雷 斌,馬殷元,蔣兆遠(yuǎn),柴 獲
(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所,甘肅 蘭州730070)
生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、企業(yè)和行業(yè)管理信息化是工業(yè)化和信息化融合的兩個(gè)切入點(diǎn)。在制造業(yè)和物流倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)的生產(chǎn)底層控制環(huán)節(jié),常使用PLC作為控制器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。在制造生產(chǎn)車(chē)間,常使用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、管理或調(diào)度[1],監(jiān)控系統(tǒng)直接管控的對(duì)象一般是PLC。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC的通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)車(chē)間管控一體化即車(chē)間級(jí)兩化融合的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
近年來(lái),車(chē)間管控一體化中越來(lái)越多地使用以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1-3]。一調(diào)查表明工業(yè)用戶(hù)中有78%的用戶(hù)在使用Ethernet TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)[10]。以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議 Ethernet/IP(Ethernet/Industrial protocol)協(xié)議是一整套基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議,Ethernet/IP是控制及信息協(xié)議CIP(control and information protocol)在以太網(wǎng)上的實(shí)現(xiàn),它將對(duì)等和企業(yè)管理連接的概念帶進(jìn)了工廠(chǎng),提供面向?qū)崟r(shí)控制、設(shè)備組態(tài)和數(shù)據(jù)采集的完整的制造業(yè)以太網(wǎng)解決方案,是一種可用于控制系統(tǒng)信息化的低成本高性能的方案[3]。兩臺(tái)設(shè)備使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,在100M的全雙工以太網(wǎng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)中,其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)更新間隔為8ms,可滿(mǎn)足大多數(shù)實(shí)時(shí)控制通信需求[4]。文獻(xiàn) [9]介紹了使用開(kāi)發(fā)的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成,但還未使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,通用性不強(qiáng)。
目前支持以太網(wǎng)環(huán)境的CIP通信軟件產(chǎn)品數(shù)量很少,大多為國(guó)外公司開(kāi)發(fā)。這些軟件基于COM技術(shù)開(kāi)發(fā),存在系統(tǒng)較龐大、跨進(jìn)程效率較低等問(wèn)題。很少有文獻(xiàn)介紹監(jiān)控系統(tǒng)中CIP通信軟件的實(shí)現(xiàn),或開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)和CIP的計(jì)算機(jī)監(jiān)控PLC通信軟件對(duì)我國(guó)企業(yè)控制信息安全和實(shí)現(xiàn)兩化融合有重要意義。
CIP是一個(gè)對(duì)等的和面向?qū)ο蟮膮f(xié)議,它提供工業(yè)裝置和高層設(shè)備之間的 “連接”,并獨(dú)立于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層[5]?!斑B接”分為I/O連接和顯式消息連接。I/O連接提供產(chǎn)生信息的應(yīng)用程序和一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)信息的應(yīng)用程序間的專(zhuān)用通信路徑,一般用于實(shí)時(shí)性要求更高的底層輸入輸出信息通信。顯式消息連接提供2個(gè)設(shè)備之間普通的、多用途通信路徑。顯式消息通過(guò)顯式消息連接傳輸。顯式消息可被用于指揮一個(gè)獨(dú)特的任務(wù)的執(zhí)行和報(bào)告任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果。顯式消息傳遞機(jī)制提供了一種手段,使得典型的面向請(qǐng)求/響應(yīng)的函數(shù)可以借助此手段來(lái)執(zhí)行[5]。由上述分析可見(jiàn),顯式消息傳遞通信方式適合用于監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC間的通信。
