工业以太网的控制系统的设计与实现
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同 时 接 口 模 块 根 据 !"#$%&./01和 <P0:5535L3 标准确定存储区域的分配和地址设定’接口模块提供 一个 ;Q字节的双端口 =I! 作为公共数据缓冲区(支 持 最大 85;个字节可 直 接 访 问 的 <.) 数 据 映 射 区 C<R 和 ),/ 区 D(以 及 最 大 ;97S个 字 节 可 间 接 访 问 的 输 入 输出数据映射区CPTUVJ#V#<R 和 ),/区D’这些映 射区完全可以满足工业控制以太网总线数据吞吐量大
!)*+,-./01协议定义了通过以太网通讯时(服 务器.客户机请求和响应消息的帧格式234’如图 5所示’
系 统 采 用 客 户 机.服 务 器 数 据 交 换 机 制 实 现 数 据 通讯’工控机作为客户机端实现了对整个系统状态的 监 控6各 监 控 节 点 由 现 场 智 能 单 元 以 及 嵌 入 式 网 络 服 务 器 构 成 (接 收 客 户 机 发 送 的 控 制 命 令 (并 提 供 给 客 户 机端所需的各种系统参数以供监视’ @AF 监控节点构成
的要求’ 同 时(接 口 模 块 带 有 的 =W> 78标 准 以 太 网 连 接
器和 *<1开关(可 以 十 分 方 便 地 用 来 与 以 太 网 连 接 以 及设置现场设备的 <1地址’
\NX
仪器仪表学报
第 IF卷
! 系统软件设计
!"# 开发平台的 $%&驱动的选择 选 择 以 ’()*++,)-.(的 -/-0组 态 软 件 作 为 开 发 平
图 M 数据的传输过程
客 户 端 连 接 的 请 求 被 服 务 器 响 应 以 后1便 开 始 传 输 数 据 C以 服 务 器 端 即 各 网 络 服 务 器 为 参 照 1具 体 数 据 的发送和接收方式如下E
8G>数百度文库据 的 发 送 E现 场 智 能 单 元 将 处 理 好 的 数 据 送 至其嵌入式网络服务器的 ’W 区C467开始循环地向 网 络 服 务 器 请 求 读 取 数 据 1收 到 响 应 后 1将 数 据 保 存 在 输 入 映 射 区 的 寄 存 器 内 1用 于 工 控 机 监 视 C
&引 言
以太网由于其开放性好’应用广泛以及价格低廉等
器 ’能 够 完 成 对 现 场 设 备 的 工 作 参 数 ’状 态 参 数 的 采 集 与 处 理 .并 采 用 客 户 机 /服 务 器 数 据 交 换 机 制 完 成 与 工 控 机 "作 为 监 控&的 控 制 信 息’状 态 信 息 和 ~/) 数 据 的 交 换 ’最 终 实 现 对 现 场 设 备 的 监 视 与 控 制 (
C5D现场智能单元6以 85系列单片机为核心处 理 器 的 嵌 入 式 系 统 ’主 要 完 成 对 现 场 设 备 的 工 作 参 数 E状 态 参 数 进 行 采 集 处 理 (送 至 网 络 服 务 器 输 出 (供 客 户 机 读 取 (进 行 监 视 ’同 时 从 网 络 服 务 器 的 数 据 区 中 读 取 工 控 机 C客 户 机D发 送 的 控 制 命 令(对 现 场 设 备 作 出 控 制 决策’
第 #9卷第 9期增刊
仪器仪表学报
#$$:年 ;月
一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现!
