以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信
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“EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)超導(dǎo)TOKMAK裝置”是國(guó)家九五重大科學(xué)工程。極向場(chǎng)電源控制系統(tǒng)是托卡馬克主要子系統(tǒng)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(chǔ)和控制手段。對(duì)裝置運(yùn)行的性能與安全，物理實(shí)驗(yàn)的成敗與效率，有著至關(guān)重要的作用。其實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)充性要求甚高。為了滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的這種高要求，整個(gè)控制系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成：Windows 監(jiān)測(cè)層、QNX實(shí)時(shí)控制層、現(xiàn)場(chǎng)總線執(zhí)行層。
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基金項(xiàng)目：國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)“投資(1998)1303號(hào)項(xiàng)目”(子項(xiàng)目)
作者簡(jiǎn)介：蘭魯光(1980-)，男，碩士生，研究方向現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控；傅鵬，研究員、博導(dǎo)；楊亞龍，博士生；吳勇，碩士生 E-mail：[email protected]
Windows 監(jiān)測(cè)層選用Windows 2000平臺(tái)作為操作工作站，進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)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(tǒng)，擔(dān)負(fù)著電源系統(tǒng)多變量反饋電流反饋控制、系統(tǒng)連鎖控制、保護(hù)及各種運(yùn)行方式的調(diào)配。現(xiàn)場(chǎng)總線層由大量的現(xiàn)場(chǎng)總線控制器及現(xiàn)場(chǎng)總線模塊組成，負(fù)責(zé)采集大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jiān)測(cè)層，并接受QNX控制層發(fā)來(lái)的控制信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
2，現(xiàn)場(chǎng)總線層構(gòu)建
現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線就是利用當(dāng)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(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。
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(tǒng)由12套電源子系統(tǒng)組成，在空間上具有較強(qiáng)的分散性，需要發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)的控制量信號(hào)及采集的狀態(tài)有上千個(gè)，如此分散而龐大的信號(hào)量要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠的通信最好的解決方法就是采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。考慮到以太網(wǎng)技術(shù)的成熟性、開(kāi)放性及高的性價(jià)比，極向場(chǎng)電源控制系統(tǒng)使用德國(guó)WAGO公司的以太網(wǎng)總線模塊，采用Modbus Tcp/IP協(xié)議，Modbus協(xié)議是應(yīng)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(shè)備之間可以通信，它已成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。
MODBUS/TCP協(xié)議是為制造自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化獨(dú)立設(shè)計(jì)的一種開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàn)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/客戶機(jī)請(qǐng)求和響應(yīng)消息的幀格式。如圖1所示：
通訊標(biāo)識(shí)、協(xié)議標(biāo)識(shí)、單元標(biāo)識(shí)均為16進(jìn)制0x0000，這是因?yàn)榈讓拥腎P幀頭中已經(jīng)有類似的標(biāo)識(shí)符?？刂破魍ㄟ^(guò)IP幀頭已經(jīng)可以識(shí)別幀是發(fā)給誰(shuí)的了。消息長(zhǎng)度是用來(lái)描述此區(qū)域后總共還有多少個(gè)字節(jié)。功能代碼是用來(lái)描述此幀數(shù)據(jù)是干什么用的。傳輸數(shù)據(jù)是用來(lái)描述想要讀寫(xiě)的I/O通道，及所傳送的數(shù)據(jù)值。此外, 由于TCP/IP 協(xié)議以及鏈路層的求和校驗(yàn)機(jī)制可以保證數(shù)據(jù)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(yàn)。
WAGO以太網(wǎng)總線通訊時(shí)，需要在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)上疊加幾種重要的通訊協(xié)議。在ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)總線適配器還包含了幾種額外的用戶協(xié)議以用于傳輸和接收數(shù)據(jù)。其中MODBUS/TCP協(xié)議用于對(duì)模塊讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，端口號(hào)為502；Bootstrap協(xié)議用于配置總線IP地址；HTTP協(xié)議用于訪問(wèn)總線適配器中存儲(chǔ)的HTML頁(yè)面以監(jiān)控總線適配器的狀態(tài)，端口號(hào)為80。圖2所示為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)協(xié)議的疊加情況。
在WAGO以太網(wǎng)總線適配器和控制器的應(yīng)用層有Modbus協(xié)議的多種操作程序，通過(guò)這些操作程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字或模擬輸入輸出數(shù)據(jù)的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊的寫(xiě)入或讀出。在極向場(chǎng)電源控制系統(tǒng)中對(duì)WAGO總線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(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線層由多個(gè)總線控制器、大量數(shù)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(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)12套極向場(chǎng)電源裝置的控制和狀態(tài)讀取，以達(dá)到遠(yuǎn)動(dòng)和監(jiān)控的目的。通過(guò)100M以太網(wǎng)很方便的實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制器同12臺(tái)極向場(chǎng)電源子系統(tǒng)控制上位機(jī)的高速連接，僅僅需要使用普通的網(wǎng)卡、網(wǎng)線和一臺(tái)交換機(jī)，大大簡(jiǎn)化了普通現(xiàn)場(chǎng)總線接線的繁瑣，性價(jià)比也較普通現(xiàn)場(chǎng)總線有較大提高。同時(shí)，由于TCP/IP協(xié)議應(yīng)用技術(shù)的普遍，能通用于WINDOWS、UNIX、QNX等多種操作系統(tǒng)，具有良好的互操作性。
評(píng)論