開(kāi)發(fā)基于以太網(wǎng)和TCP/IP的CIP通信軟件首先需要了解CIP在Ethernet/IP中的適配。為了在TCP/IP上使用CIP協(xié)議,Ethernet/IP協(xié)議在適配和數(shù)據(jù)鏈路層中的TCP/IP協(xié)議之上用封裝協(xié)議來(lái)適配CIP[6]。以太網(wǎng)幀包含封裝消息包的格式如圖1所示。超過(guò)長(zhǎng)度的封裝消息包由底層的TCP負(fù)責(zé)分割和合并。監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中一般都包含了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)操作接口函數(shù),它負(fù)責(zé)填充TCP/IP頭和尾數(shù)據(jù),CIP通信軟件需要編程填充封裝消息包的封裝頭部和其后封裝數(shù)據(jù)。
圖1 包含封裝消息包的以太網(wǎng)幀
圖2 封裝消息包結(jié)構(gòu)
封裝消息包的結(jié)構(gòu)如圖2所示,內(nèi)容依次是命令代碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、會(huì)話(huà)句柄、響應(yīng)狀態(tài)、發(fā)送端事件環(huán)境、可選項(xiàng)、封裝數(shù)據(jù)。需要注意的是其中的多字節(jié)數(shù)據(jù) (如,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)采用小權(quán)字節(jié)在后的順序格式,這種格式與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定相反。監(jiān)控系統(tǒng)通信中常用的命令代碼有“0x0065:注冊(cè)會(huì)話(huà)、0x0066:注銷(xiāo)會(huì)話(huà)、0x006F:發(fā)送請(qǐng)求/回應(yīng)數(shù)據(jù)”?!鞍l(fā)送請(qǐng)求/回應(yīng)數(shù)據(jù)”命令用于在通信的發(fā)起者和接收者之間傳輸封裝的請(qǐng)求/回應(yīng)包。本文介紹的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信軟件使用該命令讀/寫(xiě)PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)。封裝數(shù)據(jù)需遵循通用包格式CPF(common packet format)規(guī)范,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在0~65511字節(jié)范圍可變。封裝數(shù)據(jù)內(nèi)容依次為接口句柄、超時(shí)值和CPF格式數(shù)據(jù)[6]。
監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PLC和通信設(shè)備組成。為了提高可靠性和可用性,PLC和傳感器以及致動(dòng)器一般應(yīng)該設(shè)計(jì)成一個(gè)自治的控制系統(tǒng),不管監(jiān)控計(jì)算機(jī)是否可用。換句話(huà)說(shuō),PLC對(duì)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制不應(yīng)依賴(lài)于監(jiān)控計(jì)算機(jī)和通信。監(jiān)控計(jì)算機(jī)只在需要改變過(guò)程控制的設(shè)定點(diǎn)、配置新參數(shù)、發(fā)送新任務(wù)命令或獲取任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果等情況下與PLC通信。當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要向PLC發(fā)送新任務(wù)命令時(shí)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)主動(dòng)發(fā)起通信,監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)寫(xiě)PLC指定存儲(chǔ)區(qū)向PLC發(fā)送任務(wù)。當(dāng)PLC需要向監(jiān)控計(jì)算機(jī)報(bào)告任務(wù)執(zhí)行情況時(shí),似乎應(yīng)由PLC主動(dòng)發(fā)起通信。然而,為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),本系統(tǒng)PLC軟件中僅把報(bào)告數(shù)據(jù)放入指定的存儲(chǔ)區(qū),監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)讀PLC指定存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)獲得任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。