基于嵌入式組態(tài)平臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型

　　嵌入式組態(tài)；eHMIBuilder；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；Modbus。

一、轉(zhuǎn)發(fā)問題提出

　　在復雜、龐大的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中，往往需要管理層的中心控制室對多個現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)進行集中控制。那么管理層是如何獲得這些數(shù)據(jù)的呢？這就是我們這篇文章研究的重點：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

　　所謂的現(xiàn)場層，就是由現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站和設(shè)備組成的。圖1.1就是一個現(xiàn)場層實例，由現(xiàn)場設(shè)備控制器和現(xiàn)場操作平臺數(shù)據(jù)采集裝置TPC組成。

圖1.1 現(xiàn)場控制實例示意圖

　　所謂的管理層，就是管理1個或多個現(xiàn)場的中心層。

　　本文所研究的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)問題，主要是現(xiàn)場層某個控制點和下一個控制點間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以及現(xiàn)場層的信息向中心管理層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

二、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境分析

1. 信息平行轉(zhuǎn)發(fā)

　　所謂平行轉(zhuǎn)發(fā)，就是同樣在管理層或者是現(xiàn)場層，層內(nèi)的控制信息需要進行數(shù)據(jù)共享，采用轉(zhuǎn)發(fā)模式。

　　信息平行轉(zhuǎn)發(fā)的特點是轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)多為現(xiàn)場總線，甚至為同一條總線。

　　如果每個現(xiàn)場有多個控制點，每個控制點和下個點都有傳承關(guān)系，那么，需要把上一個點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個點。

　　通常，我們在控制現(xiàn)場遇到的轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境包括兩種，一種是邏輯控制器，比如PLC直接中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)；另外一種是通過嵌入式觸摸屏TPC做中轉(zhuǎn)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

第一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式環(huán)境如圖2.1.1所示：

圖2.1.1 PLC直接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

　　現(xiàn)場信息是通過PLC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的。我們可以看到信息源PLC2的數(shù)據(jù)是通過S7-226XPCN轉(zhuǎn)發(fā)給TPC的。這種轉(zhuǎn)發(fā)方式連接比較簡單，但對PLC的性能要求比較高，比如在上面的PLC中，必須選用S7-200系列高端的PLC。同時，在S7-226XPCN中，需要做自由口通訊的編程，也有一定工作量和技術(shù)含量。

　　優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡潔，實時性較高，專用性強。

　　缺點：由于硬件的限制和PLC編程的限制，擴展性較差。

　　這種情況的主要工作是PLC的選型和其內(nèi)部邏輯編程。在本文中，我們不做主要討論。

　　第二種，經(jīng)過嵌入式觸摸屏TPC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，如圖2.1.2所示：

圖2.1.2 嵌入式TPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

　　如果PLC1需要PLC2的信息，可以通過控制柜上的觸摸屏進行轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式與第一種轉(zhuǎn)發(fā)情況相比，PLC可以專注于現(xiàn)場過程控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)交給TPC來完成。

 
　　這種模式，在現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中應用也很廣泛。由于TPC通訊擴展性很高，所以，轉(zhuǎn)發(fā)模式變化很多。比如，現(xiàn)場對轉(zhuǎn)發(fā)性能要求很低。那么，我們可以采用如圖2.1.3所示一個串行總線連接多臺PLC，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2.1.3 串行總線連接PLC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

　　而且，如果每個控制點距離很遠，可以借助以太網(wǎng)進行轉(zhuǎn)發(fā)，那么，可以通過這個控制點的機柜上面的觸摸屏TPC，和下一個控制點的機柜上面的觸摸屏TPC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。如圖2.1.4所示：

圖2.1.4 觸摸屏TPC之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

　　這種轉(zhuǎn)發(fā)模式，是本文討論的重點。

2. 信息上行轉(zhuǎn)發(fā)

　　由于現(xiàn)場總線所處的特殊環(huán)境及所承擔的實時控制任務(wù)是普通局域網(wǎng)和以太網(wǎng)技術(shù)難以取代的，因而現(xiàn)場總線至今依然保持著它在現(xiàn)場控制層的地位和作用，但現(xiàn)場層需要同上層與外界實現(xiàn)信息交換。

