一種基于單對線以太IP協議棧的智能儀表的設計與實現

李方健,李廣鵬,魏毅,溫宜明

(1. 機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所,北京 100055;2. 華為數字技術有限公司,北京 100095;3. 寰球工程有限公司 北京分公司,北京 100012;4. 康吉森自動化科技有限公司,浙江 杭州 310012)

從20世紀80年代開始,在國內外自動化領域,特別是在流程工業領域基于數字化技術和現場總線的儀器儀表逐漸開始普及。相比傳統儀表,基于數字化技術和現場總線技術的儀表具有更強大的信息交互能力,在通信、診斷、管理等功能方面比模擬儀表有較大的提升。目前使用較為廣泛的技術為基金會現場總線(FF)、Profibus PA、HART等[1]。用于流程工業的這幾種現場總線技術的通信速率較低,主要完成周期性測量控制功能和有限管理功能。隨著智能工廠的發展,總線型儀表也逐漸顯現出通信速率慢、可靠性不強和安裝維護復雜的缺點。隨著單對線以太網(SPE)通信技術的發展,技術上逐漸具備了將已經在信息技術領域廣泛應用的IP技術引入儀表的前提條件。儀表的以太IP化將大幅提高儀表數據傳輸速率和可靠性,完成運營技術(OT)與IT的信息融通,實現“IP一網到底”。

本文面向流程工業,特別是以石化行業為背景,以儀器儀表面臨的問題和智能工廠新需求為導向,提出一種以太IP化儀表的體系架構。本文研究了以太IP化儀表架構、資源受限條件下儀表通信卡的硬件設計方案和軟件框架,并搭建了測試驗證系統。該系統驗證了以太IP化儀表的可行性與先進性,推動傳統儀表向網絡化、智能化的方向發展,將滿足流程工業智能工廠的使用需求。

1 以太IP化儀表架構設計

該架構主要具有單對線以太網、物聯IP協議棧、Modbus TCP/OPC UA等通信功能。壓力變送器樣機基于傳統壓力變送器,通過增加具有單對線以太網接口和IP協議棧的通信卡,實現傳統壓力變送器的以太IP化數據傳輸能力。以太IP化壓力變送器樣機通信卡主要功能見表1所列,硬件架構如圖1所示。

圖1 以太IP化壓力變送器樣機硬件架構示意

表1 以太IP化壓力變送器樣機通信卡功能設計

圖1中,傳感器模塊由電容式傳感器和電容信號處理模組構成,實現壓力的測量并通過模擬量輸出。AD轉換及處理卡負責本地傳感器測量信號轉換,以及與IP化通信卡的數據交換。AD轉換模塊所采集到的壓力信號,在MCU內部進行進一步的處理,同時該卡還實現了本地的LCD液晶顯示,按鍵修改組態等功能。IP化通信卡負責實現SPE接口、物聯IP協議棧、Modbus TCP從站、OPC UA服務器等功能,并將信息傳輸到網絡接口。上位機監控系統可以通過網絡遠程獲取壓力變送器的過程數據和管理配置參數。

本文研究內容聚焦在IP化通信卡的架構設計、實現與驗證,通信卡架構主要由4層構成,分別是硬件層、操作系統層、網絡層和應用層。IP化通信卡架構如圖2所示。

圖2 IP化通信卡架構示意

2 硬件設計與實現

2.1 硬件設計

IP通信卡硬件層主要由MCU和單對線以太網PHY芯片構成,資源可以滿足OPC UA和Modbus TCP協議通信的需求。其中,PHY芯片符合IEEE std 802.3cg: 2019,該標準用于10 Mibit/s的通信以及通過一對平衡導體進行的功率傳輸。該標準規定,單對對絞銅線線芯電纜可同時支持數據通信和供電,因此硬件設計采用該標準可節省大量成本。

該硬件設計方案是為流程工業現場儀表傳輸場景而量身定制的,為流程工業儀器儀表IP化提供了必要的基礎。SPE是工業數據傳輸的大趨勢之一,它的目的不僅是定義新的更高的傳輸速率或更長的距離,也是為了形成標準化框架,以減少布線工作量。

