工控自動化技術文摘：基於嵌入式組態平台的數據轉發模型

　　摘要：本文分析工業現場信息數據轉發的必要性，根據實踐，總結出轉發應用模式，並闡述了其在不同領域的廣泛應用。然後，介紹基於WinCE平台，采用嵌入式組態軟件eHMIBuilder實現數據轉發的現場應用案例。最後，展望其他基於嵌入式平台的數據轉發模式。

　　在複雜、pangdadexianchangjiankongxitongzhong，wangwangxuyaoguanlicengdezhongxinkongzhishiduiduogexianchangcengdeshujujinxingjizhongkongzhi。nameguanlicengshiruhehuodezhexieshujudene？zhejiushiwomenzhepianwenzhangyanjiudezhongdian：數據轉發。所謂的現場層，就是由現場的數據采集工作站和設備組成的。圖1.1就是一個現場層實例，由現場設備控製器和現場操作平台數據采集裝置TPC組成。

本文所研究的數據轉發問題，主要是現場層某個控製點和下一個控製點間的數據轉發，以及現場層的信息向中心管理層的數據轉發。

二、數據轉發環境分析

所謂平行轉發，就是同樣在管理層或者是現場層，層內的控製信息需要進行數據共享，采用轉發模式。

信息平行轉發的特點是轉發網絡多為現場總線，甚至為同一條總線。

如果每個現場有多個控製點，每個控製點和下個點都有傳承關係，那麼，需要把上一個點的數據轉發給下一個點。

通常，我們在控製現場遇到的轉發環境包括兩種，一種是邏輯控製器，比如PLC直接中轉數據；另外一種是通過嵌入式觸摸屏TPC做中轉進行數據轉發。

現場信息是通過PLC進行數據轉發的。我們可以看到信息源PLC2的數據是通過S7-226XPCN轉發給TPC的。這種轉發方式連接比較簡單，但對PLC的性能要求比較高，比如在上麵的PLC中，必須選用S7-200係列高端的PLC。同時，在S7-226XPCN中，需要做自由口通訊的編程，也有一定工作量和技術含量。

這種情況的主要工作是PLC的選型和其內部邏輯編程。在本文中，我們不做主要討論。

如果PLC1需要PLC2的信息，可以通過控製櫃上的觸摸屏進行轉發。這種方式與第一種轉發情況相比，PLC可以專注於現場過程控製，數據轉發的任務交給TPC來完成。
　　優點：PLC更為專注，TPC使用組態軟件，轉發工作量降低；模式的開放性和擴展性能更好。
　　缺點：因為TPC處理界麵、存儲等並行事務更多，所以，針對通訊轉發的實時性能有可能減弱。
　　這種模式，在現場監控係統中應用也很廣泛。由於TPC通訊擴展性很高，所以，轉發模式變化很多。比如，現場對轉發性能要求很低。那麼，我們可以采用如圖2.1.3所示一個串行總線連接多台PLC，進行數據轉發。

而且，如果每個控製點距離很遠，可以借助以太網進行轉發，那麼，可以通過這個控製點的機櫃上麵的觸摸屏TPC，和下一個控製點的機櫃上麵的觸摸屏TPC進行數據轉發。如圖2.1.4所示：

由you於yu現xian場chang總zong線xian所suo處chu的de特te殊shu環huan境jing及ji所suo承cheng擔dan的de實shi時shi控kong製zhi任ren務wu是shi普pu通tong局ju域yu網wang和he以yi太tai網wang技ji術shu難nan以yi取qu代dai的de，因yin而er現xian場chang總zong線xian至zhi今jin依yi然ran保bao持chi著zhe它ta在zai現xian場chang控kong製zhi層ceng的de地di位wei和he作zuo用yong，但dan現xian場chang層ceng需xu要yao同tong上shang層ceng與yu外wai界jie實shi現xian信xin息xi交jiao換huan。
　　因yin為wei，在zai工gong業ye控kong製zhi現xian場chang，我wo們men一yi般ban將jiang現xian場chang設she備bei稱cheng為wei下xia，將jiang管guan理li層ceng稱cheng為wei上shang。所suo謂wei上shang行xing轉zhuan發fa，就jiu是shi現xian場chang層ceng的de信xin息xi，需xu要yao轉zhuan發fa給gei管guan理li層ceng的de數shu據ju轉zhuan發fa情qing況kuang。因yin為wei跨kua層ceng，而er且qie信xin息xi的de來lai源yuan是shi控kong製zhi現xian場chang，管guan理li層ceng根gen據ju現xian場chang的de情qing況kuang進jin行xing監jian控kong，所suo以yi，我wo們men稱cheng信xin息xi為wei上shang行xing轉zhuan發fa。
　　信息上行轉發的特點是現場層為現場總線，管理層一般為以太網，甚至無線方式轉發。圖2.2.1是信息上行數據轉發的實例：