PLC作為服務(wù)器,對(duì)外提供對(duì)其內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)的讀寫(xiě)服務(wù)。這樣構(gòu)成一個(gè)單向的服務(wù)器/客戶(hù)端通信模式。PLC不依賴(lài)于監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),就可實(shí)現(xiàn)互發(fā)信息功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)開(kāi)辟2塊數(shù)據(jù)區(qū)“窗口”,作為通信數(shù)據(jù)區(qū)。一塊數(shù)據(jù)區(qū)用于監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送指令即PC寫(xiě)區(qū),專(zhuān)門(mén)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)寫(xiě)入發(fā)給PLC的指令。另一塊用于PLC報(bào)告狀態(tài)即PLC寫(xiě)區(qū),由PLC寫(xiě)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)讀。同時(shí)在通信數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置一些標(biāo)志位以便于同步和應(yīng)答,如發(fā)指令請(qǐng)求標(biāo)志、發(fā)報(bào)告請(qǐng)求標(biāo)志[7]。
上述內(nèi)容構(gòu)成了用戶(hù)層通信協(xié)議。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC的通信軟件首先需要根據(jù)CIP通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě),然后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)用戶(hù)層應(yīng)答協(xié)議。
監(jiān)控通信軟件在Microsoft Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),監(jiān)控對(duì)象PLC為L(zhǎng)ogix5000系列。根據(jù)上文的分析,通信軟件按層次劃分為2層,底層為基于以太網(wǎng)的CIP通信類(lèi),高層為基于CIP通信類(lèi)的監(jiān)控通信類(lèi)。監(jiān)控通信類(lèi)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)層通信應(yīng)答協(xié)議,為應(yīng)用軟件對(duì)象提供通信服務(wù)。圖3為CIP通信類(lèi)圖,圖4為監(jiān)控通信類(lèi)圖。
CIP通信類(lèi)基于TCP/IP實(shí)現(xiàn)封裝協(xié)議和CIP協(xié)議。底層開(kāi)發(fā)首先需要選擇TCP/IP協(xié)議棧。文獻(xiàn) [8]詳細(xì)說(shuō)明了對(duì)TCP/IP棧的要求,Microsoft Visual Studio 2005提供的協(xié)議棧符合要求。Microsoft Visual Studio 2005中對(duì)協(xié)議棧進(jìn)一步做了面向?qū)ο蟮姆庋b,提供了協(xié)議棧的多種使用模式。在C#語(yǔ)言的System.Net.Sockets命名空間中提供的Socket、TcpClient、TcpListener等類(lèi)均實(shí)現(xiàn)了TCP/IP底層通信協(xié)議。在監(jiān)控系統(tǒng)與PLC的通信中,監(jiān)控計(jì)算機(jī)為通信主動(dòng)發(fā)起者,PLC提供數(shù)據(jù)服務(wù),因而使用Tcp-Client類(lèi)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)較其它類(lèi)最簡(jiǎn)單方便。如前所述,監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)PLC發(fā)送命令或讀取報(bào)告使用CIP顯式消息傳輸,這要求上層的讀寫(xiě)操作都首先從調(diào)用底層TcpClient對(duì)象的 “寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)”操作開(kāi)始發(fā)起通信。盡管以太網(wǎng)操作是全雙工的,但封裝協(xié)議中的 “發(fā)送請(qǐng)求/回應(yīng)數(shù)據(jù)”命令要求通信發(fā)起者遵循 “請(qǐng)求/回應(yīng)”的周期順序,而不可以按照“請(qǐng)求/請(qǐng)求/回應(yīng)/回應(yīng)”的順序操作。為了避免多線(xiàn)程監(jiān)控軟件中可能引發(fā)的錯(cuò)誤順序操作,在一個(gè)CIP通信對(duì)象的讀寫(xiě)函數(shù)設(shè)計(jì)中使用了互鎖機(jī)制,即在讀寫(xiě)函數(shù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)操作的臨界代碼段前鎖定網(wǎng)絡(luò)操作權(quán),操作完成后釋放網(wǎng)絡(luò)操作權(quán)。不同的CIP通信對(duì)象之間因?yàn)門(mén)cpClient本地端口和封裝協(xié)議的會(huì)話(huà)句柄不相同,不存在網(wǎng)絡(luò)資源共享和競(jìng)爭(zhēng)。
