǎn)現場(chǎng)、在微機化測量控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)就是利用當今世界上最流行的開(kāi)放式局域網(wǎng)Ethernet作為工業(yè)I/O控制模塊的通信網(wǎng)絡(luò )，作為真正開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)系統。
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議主要有以下幾種：Modbus TCP/IP（Schneider，1998）、Interbus（Phoenix，1999）、EtherNet/IP（ODVA，1999）、IDA（Vendor Alliance，2000）、HSE（Foundation Fieldbus，2000）、ProfiNet（Profibus，2001）。
EAST極向場(chǎng)電源控制系統由12套電源子系統組成，在空間上具有較強的分散性，需要發(fā)送至現場(chǎng)的控制量信號及采集的狀態(tài)有上千個(gè)，如此分散而龐大的信號量要實(shí)現實(shí)時(shí)、可靠的通信最好的解決方法就是采用工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)?？紤]到以太網(wǎng)技術(shù)的成熟性、開(kāi)放性及高的性?xún)r(jià)比，極向場(chǎng)電源控制系統使用德國WAGO公司的以太網(wǎng)總線(xiàn)模塊，采用Modbus Tcp/IP協(xié)議，Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間可以通信，它已成為一種通用工業(yè)標準。通過(guò)它，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中監控。
MODBUS/TCP協(xié)議是為制造自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化獨立設計的一種開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。它是MODBUS協(xié)議的變異，可以通過(guò)TCP/IP的連接來(lái)優(yōu)化現場(chǎng)的通訊。MODBUS/TCP協(xié)議定義了通過(guò)以太網(wǎng)通訊時(shí)，服務(wù)器/客戶(hù)機請求和響應消息的幀格式。如圖1所示：
通訊標識、協(xié)議標識、單元標識均為16進(jìn)制0x0000，這是因為底層的IP幀頭中已經(jīng)有類(lèi)似的標識符?？刂破魍ㄟ^(guò)IP幀頭已經(jīng)可以識別幀是發(fā)給誰(shuí)的了。消息長(cháng)度是用來(lái)描述此區域后總共還有多少個(gè)字節。功能代碼是用來(lái)描述此幀數據是干什么用的。傳輸數據是用來(lái)描述想要讀寫(xiě)的I/O通道，及所傳送的數據值。此外, 由于TCP/IP 協(xié)議以及鏈路層的求和校驗機制可以保證數據包傳遞的正確性,所以MODBUS/TCP協(xié)議中沒(méi)有定義CRC- 16 或LRC 校驗。
WAGO以太網(wǎng)總線(xiàn)通訊時(shí)，需要在以太網(wǎng)標準上疊加幾種重要的通訊協(xié)議。在ISO/OSI標準化模型的第三層網(wǎng)絡(luò )層上需疊加IP,ICMP和ARP協(xié)議，在第四層傳輸層視傳輸情況需疊加TCP協(xié)議或UDP協(xié)議。另外，現場(chǎng)總線(xiàn)適配器還包含了幾種額外的用戶(hù)協(xié)議以用于傳輸和接收數據。其中MODBUS/TCP協(xié)議用于對模塊讀取和寫(xiě)入數據，端口號為502；Bootstrap協(xié)議用于配置總線(xiàn)IP地址；HTTP協(xié)議用于訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)適配器中存儲的HTML頁(yè)面以監控總線(xiàn)適配器的狀態(tài)，端口號為80。圖2所示為數據傳輸時(shí)協(xié)議的疊加情況。
在WAGO以太網(wǎng)總線(xiàn)適配器和控制器的應用層有Modbus協(xié)議的多種操作程序，通過(guò)這些操作程序實(shí)現數字或模擬輸入輸出數據的對現場(chǎng)總線(xiàn)模塊的寫(xiě)入或讀出。在極向場(chǎng)電源控制系統中對WAGO總線(xiàn)模塊的操作既有讀取狀態(tài)量的操作也有發(fā)出控制量的操作，所以通常采用操作程序代碼為FC23: 0x0017.
極向場(chǎng)電源控制系統現場(chǎng)總線(xiàn)層由多個(gè)總線(xiàn)控制器、大量數字量輸入輸出模塊、少量模擬量輸入輸出模塊組成，分成12組以實(shí)現對現場(chǎng)12套極向場(chǎng)電源裝置的控制和狀態(tài)讀取，以達到遠動(dòng)和監控的目的。通過(guò)100M以太網(wǎng)很方便的實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)控制器同12臺極向場(chǎng)電源子系統控制上位機的高速連接，僅僅需要使用普通的網(wǎng)卡、網(wǎng)線(xiàn)和一臺交換機，大大簡(jiǎn)化了普通現場(chǎng)總線(xiàn)接線(xiàn)的繁瑣，性?xún)r(jià)比也較普通現場(chǎng)總線(xiàn)有較大提高。同時(shí)，由于TCP/IP協(xié)議應用技術(shù)的普遍，能通用于WINDOWS、UNIX、QNX等多種操作系統，具有良好的互操作性。
評論