控制器間數據共享方案的設計與實現

臧 峰， 蔡 丹， 徐衛峰， 吳 波， 牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

控制器間數據共享方案的設計與實現

臧 峰， 蔡 丹， 徐衛峰， 吳 波， 牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

針對當前控制器之間數據共享組態復雜、通信不可靠等問題，設計了一種基于UDP協議的數據共享方案。該方案需要組態工具和控制器固件程序相配合，組態工具負責配置控制器之間數據共享的邏輯，控制器固件程序負責解析組態軟件下發的組態信息，以實現數據共享。源控制器負責采用UDP廣播的方式將共享數據發送到網絡上，接收控制器負責接收、解析數據。該方案具有組態簡單、程序可實時修改的優勢。

控制器; 數據共享; 通信; 可靠性；UDP;OPC;TCP/IP; 組態工具

0 引言

工業過程控制系統通常由工程師站、操作員站、過程控制器(或PLC)和現場生產設備所組成[1]。隨著工業自動化控制水平的不斷提高，對過程控制器間進行數據交互的需求也越來越大[2]。由于企業擴展生產線或對原有生產線進行升級改造，可能會導致一條生產線上并存西門子、ABB、施耐德和通用等多個廠家的控制系統。這種情況下，通常采用OPC集成技術，實現不同廠家控制器之間的數據共享[3]。一般過程控制器廠家都會提供本品牌控制器間數據共享的解決方案，例如西門子S7-300控制器間采用全局數據包(globaldata,GD)的方式[4]。但是這種方案存在通信速率低、組態繁瑣、限制報文長度、明文傳輸、校驗簡單、不支持冗余傳輸等問題[5]。

源控制器采用“源控制器號+組態頁號+資源號+數據類型+數據品質”的數據格式，使用高效的用戶數據報協議(userdatagramprotocol,UDP)將源數據廣播到網絡上。接收控制器監聽網絡廣播報文，將接收的廣播報文解析，并查看是否有本控制器需要的共享數據。

1 方案設計與實現

1.1 總體設計

基于目前控制器之間數據共享存在的問題，本文提出了一種基于UDP協議的數據共享方案，以實現以下目標：①組態簡單，且能實現數據在線解析；②采用較高效率的UDP協議，實現數據的快速傳輸；③保證數據傳輸的可靠性和安全性。為了便于理解，定義源控制器通過UDP廣播發送共享數據為“上網點數據”，定義接收控制器接收網絡廣播報文數據為“下網點數據”。

該方案需要組態工具和固件程序的配合，才能實現數據共享的功能。組態工具在源控制器組態中配置上網點數據，接收控制器配置下網點數據，然后把組態在線下載到控制器中。控制器實時解析配置文本，實現數據共享功能。本設計的方案原理如圖1所示。處理器采用TI公司的C674X系列雙核CPU，ARM運行Linux操作系統，并且提供TCP/IP協議棧，數字信號處理器(digitalsignalprocessor,DSP)負責算法頁面的解析和控制算法的執行。源控制器DSP把上網點數據壓入循環隊列，通過共享內存的方法把數據傳輸到ARM，然后ARM把上網點數據通過UDP廣播到以太網上。接收控制器監聽以太網數據，接收網點數據，并解析是否需要存儲這些數據。如果需要存儲，就把下網點數據壓入ARM數據共享循環隊列，通過共享內存傳輸到DSP。

圖1 方案設計原理圖

1.2 組態軟件設計

組態軟件定義組態規則并生成上網點和下網點的關系。例如：圖1中的源控制器(控制器號=1)設置上網點數據，接收控制器(控制器號=2～n)設置下網點數據。在組態中，控制器既可以作為源控制器為其他控制器提供上網點數據，又可以接收其他控制器廣播的下網點數據。

1.3 固件設計

隨著計算機技術的不斷發展，軟件開發成為一項復雜的系統工程[5]。設計復雜軟件時，使用遞歸分解技術將大業務予以分解，提高了程序可修改性以及可擴展性[6]。本文設計的控制器固件程序是一個包含各個子功能的程序集合。采用模塊化的設計思想對數據共享功能進行模塊化設計與分解，主要包括以下6大模塊。

