Powerlink在熱網監控系統中的應用設計

李 琦 卓 杰

（內蒙古科技大信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

Powerlink在熱網監控系統中的應用設計

李 琦 卓 杰

（內蒙古科技大信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

針對熱網遠程監控系統的應用需求，對Powerlink實時工業以太網的特點及其應用于熱網遠程監控系統的可行性和優點進行了研究。在分析熱網監控系統網絡拓撲結構和通信特點的基礎上，提出了包含一個主節點和若干個從節點的Powerlink熱網遠程監控系統的架構，討論了控制系統的硬件設計，以及運用FreeRTOS嵌入式實時操作系統的應用軟件設計。通過在一個原型系統上的實驗，驗證了設計的可行性，滿足熱網遠程監控系統的性能要求。

嵌入式系統 Powerlink 工業以太網 FreeRTOS 熱網監控系統

0 引言

由于集中供熱方式“高效、節能”，其已經成為我國北方地區的主流供熱方式。近年來，隨著計算機技術和網絡通信技術的發展，熱網遠程監控系統得到了普遍的應用［1］。熱網遠程監控系統一般由一個監控中心和若干個熱力站組成。在目前的主流系統中，熱力站內部一般采用現場總線方式通信，監控中心通過GPRS網絡與熱力站通信，實現遠程的數據采集與控制。

隨著以太網技術的飛速發展，其已經成為通信領域的主導技術。現場總線的通信速率比以太網低很多，把以太網作為工業控制的解決方案并逐漸取代現場總線技術是未來工業控制的發展方向。另外，以太網有著“一網到底”的優勢［2］，便于與上層系統的集成。Powerlink協議具有較好的實時性、便于開發移植等特點，在工業控制領域有著比較廣泛的應用前景。2012年3月，Powerlink協議被國家標準化管理委員會批準為首個中國國家推薦性標準。

目前，國內外學者對Powerlink協議的研究大多集中于其在運動控制領域的工程應用，而對基于Powerlink的熱網遠程監控系統的研究與應用相對較少［2－3］。本文對已有的熱網遠程監控系統進行擴展改造，深入研究Powerlink協議并將其應用于熱網監控設備上。

1 熱網遠程監控系統通信方式概述

熱網監控系統由監控管理中心和若干個監測站組成，如圖1所示。

圖1 熱網監控系統Fig.1 The heating network monitoring system

熱網監控系統分為三部分：①監控中心；②數據傳輸模塊；③現場數據采集模塊。熱網遠程監控系統是利用計算機和監控設備進行組網，達到對熱力站的實時監測和控制的系統，將各個熱力站所采集的數據反饋到控制中心，并通過上位機下達控制命令對現場控制器進行調整。

每個監控單元節點由A/D采集模塊、I/O控制模塊以及GPRS通信模塊組成。在傳統的通信方式下，它們之間采用背板總線或RS-485方式通信，監控單元和監控中心通過 GPRS/ADSL網絡實現遠程通信。RS-485等現場總線的通信方式速率較低，在對實時性要求高的場合難以勝任，而且異構網絡的存在需要通過網關等實現異構系統的通信。隨著以太網技術的快速發展，工業生產中對傳感器數據采集與執行機構的控制設備正被以太網所覆蓋，嵌入式以太網終端是嵌入式設備網絡化的發展方向。

2 工業以太網和Powerlink簡介

2.1 幾種主流工業以太網技術的比較

在工業控制領域，實時以太網技術被認為是控制系統網絡的最好解決方案［5］。比較成熟的實時以太網協議標準有：Powerlink、EtherNet/IP、Modbus TCP、ProfinetRT、EtherCat、Mechatrolink等。這些協議從性能上可分為兩類：高實時總線和低實時總線。

高實 時 性的總線 包 括 Powerlink、EtherCat、Mechatrolink。其中Powerlink實際的實時性能最高為100μs的循環周期，EtherCat實際的實時性能最高為250μs的循環周期。在這三種總線中 EtherCat和Mechatrolink需要用專用的ASIC才能實現。EtherCat和Mechatrolink協議在設計的過程中只是實現了DDL層和PHY層，對于應用層則沒有涉及。因此，用戶在擁有了ASIC之后需要自己編寫應用層代碼，而且不同的設備之間不能互相通信。

低實時性的總線包括EtherNet/IP、Modbus TCP、Profinet RT。這三種總線可以用普通的以太網實現，但是他們基本上是對TCP/IP協議的修改或補充，沒有從根本上解決通信實時性的需求。