對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)之前需要發(fā)送注冊(cè)會(huì)話(huà)命令,獲得PLC回應(yīng)的會(huì)話(huà)句柄,此后可在讀寫(xiě)PLC數(shù)據(jù)命令中多次使用此句柄。當(dāng)結(jié)束對(duì)PLC的數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作后需要發(fā)送注銷(xiāo)會(huì)話(huà)命令,當(dāng)TCP連接斷開(kāi)時(shí),PLC也會(huì)自動(dòng)廢棄此連接上的句柄。
在封裝數(shù)據(jù)的通用包格式數(shù)據(jù)中需要填充16字節(jié)包裝命令特定數(shù)據(jù) (command specific data)頭部。數(shù)據(jù)具體依次是接口句柄 (CIP通信時(shí)取00 00 00 00H)、超時(shí)值 (00 00H)、包含項(xiàng)數(shù) (02 00H)、地址項(xiàng)標(biāo)識(shí) (00 00H)、地址項(xiàng)數(shù)據(jù) (00 00H)、數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)示 (B20 00H)、數(shù)據(jù)項(xiàng)長(zhǎng)度(2字節(jié))。其后為6字節(jié)CIP數(shù)據(jù)頭部和4字節(jié)服務(wù)。通信軟件使用CIP讀數(shù)據(jù)服務(wù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)服務(wù)以及多請(qǐng)求服務(wù)。具體數(shù)據(jù)填充順序和格式詳見(jiàn)文獻(xiàn) [12]。
由于每次網(wǎng)絡(luò)操作涉及的底層傳輸、打包、解包等,這些操作會(huì)消耗額外時(shí)間,且網(wǎng)絡(luò)操作相對(duì)時(shí)間較長(zhǎng)。為此CIP通信類(lèi)設(shè)計(jì)提供了讀/寫(xiě)多變量函數(shù),以減少網(wǎng)絡(luò)操作次數(shù)。讀/寫(xiě)多變量函數(shù)通過(guò)一次網(wǎng)絡(luò)操作可讀取或?qū)懭?~6個(gè)PLC內(nèi)存變量 (數(shù)組按一個(gè)變量對(duì)待),提高了通信效率。讀寫(xiě)多變量函數(shù)使用CIP多請(qǐng)求服務(wù) (Multi-Request Service)包實(shí)現(xiàn)。
監(jiān)控通信對(duì)象包含一個(gè)CIP通信對(duì)象。為了防止監(jiān)控通信對(duì)象發(fā)給PLC的多個(gè)命令發(fā)生重疊,造成命令丟失,在PLC內(nèi)存中定義了命令緩沖區(qū)標(biāo)志來(lái)說(shuō)明命令緩沖區(qū)的狀態(tài)。PLC取走命令后復(fù)位相應(yīng)命令緩沖區(qū)標(biāo)志,指示通信對(duì)象可以寫(xiě)入下一條命令。通信對(duì)象寫(xiě)入新命令后置位命令緩沖區(qū)標(biāo)志。具體流程如圖5所示。監(jiān)控通信對(duì)象處理PLC發(fā)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)的報(bào)告時(shí)也使用緩沖區(qū)標(biāo)志來(lái)做同步應(yīng)答。需要說(shuō)明的是,PLC向監(jiān)控通信對(duì)象發(fā)送報(bào)告操作實(shí)際上只是把報(bào)告內(nèi)容寫(xiě)入PLC內(nèi)存中的報(bào)告緩沖區(qū),并置位報(bào)告緩沖區(qū)標(biāo)志。監(jiān)控通信對(duì)象處理報(bào)告流程如圖6所示。上述用戶(hù)層應(yīng)答協(xié)議也可在一定程度上避免非法的操作,從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性。
圖5 發(fā)送監(jiān)控命令流程
圖6 讀取PLC報(bào)告流程