①接收模塊，負責接收控制器監聽網絡廣播報文，將廣播在以太網上的共享內存數據保存下來，并解析是否為本控制器所需的共享數據。

②發送模塊，負責把上網點數據組包，然后進行網絡廣播。

③冗余模塊，負責把數據通過A/B雙網發送，接收控制器對A/B雙網接收到的冗余數據進行解析，并把重復報文丟棄。

④配置文件解析模塊，負責實時解析組態軟件下發的組態文本。

⑤安全模塊，負責進行數據報文的校驗、加密、糾錯等。

⑥診斷模塊，負責診斷接收到的數據品質，檢測源控制器是否掉線。

固件程序模塊如圖2所示。

圖2 固件程序模塊示意圖

根據共享數據的流向，數據共享功能模塊設計可以分為以下4部分：①源控制器DSP側設計；②源控制器ARM側設計；③接收控制器ARM側設計；④接收控制器DSP側設計。以下對這4部分設計進行介紹。

1.3.1 源控制器DSP側設計

源控制器DSP側周期性地執行算法頁面，在算法頁面開始執行時，設置一個全局變量g_AlgorithmTaskRunFlag為“1”，通知源控制器算法頁面正在執行。當算法頁面執行時，如果有上網點數據配置，就把數據壓入上網點循環隊列；當算法頁面執行完畢后，設置全局變量為“0”。源控制器DSP側上網點算法周期性檢查全局變量是否為“0”，為“0”就把上網點循環隊列中的數據取出，并通過共享內存傳輸給ARM。由于是使用循環隊列的數據結構作為上網點數據的基本結構，因此如算法頁在下一個執行周期增加或刪除了上網點數據，可以立刻通知ARM側上網點數據發生了改變。

1.3.2 源控制器ARM側設計

源控制器ARM側也使用循環隊列作為基本數據結構存儲上網點數據。當DSP側通過共享內存發送上網點數據時，需要把數據壓入循環隊列；而通過UDP廣播上網點時，需要把數據從循環隊列中取出。為了避免數據發送不完整，當通過共享內存接收從DSP側發送的上網點數據時，設置全局變量g_CpuTransOutDataProcessing為“1”，處理完成后設置為“0”。通過UDP廣播線程周期性檢查變量標志，為“0”時檢查上網點循環隊列是否有數據需要發送。如果有，則組包通過A/B網廣播發送。

1.3.3 接收控制器ARM側設計

接收控制器ARM側由于在起始時刻不知道本控制器DSP需要哪些下網點數據，所以考慮通過DSP把本控制器需要的下網點信息在算法頁面執行完畢后，形成一份鏡像數據，通過共享內存傳輸到ARM。ARM監聽到網絡廣播報文后，將網絡廣播數據與DSP傳輸的鏡像數據進行逐個比較判斷。如果是本控制器需要的數據，就保存下來，通過共享內存傳輸到DSP；如果不是，就丟棄。

1.3.4 接收控制器DSP側設計

接收控制器DSP側接收ARM通過共享內存傳輸的下網點數據。如果有接收到數據，就解析這些數據，并把輸出存儲到相應的內存地址。

2 通信分析

UDP協議是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向操作的簡單非可靠信息傳輸服務[5]。UDP協議不存在數據分包和組包的管理開銷，能夠實現數據的高效傳輸，而且通信帶寬利用率比TCP協議高[7]。考慮到控制器使用嵌入式操作系統、系統資源有限等限制，所以使用UDP協議進行數據傳輸。但是UDP協議沒有連接過程，傳輸過程不可靠，需要增加額外手段來保證數據傳輸的可靠性和安全性。本文設計的數據共享方案采用了A/B雙網冗余方案，可以大大降低丟包概率；使用CRC32算法進行發送數據校驗，保證數據的完整性和可靠性。通信可靠性方法如表1所示。