與其他工業以太網技術標準相比，Powerlink具有明顯優勢。它是在普通以太網上實現的方案，無需ASIC芯片，用戶可以在各種平臺上實現Powerlink，如FPGA、ARM、x86等。有以太網的地方，就可以實現Powerlink。在工業以太網的應用中，有很多對系統的實時性要求非常高，例如伺服控制系統的應用要求通信高動態同步，同時還有對系統刷新要求不是很高的數據實時采集與測量，一般要求在5～10 ms的刷新時間。將Powerlink協議應用于熱網控制器上，不僅能顯著提升控制器的性能，而且可以降低開發成本，具有十分重要的意義。

2.2 Powerlink協議的工作原理

Powerlink基于IEEE 802.3u快速以太網，是工業實時以太網協議的一種。它主要是對普通以太網的數據鏈路層進行修改，使數據的傳輸有了確定性的保證，而且適用于任何標準以太網芯片［3］。普通的以太網在通信的過程中采用CSMA/CD作為其介質訪問方式，數據通信的確定性無法保證，因而無法在工業控制中得到廣泛的使用。

PowerLink運用時間槽通信網絡管理機制（slot communication network management，SCNM）［4］來避免通信過程中可能產生的數據碰撞。時間槽管理機制（SCNM）如圖2所示。

圖2 時間槽管理機制原理Fig.2 Principle of slot communication network management（SCNM）

在Powerlink控制系統網絡中有且只有一個節點單元作為管理節點，用MN表示，其他節點作為控制節點，用CN表示。管理節點是整個系統的控制中樞，支配著其他若干控制節點的運行，管理著控制節點的數據傳輸。

時間槽通信周期包括起始階段、同步階段、異步階段和空閑階段四個階段。這四個階段的通信時間由管理節點在系統動作的初始階段預先設定。管理節點負責監督管理各階段循環時間，以防止不同階段的通信發生沖突。

①起始階段，MN發送SOC幀，其他CN將接收到此幀的時間作為本節點的同步節拍，就此同步。

②同步階段，所有節點進行同步信息交換。MN以輪詢方式依次向各個CN節點發送PollReq（PollRequest）幀，CN節點響應廣播PollRes（PollResponse）幀，其他所有節點都可以接收此幀。所有激活的CN都輪詢完畢后，MN發送輪詢結束（end of cyclic，EOC）幀，結束同步階段。

③異步階段，主要傳輸的是非實時數據，節點間交換非實時信息。MN發送異步啟動（start of asynchronous， SOA）幀。SOA幀用來標記沒有被激活的幀，若某CN有響應，此響應的標記為激活CN。

④空閑階段是異步階段結束和下一循環開始之間的時間間隔。

2.3 Powerlink應用優勢

Powerlink的以上特點使其在熱網遠程監控系統中有很好的應用優勢，具體如下。

①通信時間的確定性

Powerlink采用時間槽管理機制，各節點在統一的時鐘信號指導下，在固定的時間槽內實現數據的收發，確保了在特定的時間段只有一個控制節點收發數據，真正實現了確定性實時通信。

②應用層采用CANopen協議

熱網監控系統中各傳感器、控制設備之間需要傳輸的數據比較龐大，此外現場采集模塊之間也要進行大量的信息交互傳輸。因此，Powerlink在應用層采用CANopen，并定義了對象詞典，使得不同的設備之間可以無障礙通信。

③交叉通信

在沒有管理節點的支配前提下，各個從節點之間進行數據傳輸。由于從節點在發送數據的時候都是以廣播的形式向各個站點發送，因此在一個通信周期內所有節點都可以收到此從節點發送的數據。

3 基于Powerlink的熱網遠程監控系統

3.1 系統網絡架構

基于Powerlink實時工業以太網協議的熱網監控網絡的搭建，選用以太網HUB同時配合路由器將整個系統接入互聯網。網絡架構如圖3所示。

圖3 系統網絡架構Fig.3 Architecture of the system network

根據控制節點的功能不同，將其分為三個類型，即開關量、A/D采集量、控制器設備。管理節點通過以太網HUB與控制節點相連。不同Powerlink控制單元通過路由器連接到互聯網上或者工業底層網絡。

3.2 控制器硬件設計

控制器的硬件設計主要是在實驗室已有的熱網監控模塊基礎上整合其他通信接口擴展網絡接口。考慮系統要有較好的動態響應和較好的靜態穩定精度控制要求，采用ARM（STM32F407ZGT6）與DP83848CVV完成控制器主要硬件部分的設計開發。