边宁宁 费敏锐
"上海大学机电工程与自动化学院 上海 #$$$%#&
摘要 随着以太网技术的迅猛发展’工业以太网在工业控制系统中扮演着越来越重要的角色(结合嵌入式网络技术’区别于现有的各 种基于现场总线的控制系统’本文给出了将以太网直接应用于工业现场设备监控的系统设计方案’且进行了实验测试( 关键词 工业以太网 嵌入式网络技术 )*+,-./012 客户机/服务器
通 过 476所 提 供 的 B.D*=@..+完 成 对 通 讯 信 道 8网 卡>和 设 备 ’B地 址 的 设 备 以 及 将 各 个 网 络 服 务 器 的 输 入 输 出 寄 存 器 映 射 到 客 户 机1包 括 起 始 地 址 以 及 长 度1该 起 始 地 址 的 偏 移 量 和 长 度 必 须 与 各 网 络 服 务 器 所 分 配 的 输 入 输 出 区 域 相 对 应 C例 如 E客 户 机 端 输 出 映 射 区 的 地 址 从 FGHIFJ FGIKL单 元1共 IMN个 字1 与 网 络 服 务 器 中 的 ?O@区 的 IHH3 开 始 的 MGI个 字 节的相映射C
请 求的消息格式为699999999999:95939997 99956
响应的消息格式为699999999999895939;99 98’
此 外(由 于 /01.<1协 议 以 及 链 路 层 的 求 和 校 验 机 制 可 以 保 证 数 据 包 传 递 的 正 确 性(所 以 !"#$%&. /01协议中没有定义 0=0>5:或 ?=0校验’
文设计的系统给出了将以太网直接应用于工业现场设 备 "例 如 -阀 门 ’泵 等 &的 监 控 的 方 案 ( 利 用 以 太 网 标 准
)*+,-./012协 议 提 供 了 一 个 以 太 网 上 连 接 的 设 备之间的客户机/服务器通讯(这种服务是基于 9种类型
接口与自行设计的现场智能单元作为嵌入式网络服务 报文’即 )*+,-.请求’)*+,-.证实’)*+,-.指示 和
B.D*=@..+可 以 在 特 定 的 窗 口 中 将 设 备 的 各 种 状 态 信 息 2’%? 数 据 以 及 出 错 信 息 显 示 出 来 1十 分 便 于 用户查找C !"P 基于客户机%服务器机制的数据交换
本系统的数据交换是采用了基于单客户机QQ 多服 务器的方式RMS1即一个客户机与多个服务器进行交互C它 基本体现在T请求%响应U关系1如图 F所示C各客户端向 服务器端发出对某种信息或数据的请求1服务器端针对 请求1完成相应处理1将响应结果返回给客户端C
此 外(现 场 智 能 单 元 还 需 对 网 络 服 务 器 进 行 数 据 输 入 输 出 映 射 区 进 行 配 置 GG 包 括 映 射 区 地 址 的 分 配E长度的设置(然后根据映射区的地址分配实现 <.) 数据的读写操作’
C;D 嵌 入 式 网 络 服 务 器6采 用 H!- 公 司 的 IJK$%&L-59.599! 标 准 工 业 以 太 网 接 口 模 块 作 为 主 要 部件 ’ 274 接口模块内部通过高性能的微处理器来 实 现通讯协议(内嵌完整的 /01.<1协议栈(同时支持工 业 以 太 网 标 准 协 议 !"#$%&./01(包 括 !"#$%& MNO&&9和 MNO&&5的 全 部 命 令 以 及 MNO&&;的 部 分 命 令( 使用极为方便’
xLRv+,-.{*NrS*v.|.rRw’M{*NrS*v.|.rRw ,M.R+*NLN+-.rSLMvyrsRSNRr’!sL{s{MNw*NLr*SMN+{*NrS*vrsRxLRv+
+RuL{R.+LSR{rv|’L.+R.LPNR+MN+LwtvRwRNrR+}
#4J$@C:5 ~N+-.rSLMvyrsRSNRr yw,R++R+NRr!*SzrR{sN*v*P| )*+,-./012 1vLRNr/%RSuRS
8I>数 据 的 接 收 E在 组 态 软 件 的 配 合 下 1476将 要 发 送 的 控 制 信 息 写 入 输 出 映 射 区 的 寄 存 器 内1按 照 协 议 帧 中 的 映 射 区 地 址 8通 常 在 数 据 帧 的 第 X和 第 L字 节 >1将 数 据 发 送 出 去 C网 络 服 务 器 在 接 收 到 数 据 后 1将 收 到 信 息 的 响 应 发 送 回 4671并 将 数 据 存 储 于 ?O@ 区C现场智能单元根据 ?O@区 所 提 供 的 信 息 内 容 作 为控制或决策C