由于PLC發(fā)送報(bào)告的時(shí)間具有隨機(jī)性,監(jiān)控軟件反復(fù)查詢(xún)PLC報(bào)告不是一個(gè)高效率的方法。本系統(tǒng)采用的方法是,監(jiān)控通信對(duì)象讀到有效報(bào)告后使用事件處理機(jī)制主動(dòng)把PLC報(bào)告發(fā)給監(jiān)控軟件。監(jiān)控通信對(duì)象設(shè)計(jì)采用了觀(guān)察者設(shè)計(jì)模式,定義并開(kāi)放了一個(gè)事件。通信軟件自動(dòng) “拉入”P(pán)LC報(bào)告,然后主動(dòng) “推”給觀(guān)察者——監(jiān)控軟件。為避免單個(gè)通信緩沖區(qū)的通信瓶頸,把命令緩沖區(qū)和報(bào)告緩沖區(qū)分別擴(kuò)展為4個(gè)數(shù)組,設(shè)計(jì)的緩沖區(qū)標(biāo)志為2個(gè)4元素的數(shù)組。同時(shí),為了減少網(wǎng)絡(luò)操作次數(shù),圖5和圖6中的“通信對(duì)象讀PLC報(bào)告緩沖區(qū)標(biāo)志”和 “通信對(duì)象讀PLC命令緩沖區(qū)標(biāo)志”2個(gè)模塊的讀PLC操作是在一次通信中完成的,編程使用了CIP通信對(duì)象的 “讀多變量函數(shù)”。
試驗(yàn)環(huán)境中使用了商用8口10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)交換機(jī) (交換式集線(xiàn)器),運(yùn)行通信軟件的監(jiān)控計(jì)算機(jī)配置Pentium 4 3.0GHz雙核CPU和1GB內(nèi)存,通過(guò)100Mbps網(wǎng)卡 與 交 換 機(jī) 連 接。PLC 型 號(hào) 為1756-L62Control-Logix5562Controller 并 配 型 號(hào) 為 1756-ENBT/A 10/100Mbps網(wǎng)卡,該網(wǎng)卡與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接在同一個(gè)交換機(jī)上,交換機(jī)上不連接其它設(shè)備。
測(cè)試軟件中采用本文開(kāi)發(fā)的通信軟件,每隔2s連續(xù)100次使用CIP多請(qǐng)求服務(wù)讀取PLC中的6個(gè)整數(shù)型數(shù)組(共420字節(jié)),連續(xù)測(cè)試1小時(shí),共測(cè)得1800組數(shù)據(jù)。使用Ethereal監(jiān)測(cè)捕獲的發(fā)出的包大小為256字節(jié),收到的包大小為586字節(jié)。讀取操作全部成功。沒(méi)讀取100次,進(jìn)行1次注冊(cè)會(huì)話(huà)和注銷(xiāo)會(huì)話(huà)操作。測(cè)得的連續(xù)讀100次的總時(shí)間在1562~1609ms之間單次讀取時(shí)間最短15ms,最長(zhǎng)31ms。讀取最長(zhǎng)時(shí)間 (31ms)發(fā)生在注冊(cè)會(huì)話(huà)后的第一次讀取。第二次及以后的讀取時(shí)間在15ms~16ms之間。
通過(guò)本機(jī)OPC Server,采用同步讀取設(shè)備方式,讀100次總讀取時(shí)間在4968ms~5500ms之間。通過(guò)本機(jī)OPC Server,采用同步讀取緩存方式,讀100次總讀取時(shí)間在3421ms~3593ms之間。在上述測(cè)試情況下,本文開(kāi)發(fā)的通信軟件在通信速度方面有明顯優(yōu)勢(shì)。原因在于,OPC Server增加了數(shù)據(jù)交換的中間環(huán)節(jié),從而加長(zhǎng)了通信延遲。也說(shuō)明,在單客戶(hù)端情況下OPC通信不具有速度優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[11]的測(cè)試結(jié)果是OPC通信方式數(shù)據(jù)更新間隔大于25ms,本文測(cè)試條件下OPC通信周期在35ms左右,本文開(kāi)發(fā)的通信軟件通信周期在16ms左右,可用于中等實(shí)時(shí)要求的系統(tǒng)中。本文開(kāi)發(fā)的通信軟件不支持多客戶(hù)端通信方式。相對(duì)OPC Server通信方式而言,本通信軟件是一種輕量級(jí)實(shí)現(xiàn)。測(cè)得的單次讀取通信延遲時(shí)間為16ms左右,該延遲時(shí)間包含了收、發(fā)2個(gè)環(huán)節(jié),與文獻(xiàn) [4]測(cè)得的8ms時(shí)延是相符的。
從Windows任務(wù)管理器看,集成監(jiān)控通信軟件的測(cè)試軟件運(yùn)行中占用內(nèi)存9768K左右,測(cè)試用的OPC Server軟件占用內(nèi)存18692K左右。
應(yīng)用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通信軟件。CIP通信底層采用加鎖設(shè)計(jì),保證了多線(xiàn)程環(huán)境應(yīng)用安全。通信軟件采用分層設(shè)計(jì),具有低耦合、可重用優(yōu)點(diǎn)。該通信軟件已在某大型機(jī)場(chǎng)貨運(yùn)中心多工位多路徑貨物處理線(xiàn)和某自動(dòng)化流水線(xiàn)的2個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用,滿(mǎn)足了監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性要求。替代了國(guó)外公司產(chǎn)品。
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