圖4 控制器硬件框圖Fig.4 Block diagram of the controller hardware

控制器硬件框圖如圖4所示。控制器的硬件設計是根據“一網到底”這一基本原則，整個控制器平臺和外界的通信僅通過10 M/100M網口實現。控制器以STM32F407ZGT6單片機最小系統為核心部件，包括板載的按鍵、LCD、4路開關量輸入、4路開關量輸出、4路模擬量輸入、2路模擬量輸出、JTAG調試接口。4路模擬量輸入作為溫度、壓力采集的輸入端口，8路開關量輸入輸出作為I/O設備組控制信號的通信端口。Powerlink是基于標準以太網硬件平臺的工業實時以太網協議，所以能實現以太網的平臺，一般都能實現Powerlink。本設計的應用背景是熱網監控系統，對系統通信的速率要求低于伺服驅動系統，控制器硬件平臺的設計考慮的是數據傳輸的確定性。

設計中采用的STM32F407ZGT6是意法半導體推出的一款高性能32位微控制器，基于ARM Cortex-M4內核。STM32F407GT6內部集成有高性能以太網MAC，需要兼容網卡接口芯片如DP83848CVV才可以完成以太網應用。高性能的DP8384CVV芯片作為10M/100M以太網PHY，完全符合Powerlink對于硬件平臺的要求。采用RMII接口與STM32F407完成數據交換。

3.3 軟件設計

應用軟件在MDK環境下開發。Powerlink協議棧是開源的，底層的通信不需要做修改［7］。軟件移植包括FreeRTOS的移植、Powerlink移植、應用程序的移植。軟件架構如圖5所示。

圖5 軟件架構Fig.5 Software architecture

從下至上，軟件設計采用模塊化設計，上位機程序與其他模塊通過隊列進行通信。在Powerlink協議棧移植的過程中，需要修改的源碼有如下幾個：Ethernet Driver（Edrv*.c）、Virtual Ethernet Driver（Virtual Ethernet*.c）、Timermodules（EplTimeru*.c，EplTimerHighResk*.c）、Communication Abstraction Layer、EPL APILayer（EplApi*.c）。另外，對象字典在Powerlink協議中是很重要的部分而且是和應用緊密相關的，當用戶在其產品中實現Powelink時，只需要修改源碼中的對象字典。Powerlink協議會根據配置信息，將對象字典中一些對象的值打成數據包發送出去，同時根據配置信息，將收到的一些數據存入對象字典中相應的對象。

在Powerlink應用中，采用FreeRTOS輕量級實時操作系統進行任務調度。以PC機作為管理節點（MN），兩個控制器作為控制節點（CN）實現Powerlink。MN、CN的啟動程序大部分是相同的，只有節點ID和配置的發送數據不同。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flowchart

4 Powerlink控制器系統調試

系統的調試分為控制器軟硬件調試和Powerlink協議棧通信測試等。硬件調試，主要是驗證硬件電路與設計電路的一致性；軟件方面，主要是驗證被控對象的動作是否正常。當從站有按鍵動作，主站用戶任務調用EplApiReadLocalObject（）讀取從站的按鍵值，從站openPowerlink協議棧任務運行LED燈點亮，同時主站控制另一個從站的LCD顯示Powerlink通信成功字樣。

對于控制系統通信過程的診斷、數據捕捉，系統通過Wireshark來實現。Wireshark可以診斷以太網協議，Powerlink是基于普通以太網的，因此也可以使用該工具進行診斷，并獲取網絡上的Powerlink數據包。Wireshark捕捉系統的通信周期波動區間為1～4 ms，抖動約為25μs，屬于毫秒級，滿足大多數工業現場的實時要求。

5 結束語

本方案通過設計Powerlink通用工業控制器，并且經過軟件、硬件測試符合熱網監控系統的現場要求，整合了工業控制器中傳統的通信方式，真正實現了“一網到底”的設計理念，實現了ARM嵌入式控制器通過工業以太網與計算機組網。將控制系統應用于熱網監控系統中，可以實現對現場環境數據的實時監測與控制。

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Application Design of the Heating Network Monitoring System Based on Powerlink

In accordance with the demand for the application of remote heating network monitoring system，the features of the real time industrial Ethernet Powerlink and the feasibility and advantages of using it in heating network remotemonitoring system are researched.On the basis of analysing the topological structure of such monitoring system and the communication characteristics，the architecture of the Powerlink heat network remotemonitoring system composed of amaster node and several slave nodes is proposed，and the design of hardware of control system，and application software using FreeRTOS embedded real time operating system is discussed.Through experiments on a prototype system，the feasibility of the design is verified；it is able tomeet the requirements of performance for heating network remotemonitoring system.Keywords：Embedded system Powerlink Industrial Ethernet FreeRTOS Heating network monitoring system

TP29

A

內蒙古自然科學基金資助項目（編號：2012MS0910）。

修改稿收到日期：2013－09－25。

李琦（1973－），男，2002年畢業于同濟大學系統工程專業，獲碩士學位，副教授；主要研究方向為智能優化控制和工業遠程控制等。