厂家所接受(由于 ))7K8%协议和 012协议易于实 施 和 实 现 互 连’使 得 )*+,-./012这 一 应 用 层 协 议’ 在工业控制领域得到了广泛的应用(
式网络系统*+,( 区 别 于 现 有 的 各 种 基 于 现 场 总 线 的 控 制 系 统’本
该协议是将 ))7K8%协 议 捆 绑 在 012协 议 上’ 因此具有面向连接的特征 ( *#,
34567898:;<=>4<48?9?6@8@A;8:B5?C69>D?E4C84?FG954:H@8?C@>IJ5?4<
KLMNOLNPNLNP QRL)LNS-L
"TUVWWXWYZ[UV\]^W_‘U\Xa_b‘_[[^‘_b\_cde]Wf\]‘W_’gV\_bV\‘h_‘i[^g‘]j’TV\_bV\‘klllmk’nV‘_\&
特点’在工业控制领域已经开始得到了大规模的应用(传 统的控制系统在信息层大都采用以太网’而在控制层和
/ 01323I/4H5协议 66 典型的工业以太
设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络(但是’ 网协议
随着以太网的不断发展与完善’以太网已经渗透到了控
制层和设备层’几乎所有的 2(1和远程 ~/)供应商都能 提供支持 012/~2的以太网接口产品(利用这些接口产
从 )%~七 层 网 络 参 考 模 型 来 看’以 太 网 只 是 一 个 物 理 层 和 数 据 链 路 层 标 准’012/~2协 议 作 为 传 输 层
品’可以方便地实现信息和数据开放和透明的交换(
和 网 络 层 协 议 已 经 成 为 通 用 标 准’为 多 数 工 业 控 制 器
伴随嵌入式技术的发展’嵌入式网络技术已经成为 了这一领域的热点之一’即在原有的嵌入式系统的基础 上’使其具有网络功能’作为网络服务器’进而形成嵌入
系统各监控节点主要由现场智能单元和嵌入式网
络服务器两个部分构成C如图 3所示D’
图 5 !"#$%&./01协议请求和响应的帧格式
例 如 要 完 成 操 作6客 户 机 请 求 读 取 设 备 5的 寄 存 器 5中 偏 移 量 为 7的 地 址 的 数 据6服 务 器 将 请 求 读 取 的数据返回(数据的值为 8’则具体数据格式如下6
台1组 态 软 件 主 要 完 成 通 讯 组 态2数 据 组 态 以 及 34’ 等 功 能5同 时1选 择 施 耐 德 公 司 的 46784.9:,; 7)<*=(*)>标准接口作为 ’%?驱动1这一驱动是为工业 以 及 网 84.9:,;%@AB>硬 件 与 用 户 的 过 程 控 制 软 件 提 供的通讯接口C
oG5?C9p? qLrsrsRSMtL++RuRv*twRNr*xyrsRSNRr’LN+-.rSLMvyrsRSNRrrMzR.MNLwt*SrMNrS*vRLNrsRLN+-.rSLMv
{*NrS*v.|.rRw}~NrsL.tMtRS’MxrRSLNrS*+-{LNPRw,R++R+NRr!*SzrR{sN*v*P|MN+{*wtMSR+!LrsrsRR"L.rLNP
@ 系统硬件设计
@AB 系统总体架构 整 套 监 控 系 统 主 要 由 工 控 机 C包 括 工 业 以 太 网 网
卡 DE集 线 器 以 及 各 监 控 节 点 构 成(形 成 了 一 个 分 布 式 网络数据监控系统C如图 ;所示D’
万方图数;据控 制 系 统 的 总 体 结 构 图
图 3 监控节点构成
Y 结束语
图 F 单客户机 QQ 多服务器方式
本系统中 -/-0组态软件以及 ’%? 9=-V*=QQ 467 作 为 客 户 端 循 环 地 向 各 个 网 络 服 务 器 发 出 请 求1包 括 设 备 的 状 态 信 息 和 ’%? 数 据1网 络 服 务 器 在 接 到 请 求 后1将 现 场 智 能 单 元 处 理 后 的 设 备 的 信 息 和 数 据 返 回 给客户端C数据格式如图 G所示C
万方数据
! 得到上海市科委重点科技攻关项目"$#<+++$<#&和上海市科委国际合作项目"$+<+$%$+%&资助(
第 7期增刊
一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现
3:X
!"#$%&响应’!"#$%&请求是客户机在网络上发送用来 启动事务处理的报文(!"#$%&指示是服务器端接收的请 求 报 文(!"#$%&响 应 是 服 务 器 发 送 的 响 应 信 息( !"#$%&证实是在客户机端接收的响应信息’