表1 通信可靠性方法

表1中，“√”代表具有此功能。

3 試驗驗證

3.1 試驗環境搭建

試驗環境如圖3所示。

圖3 試驗環境示意圖

具體配置由以下5個部分組成。

①真實控制器采用由南京南瑞繼保電氣有限公司研制的PCS-9150過程控制器，此控制器具備上述的數據共享功能。

②采用匹配的虛擬控制器軟件，此軟件運行在PC機上，具有和真實控制器相同的功能。

③組態軟件和HMI站位于同一臺PC機上，組態軟件能夠實時更新控制器中運行的算法頁，HMI站可以監視數據變化。

④所有設備都通過A/B雙網連接到2臺交換機上，實現數據的交互。

⑤組態中上網點和下網點配置如表2所示。

表2 網點配置表

3.2 測試結果分析

通過采用網絡抓包工具MMS發現，無論配置多少個上網點，控制器在廣播上網點時都是通過一幀報文上送，所以控制器配置的上網點數量不會對網絡負荷有太多影響。沒有配置上網點的控制器不會發送網絡廣播報文。主要測試結果如表3所示。

表3 主要測試結果

4 結束語

本文在分析現有控制器數據共享方案優缺點的基礎上，提出了基于UDP網絡廣播報文形式的數據共享方案。利用自主研發的組態工具和控制器固件程序的優勢，解決了目前其他品牌控制器組態復雜、可靠性低的缺點。

本文提出的控制器間共享方案中，控制器下網點數據沒有保存到存儲器中，控制器重啟會導致數據清零。如果組態邏輯中根據下網點開關量的狀態進行邏輯運算，可能會有跳變現象發生。控制器之間數據傳輸沒有加密功能，容易被非法用戶竊取。以上不足可以在后續研發中加以完善。

[1] 郝久清,肖立.PLC控制系統的可靠性設計[J].自動化儀表,2005,26(11):21-24.

[2] 程金良.不同PLC之間的通信技術實例[J].寶鋼技術,2005(S1):40-42.

[3] 曾蓉,馮繼勇,丁亮,等.國產DCS與PLC集成方案的比較及其在電廠的應用[J].自動化儀表,2009,30(12):46-48.

[4] 王長棟,左先波,胥小萍.西門子S7系列PLC的MPI網絡與全局數據通信[J].機械工人(冷加工),2000(11):29-30.

[5] 趙艷領.PLC之間非實時數據共享設計與實現[J].自動化儀表,2016,37(3):9-12.

[6] 王小峰.試論基于架構的軟件設計[J].信息系統工程,2015(3):36.

[7] 趙飛,葉震.UDP協議與TCP協議的對比分析與可靠性改進[J].計算機技術與發展,2006,16(9):219-221.

DesignandImplementationaboutDataSharingamongControllers

ZANGFeng,CAIDan,XUWeifeng,WUBo,NIUHonghai

(Nari-RelaysElectricCo.,Ltd.,Nanjing211102,China)

AdatasharingschemeusingUDPprotocolisdesigned,whichisbasedontheproblemthatthedatasharingconfigurationiscomplexandthecommunicationisnotreliable.Thisschemerequiresthecooperationofconfigurationtoolandcontrollerfirmware.Theconfigurationtoolisresponsiblefordeployingtherelationaboutdatasharinglogic,andthefirmwareprogramisresponsibleforparsingconfigurationsoftwareconfigurationinformationtorealizedatasharing.ThesourcecontrollerisresponsiblefortransmittingtheshareddatatothenetworkbyUDPusingbroadcastmode,andthereceivingcontrollerisresponsibleforreceivingandanalyzingthedata.Theschemehastheadvantagesofsimpleconfiguration,andcanbemodifiedinrealtime.

Controller;Datasharing;Communication;Reliability;UDP;OPC;TCP/IP;Configurationtool

臧峰(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統自動化產品的研發工作。E-mail:zangf@nrec.com。

TH7;TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701012

修改稿收到日期:2016-08-10