 
　　因為，在工業(yè)控制現(xiàn)場，我們一般將現(xiàn)場設(shè)備稱為下，將管理層稱為上。所謂上行轉(zhuǎn)發(fā)，就是現(xiàn)場層的信息，需要轉(zhuǎn)發(fā)給管理層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)情況。因為跨層，而且信息的來源是控制現(xiàn)場，管理層根據(jù)現(xiàn)場的情況進行監(jiān)控，所以，我們稱信息為上行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　信息上行轉(zhuǎn)發(fā)的特點是現(xiàn)場層為現(xiàn)場總線，管理層一般為以太網(wǎng)，甚至無線方式轉(zhuǎn)發(fā)。圖2.2.1是信息上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實例：

圖2.2.1 信息上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實例

　　實際上從數(shù)據(jù)角度看，信息上行轉(zhuǎn)發(fā)包括向下發(fā)送查詢/控制指令報文，同時，現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)/確認報文。也就是說，在本文我們將寄存器數(shù)據(jù)的寫操作，包括在信息上行轉(zhuǎn)發(fā)過程中了，下面不再贅述。

三、解決方案

1. 信息平行轉(zhuǎn)發(fā)解決分析

　　在工業(yè)現(xiàn)場，我們最常見的信息平行轉(zhuǎn)發(fā)是以觸摸屏人機界面為核心的多智能儀表協(xié)同工作。圖3.1.1是信息平行轉(zhuǎn)發(fā)的實例：

圖3.1.1信息平行轉(zhuǎn)發(fā)實例

　　這時，HMIBuilder提供基于現(xiàn)場總線的溫控儀表的驅(qū)動，采集現(xiàn)場溫度參數(shù)。如果工藝要求的溫度可以觸發(fā)PLC的過程控制執(zhí)行單元完成某個動作，那么，一種是這個控制邏輯可以在HMIBuilder運行的后臺邏輯中，當溫度判斷符合條件，發(fā)出控制信號給PLC的I/O執(zhí)行；另外一種是溫度信號直接轉(zhuǎn)換給PLC的某個寄存器，在PLC的運行邏輯中，判斷是否可以執(zhí)行相應的工藝動作。

　　然后，如果針對上面方案的PLC端加以延伸，那么，我們可以看到，可以通過ModbusRTU從驅(qū)動程序，將TPC2模擬出一個modicon的PLC了。TPC1會主動將信息寫給TPC2，然后，繼續(xù)下面的信息流。如圖3.1.2所示：

圖3.1.2信息平行轉(zhuǎn)發(fā)擴展實例1

　　反之，如果我們將溫控儀表端加以延伸，那么，我們看到，可以通過ModbusRTU從驅(qū)動程序，將TPC3模擬出一個Modicon的PLC了。TPC1會主動將讀取TPC3的信息，然后，繼續(xù)下面的信息流。如圖3.1.3所示：

圖3.1.3信息平行轉(zhuǎn)發(fā)擴展實例2

2. 信息上行轉(zhuǎn)發(fā)解決分析

　　Modbus/TCP協(xié)議是最為常用的一種開放的通信協(xié)議，是Modbus協(xié)議族中的一個，結(jié)構(gòu)簡單易用，廣泛的應用于各種自動化設(shè)備上。因為上層管理網(wǎng)絡(luò)常常是以太網(wǎng)絡(luò)，所以，我們可以通過Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)中心站與現(xiàn)場各種協(xié)議、各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

　　Modbus/TCP的數(shù)據(jù)通訊也是采用Master/slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應請求：Master端也可以直接發(fā)消息修改slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。

　　同時，Modbus/TCP的數(shù)據(jù)通訊可以根據(jù)需要建立1個或多個TCP連接。對于Modbus/TCP設(shè)備來說，協(xié)議規(guī)定設(shè)備的TPC端口固定為502。但是，我們轉(zhuǎn)發(fā)的時候，可以組態(tài)不同的端口，實現(xiàn)多個連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3.2.1就是Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型：

圖3.2.1 Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型[3]

　　在工業(yè)現(xiàn)場的HMI平臺，eHMIBuilder中現(xiàn)場總線與上層網(wǎng)絡(luò)的連接是通過Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，把現(xiàn)場總線網(wǎng)段或DCS連接到以太網(wǎng)上，來進行總線數(shù)據(jù)的上層轉(zhuǎn)發(fā)。

　　在基于eHMIBuilder的嵌入式觸摸屏TPC中，我們通過Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，就成功地解決了現(xiàn)場控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的問題。如圖3.2.2所示：

圖3.2.2 基于eHMIBuilder的Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型

　　在基于eHMIBuilder的Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)改進點：Modbus/TPC寫操作沒有開放。分析Modbus/TCP協(xié)議，我們知道當TCP連接通道建立后，在通道上面，TCP報文包裹的就是Modbus主從方式的協(xié)議，所以，和現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控一樣，我們通過周期循環(huán)的讀操作，可以相對實時的獲取現(xiàn)場信息，同時，主站可以觸發(fā)寫操作，控制現(xiàn)場設(shè)備的運行。這樣，如果Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的寫操作開放后，TPC就基本可以當作模擬PLC了。