!)*+,-./01协议定义了通过以太网通讯时(服 务器.客户机请求和响应消息的帧格式234’如图 5所示’
系 统 采 用 客 户 机.服 务 器 数 据 交 换 机 制 实 现 数 据 通讯’工控机作为客户机端实现了对整个系统状态的 监 控6各 监 控 节 点 由 现 场 智 能 单 元 以 及 嵌 入 式 网 络 服 务 器 构 成 (接 收 客 户 机 发 送 的 控 制 命 令 (并 提 供 给 客 户 机端所需的各种系统参数以供监视’ @AF 监控节点构成
的要求’ 同 时(接 口 模 块 带 有 的 =W> 78标 准 以 太 网 连 接
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仪器仪表学报
第 IF卷
! 系统软件设计
!"# 开发平台的 $%&驱动的选择 选 择 以 ’()*++,)-.(的 -/-0组 态 软 件 作 为 开 发 平
图 M 数据的传输过程
客 户 端 连 接 的 请 求 被 服 务 器 响 应 以 后1便 开 始 传 输 数 据 C以 服 务 器 端 即 各 网 络 服 务 器 为 参 照 1具 体 数 据 的发送和接收方式如下E
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&引 言
以太网由于其开放性好’应用广泛以及价格低廉等
器 ’能 够 完 成 对 现 场 设 备 的 工 作 参 数 ’状 态 参 数 的 采 集 与 处 理 .并 采 用 客 户 机 /服 务 器 数 据 交 换 机 制 完 成 与 工 控 机 "作 为 监 控&的 控 制 信 息’状 态 信 息 和 ~/) 数 据 的 交 换 ’最 终 实 现 对 现 场 设 备 的 监 视 与 控 制 (
C5D现场智能单元6以 85系列单片机为核心处 理 器 的 嵌 入 式 系 统 ’主 要 完 成 对 现 场 设 备 的 工 作 参 数 E状 态 参 数 进 行 采 集 处 理 (送 至 网 络 服 务 器 输 出 (供 客 户 机 读 取 (进 行 监 视 ’同 时 从 网 络 服 务 器 的 数 据 区 中 读 取 工 控 机 C客 户 机D发 送 的 控 制 命 令(对 现 场 设 备 作 出 控 制 决策’
第 #9卷第 9期增刊
仪器仪表学报
#$$:年 ;月
一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现!
边宁宁 费敏锐
"上海大学机电工程与自动化学院 上海 #$$$%#&
摘要 随着以太网技术的迅猛发展’工业以太网在工业控制系统中扮演着越来越重要的角色(结合嵌入式网络技术’区别于现有的各 种基于现场总线的控制系统’本文给出了将以太网直接应用于工业现场设备监控的系统设计方案’且进行了实验测试( 关键词 工业以太网 嵌入式网络技术 )*+,-./012 客户机/服务器
通 过 476所 提 供 的 B.D*=@..+完 成 对 通 讯 信 道 8网 卡>和 设 备 ’B地 址 的 设 备 以 及 将 各 个 网 络 服 务 器 的 输 入 输 出 寄 存 器 映 射 到 客 户 机1包 括 起 始 地 址 以 及 长 度1该 起 始 地 址 的 偏 移 量 和 长 度 必 须 与 各 网 络 服 务 器 所 分 配 的 输 入 输 出 区 域 相 对 应 C例 如 E客 户 机 端 输 出 映 射 区 的 地 址 从 FGHIFJ FGIKL单 元1共 IMN个 字1 与 网 络 服 务 器 中 的 ?O@区 的 IHH3 开 始 的 MGI个 字 节的相映射C
请 求的消息格式为699999999999:95939997 99956
响应的消息格式为699999999999895939;99 98’
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文设计的系统给出了将以太网直接应用于工业现场设 备 "例 如 -阀 门 ’泵 等 &的 监 控 的 方 案 ( 利 用 以 太 网 标 准
)*+,-./012协 议 提 供 了 一 个 以 太 网 上 连 接 的 设 备之间的客户机/服务器通讯(这种服务是基于 9种类型
接口与自行设计的现场智能单元作为嵌入式网络服务 报文’即 )*+,-.请求’)*+,-.证实’)*+,-.指示 和