SPE相關標準大致分為三類[4]: IEEE std 802.3 cg: 2019, IEEE std 802.3 bw: 2015 IEEEStandardforEthernetamendment1:physicallayerspecificationsandmanagementparametersfor100 Mb/soperationoverasinglebalancedtwisedpaircable(100 BASE-T1)[5], IEEE std 802.3 bp: 2016 IEEEStandardforEthernetamendment4:physicallayerspecificationsandmanagementparametersfor1 Gb/soperationoverasingletwisted-paircoppercable[6]。

在上述SPE標準基礎上,在流程工業用戶的推動下,工業自動化相關標準化組織和大型公司聯合研發和推出了以太網APL技術。APL是加固的、二線制、回路供電的以太網物理層,采用IEEE std 802.3cg協議10BASE-T1L[7]。運用APL技術,現場儀表設備可以直接與以太網相連。APL技術的出現,為流程工業數字化轉型提供了新動力。

2.2 硬件實現

IP化通信卡處理器采用的STM32F429芯片配有以太網MAC接口,連接外部PHY芯片即可進行網絡通信。PHY芯片功耗低、體積小、速度快,支持RMII接口與MAC接口連接。MCU通過RMII接口與外部PHY芯片連接[8]。

該樣機所使用的PHY芯片未提供對應的輕量級操作系統的驅動程序,因此需要將Linux版本的驅動程序移植到目標操作系統中。輕量級操作系統中driver目錄下主要的驅動程序源碼為driver.c和driver.h。它們本身不提供具體硬件的驅動方法,只是一種通過標準的函數指針接口來調用具體硬件驅動函數的軟件框架,是驅動管理者,不是驅動本身,不管理具體硬件。與大多數驅動管理方式類似,driver框架通過定義一個包含管理、注冊、尋找等元素的結構體los_driv_op_t,實現對硬件驅動的管理。driver管理驅動映射關系如圖3所示。

圖3 driver管理驅動映射關系示意

硬件PHY芯片驅動的實現程序主要包括的函數有: 驅動啟動函數、芯片打開函數、芯片關閉函數、讀數據函數、寫數據函數等,通過以上函數可實現對目標SPE芯片的寄存器操作,通過寄存器操作可實現與目標芯片的數據交換。

3 軟件設計與實現

3.1 軟件設計

IP化通信卡的操作系統層采用輕量級實時操作系統,實現上層應用與硬件的解耦,不僅能大幅降低設備布置及維護成本,還能縮短開發周期。該操作系統包括內核和開發工具包兩部分。其中,內核是操作系統基礎核心部件,包括任務管理、內存管理、時間管理、通信機制、中斷管理、隊列管理、事件管理和定時器等基礎組件,內核可以單獨運行。內核容量非常小,基礎內核容量可以裁剪至不到10 KiB,具有高實時性、高穩定性、低功耗等特點,并且支持靜態裁剪功能。而開發工具包包括端云互通組件、FOTA、JS引擎、傳感器框架等內容[9]。

IP化通信卡軟件包括主程序和中斷程序。主程序符合OPC UA及Modbus TCP規范,負責與客戶端通信實現數據交互,用戶可監控和配置儀表。主程序主要由任務分配引擎、硬件驅動程序、Modbus TCP Slave程序、OPC UA Server程序等組成。任務分配引擎以10 ms的定時器中斷為時間基準,進行任務的執行分配,然后將對應數據綜合處理后,將數據映射到工業通信協議中。通過實現物聯IP協議棧及相關網絡驅動,實現網絡通信功能,通過OPC UA協議棧實現OPC UA服務器功能,支持安全機制、服務發現、數據屬性讀寫、數據監視、瀏覽等功能,同時依據相關建模理論,建立適用于流程工業的壓力變送器信息模型并映射到地址空間。中斷程序實現與模數轉換卡的通信。軟件運行流程如圖4所示[10]。

圖4 軟件運行流程示意

3.2 軟件實現

客戶機與服務器間的完整Modbus通信過程[11]如圖5所示。客戶機首先與服務器建立連接,之后向服務器發送3個Modbus讀數據請求,各請求可以并發發出而不需要等待響應后順序執行。在收到所有的響應后,客戶機可以正常地關閉連接,也可以維持長連接,等待若干時間后直接開始下一周期的Modbus數據請求。考慮到IP化儀表數據更新的實時性,服務器在收到數據后在毫秒級內應答客戶端數據請求。