3. 分布式監(jiān)控分析

　　基于HMI平臺的雙提梁機車控制和實時位姿調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通過HMITECH TPC，系統(tǒng)完成雙提梁機車GPS定位信息的互傳，并通過HMI平臺的CAN通訊端口，協(xié)調(diào)控制機車，實現(xiàn)雙提梁機的速度同步、位置同步和工作同步。如圖3.3.1所示：

圖3.3.1車載控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實例

系統(tǒng)中，我們基于ModbusRTU方式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過無線電臺傳送的總線信號通道，完成兩臺機車信息的共享，實現(xiàn)了信息的平行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　電力自動化系統(tǒng)需要進一步融合多種相關(guān)的先進技術(shù)與自動化設(shè)備，使其自動化系統(tǒng)的規(guī)模、功能、可靠性、柔軟性、靈活性、擴展性、適應性、實時性、經(jīng)濟性等諸方面不斷地完善和提高，使系統(tǒng)向下支持現(xiàn)場總線、實現(xiàn)智能傳感器、執(zhí)行器之間可靠的數(shù)字通訊，向上能與網(wǎng)絡(luò)接口，可實現(xiàn)各計算機系統(tǒng)的相連，將工廠中各分散和獨立的具有某種特定功能的自動化系統(tǒng)，通過開放化的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫一一集成起來，使之形成一個總體結(jié)構(gòu)一體化，機、電、儀設(shè)備一體化，控制、管理和決策功能一體化，能進行局部自治和整體協(xié)調(diào)，適應生產(chǎn)環(huán)境和市場變化的全廠整體優(yōu)化的綜合自動化系統(tǒng)。

　　比如，靜態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)中[2]，如圖3.3.2所示，現(xiàn)場控制層和中心管理層間，需要通訊管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。下圖的轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)將會非常大，那么，如何穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵。

圖3.3.2靜態(tài)無功補償裝置控制系統(tǒng)

四、未來展望

1. 分布式監(jiān)控

　　HMIBuilder通用版軟件因其支持分布式的操作，不存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的問題。在同為HMIBuilder的系統(tǒng)中，可以通過自身的SCADA模塊進行分布式軟總線協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)信息共享。如圖4.1.1所示：

圖4.1.1 HMIBuilder中分布式轉(zhuǎn)發(fā)模型

　　上圖中：PLC是數(shù)據(jù)源，實線表示物理連接，虛線箭頭表示數(shù)據(jù)流方向。通過上面的示意圖，可以看出每個TPC設(shè)備都包括VIEW和SCADA兩個模塊，其中SCADA模塊接收由PLC設(shè)備傳送上來的數(shù)據(jù)，并在VIEW模塊中進行顯示。因其支持分布式計算，在任意TPC上都可以查看每個PLC的信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

　　但是，目前eHMIBuilder不參與分布式計算，當需要從HMIBuilder系統(tǒng)到非HMIBuilder系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)時，其采集的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)是如何上傳給上位機？這樣，Modbus/TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)就應運而生了。

2. 嵌入式其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式

　　針對上行轉(zhuǎn)發(fā)，我們還可以通過各種不同的協(xié)議進行轉(zhuǎn)發(fā)，比如基于嵌入式OPC2.0方式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)模型如圖4.2.1所示：

圖4.2.1嵌入式OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型[3]

　　OPC是一種客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，OPC服務(wù)器負責與具體的設(shè)備進行交互，并提供給用戶一個統(tǒng)一的接口。OPC客戶則負責與不同的OPC服務(wù)器進行交互，將這些服務(wù)器上的數(shù)據(jù)提取出來。

　　HMIBuilder全面支持OPC2.0，一方面，HMIBuilder作為OPC Client，可以訪問任意OPC Server中的數(shù)據(jù)，另一方面，HMIBuilder提供一個應用軟件，來作為OPC Server，供第三方的軟件來訪問HMIBuilder中的數(shù)據(jù)。

　　今后我們的開發(fā)目標就是：讓eHMIBuilder用其它的方式也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。如支持內(nèi)嵌Webserver和嵌入式OPC來解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的問題。

　　而且，讓HMITECH TPC設(shè)備內(nèi)嵌Web服務(wù)器，也可以是一種轉(zhuǎn)發(fā)方法。

（轉(zhuǎn)載）