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本系统的数据交换是采用了基于单客户机QQ 多服 务器的方式RMS1即一个客户机与多个服务器进行交互C它 基本体现在T请求%响应U关系1如图 F所示C各客户端向 服务器端发出对某种信息或数据的请求1服务器端针对 请求1完成相应处理1将响应结果返回给客户端C
此 外(现 场 智 能 单 元 还 需 对 网 络 服 务 器 进 行 数 据 输 入 输 出 映 射 区 进 行 配 置 GG 包 括 映 射 区 地 址 的 分 配E长度的设置(然后根据映射区的地址分配实现 <.) 数据的读写操作’
C;D 嵌 入 式 网 络 服 务 器6采 用 H!- 公 司 的 IJK$%&L-59.599! 标 准 工 业 以 太 网 接 口 模 块 作 为 主 要 部件 ’ 274 接口模块内部通过高性能的微处理器来 实 现通讯协议(内嵌完整的 /01.<1协议栈(同时支持工 业 以 太 网 标 准 协 议 !"#$%&./01(包 括 !"#$%& MNO&&9和 MNO&&5的 全 部 命 令 以 及 MNO&&;的 部 分 命 令( 使用极为方便’
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特点’在工业控制领域已经开始得到了大规模的应用(传 统的控制系统在信息层大都采用以太网’而在控制层和
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设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络(但是’ 网协议
随着以太网的不断发展与完善’以太网已经渗透到了控
制层和设备层’几乎所有的 2(1和远程 ~/)供应商都能 提供支持 012/~2的以太网接口产品(利用这些接口产
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和 网 络 层 协 议 已 经 成 为 通 用 标 准’为 多 数 工 业 控 制 器
伴随嵌入式技术的发展’嵌入式网络技术已经成为 了这一领域的热点之一’即在原有的嵌入式系统的基础 上’使其具有网络功能’作为网络服务器’进而形成嵌入
系统各监控节点主要由现场智能单元和嵌入式网
络服务器两个部分构成C如图 3所示D’
图 5 !"#$%&./01协议请求和响应的帧格式
例 如 要 完 成 操 作6客 户 机 请 求 读 取 设 备 5的 寄 存 器 5中 偏 移 量 为 7的 地 址 的 数 据6服 务 器 将 请 求 读 取 的数据返回(数据的值为 8’则具体数据格式如下6
台1组 态 软 件 主 要 完 成 通 讯 组 态2数 据 组 态 以 及 34’ 等 功 能5同 时1选 择 施 耐 德 公 司 的 46784.9:,; 7)<*=(*)>标准接口作为 ’%?驱动1这一驱动是为工业 以 及 网 84.9:,;%@AB>硬 件 与 用 户 的 过 程 控 制 软 件 提 供的通讯接口C
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@ 系统硬件设计
@AB 系统总体架构 整 套 监 控 系 统 主 要 由 工 控 机 C包 括 工 业 以 太 网 网
卡 DE集 线 器 以 及 各 监 控 节 点 构 成(形 成 了 一 个 分 布 式 网络数据监控系统C如图 ;所示D’
万方图数;据控 制 系 统 的 总 体 结 构 图
图 3 监控节点构成
Y 结束语
图 F 单客户机 QQ 多服务器方式
本系统中 -/-0组态软件以及 ’%? 9=-V*=QQ 467 作 为 客 户 端 循 环 地 向 各 个 网 络 服 务 器 发 出 请 求1包 括 设 备 的 状 态 信 息 和 ’%? 数 据1网 络 服 务 器 在 接 到 请 求 后1将 现 场 智 能 单 元 处 理 后 的 设 备 的 信 息 和 数 据 返 回 给客户端C数据格式如图 G所示C
万方数据
! 得到上海市科委重点科技攻关项目"$#<+++$<#&和上海市科委国际合作项目"$+<+$%$+%&资助(
第 7期增刊
一种基于工业以太网的控制系统的设计与实现
3:X
!"#$%&响应’!"#$%&请求是客户机在网络上发送用来 启动事务处理的报文(!"#$%&指示是服务器端接收的请 求 报 文(!"#$%&响 应 是 服 务 器 发 送 的 响 应 信 息( !"#$%&证实是在客户机端接收的响应信息’