4 系統驗證內容

測試驗證環節主要是實現對新型IP化壓力變送器樣機的功能驗證,在工業生產環境中,儀器儀表不能獨立成系統,需要與工業控制器配合才能實現完整的功能。測試裝置參考了文獻[12]提出的SPE IP儀表控制系統架構,集成測試驗證系統以DCS作為核心控制器,采用儀表管理軟件對工業儀表管理功能進行集成測試驗證,通過以太網交換機連接各儀表。系統集成測試驗證原理如圖6所示。

圖6 系統集成測試驗證原理示意

驗證目的是將符合OPC UA協議的壓力變送器接入一個典型控制系統,實現互聯互通,解決符合Modbus TCP和OPC UA協議的儀表集成到控制系統的問題。通過構建驗證環境,實現了DCS與壓力變送器的控制和通信,DCS的控制指令和儀表過程數據通過Modbus協議傳輸保證實時性,設備管理系統或資產管理軟件可通過OPC UA協議與儀表建立連接,獲取設備模型信息,達到語義交互的目的。主要驗證內容包括:

1)OPC UA儀表的數據模型文件(XML)在控制系統內的導入。DCS硬件組態軟件中可導入XML格式文件,形成儀表庫,并可在DCS的以太網通信模塊下,添加儀表庫中的OPC UA儀表,配置當前需要讀取或輸出的儀表數據。這些數據進一步被關聯到DCS中的通信位號,參與到控制器控制邏輯運算中。

2)控制器獲取OPC UA過程數據。DCS的以太網通信模塊在接收到OPC UA儀表的組態后,根據不同儀表的通信周期配置周期性地調用組態OPC UA儀表的數據訪問/輸出方法,從而獲取儀表的當前輸出,或將DCS數據寫入儀表。以太網通信模塊獲得數據后,將數據轉發至DCS控制器。同時,DCS以太網通信模塊與DCS控制器保持周期性數據交互,從而建立OPC UA儀表到DCS控制器的數據交互通道。

3)設備管理軟件獲取OPC UA 配置數據。設備管理軟件作為OPC UA客戶端,通過APL交換機接入OPC UA儀表后,通過服務發現或手動添加OPC UA Server,自動獲取或導入OPC UA儀表的OPC配置數據。添加OPC UA儀表的非周期管理數據通信配置后,根據預設的輪詢周期查詢管理數據。

4)Modbus TCP過程數據的配置和傳輸。以太IP化壓力變送器的實時數據存放在保持寄存器表中,可對DCS等Modbus TCP客戶端提供數據。壓力數據采用4字節單精度浮點數,單位為Pa。DCS硬件組態軟件提供Modbus TCP儀表的接入配置功能,可在DCS的以太網通信模塊中直接添加儀表,選擇Modbus TCP通信協議,并指定儀表通信周期、待讀數據的寄存器地址,從而實現壓力數據的獲取。

5)物聯IP和控制系統之間的數據交互。物聯IP與DCS均以儀表位號作為工業儀表的唯一標識符,DCS根據組態信息維護儀表網絡接入請求,負責響應物聯IP提交的特定儀表的接入請求。請求通過后,DCS可根據請求報文的源通信地址配置儀表的IP地址。

DCS可以向特定物聯IP服務地址查詢特定儀表的上線狀態及IP通信地址,查詢成功后,可以利用傳統TCP/IP協議和儀表進行通信。對于支持物聯IP協議棧的DCS,可以直接通過儀表通信位號發起通信請求。

5 展 望

通過新型IP化儀表的設計與驗證,本文初步證明了基于SPE IP協議及工業測控系統的技術可行性。但針對實際應用,依然需要對軟硬件適配度、應用軟件生態、系統性能等方面開展廣泛而嚴謹的設計、開發與測試。期望該工作可以為新型儀器儀表的研制、老舊儀器儀表的升級改造提供參考,推動流程工業儀器儀表的網絡化、智能化解決方案的成功。

本文初步實現了以太IP化壓力儀表和控制器、上位機之間的數據交換。下一步將按照流程工業現場儀表設備類型,構建標準數據語義模型以及相關設備數據描述文件,實現設備在控制系統的組態導入和即插即用。在數據傳輸層,將進一步優化物聯IP傳輸協議,實現過程數據的確定性時延可靠傳輸以及管理配置數據的高效傳輸,同時實現數據傳輸層的解耦,兼容更多應用數據。以太IP化儀表為流程儀表的遠程訪問提供了實現可能性,下一步將探索在保證數據安全條件下的外部訪問性能。