實際上從數據角度看，信息上行轉發包括向下發送查詢/控製指令報文，同時，現場反饋數據/確認報文。也就是說，在本文我們將寄存器數據的寫操作，包括在信息上行轉發過程中了，下麵不再贅述。

三、解決方案

在工業現場，我們最常見的信息平行轉發是以觸摸屏人機界麵為核心的多智能儀表協同工作。圖3.1.1是信息平行轉發的實例：

這時，HMIBuilder提供基於現場總線的溫控儀表的驅動，采集現場溫度參數。如果工藝要求的溫度可以觸發PLC的過程控製執行單元完成某個動作，那麼，一種是這個控製邏輯可以在HMIBuilder運行的後台邏輯中，當溫度判斷符合條件，發出控製信號給PLC的I/O執行；另外一種是溫度信號直接轉換給PLC的某個寄存器，在PLC的運行邏輯中，判斷是否可以執行相應的工藝動作。

然後，如果針對上麵方案的PLC端加以延伸，那麼，我們可以看到，可以通過ModbusRTU從驅動程序，將TPC2模擬出一個modicon的PLC了。TPC1會主動將信息寫給TPC2，然後，繼續下麵的信息流。如圖3.1.2所示：

反之，如果我們將溫控儀表端加以延伸，那麼，我們看到，可以通過ModbusRTU從驅動程序，將TPC3模擬出一個Modicon的PLC了。TPC1會主動將讀取TPC3的信息，然後，繼續下麵的信息流。如圖3.1.3所示：

Modbus/TCP協議是最為常用的一種開放的通信協議，是Modbus協議族中的一個，結構簡單易用，廣泛的應用於各種自動化設備上。因為上層管理網絡常常是以太網絡，所以，我們可以通過Modbus/TCP數據轉發功能，實現中心站與現場各種協議、各種設備之間的數據采集和傳輸。

Modbus/TCP的數據通訊也是采用Master/slave方式，Master端發出數據請求消息，Slave端接收到正確消息後就可以發送數據到Master端以響應請求：Master端也可以直接發消息修改slave端的數據，實現雙向讀寫。

同時，Modbus/TCP的數據通訊可以根據需要建立1個或多個TCP連接。對於Modbus/TCP設備來說，協議規定設備的TPC端口固定為502。但是，我們轉發的時候，可以組態不同的端口，實現多個連接數據轉發。

在工業現場的HMI平台，eHMIBuilder中現場總線與上層網絡的連接是通過Modbus/TCP數據轉發，把現場總線網段或DCS連接到以太網上，來進行總線數據的上層轉發。

在基於eHMIBuilder的嵌入式觸摸屏TPC中，我們通過Modbus/TCP數據轉發方式，就成功地解決了現場控製係統中數據轉發的問題。如圖3.2.2所示：

在基於eHMIBuilder的Modbus/TCP數據轉發改進點：Modbus/TPC寫操作沒有開放。分析Modbus/TCP協議，我們知道當TCP連接通道建立後，在通道上麵，TCP報文包裹的就是Modbus主(zhu)從(cong)方(fang)式(shi)的(de)協(xie)議(yi)，所(suo)以(yi)，和(he)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)的(de)監(jian)控(kong)一(yi)樣(yang)，我(wo)們(men)通(tong)過(guo)周(zhou)期(qi)循(xun)環(huan)的(de)讀(du)操(cao)作(zuo)，可(ke)以(yi)相(xiang)對(dui)實(shi)時(shi)的(de)獲(huo)取(qu)現(xian)場(chang)信(xin)息(xi)，同(tong)時(shi)，主(zhu)站(zhan)可(ke)以(yi)觸(chu)發(fa)寫(xie)操(cao)作(zuo)，控(kong)製(zhi)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)的(de)運(yun)行(xing)。這(zhe)樣(yang)，如(ru)果(guo)Modbus/TCP數據轉發的寫操作開放後，TPC就基本可以當作模擬PLC了。

基於HMI平台的雙提梁機車控製和實時位姿調節係統中，通過HMITECH TPC，係統完成雙提梁機車GPS定位信息的互傳，並通過HMI平台的CAN通訊端口，協調控製機車，實現雙提梁機的速度同步、位置同步和工作同步。如圖3.3.1所示：

係統中，我們基於ModbusRTU方式的數據轉發，通過無線電台傳送的總線信號通道，完成兩台機車信息的共享，實現了信息的平行轉發。

電力自動化係統需要進一步融合多種相關的先進技術與自動化設備，使其自動化係統的規模、功能、可靠性、柔軟性、靈活性、擴展性、適應性、實時性、經濟性等諸方麵不斷地完善和提高，使係統向下支持現場總線、實現智能傳感器、執zhi行xing器qi之zhi間jian可ke靠kao的de數shu字zi通tong訊xun，向xiang上shang能neng與yu網wang絡luo接jie口kou，可ke實shi現xian各ge計ji算suan機ji係xi統tong的de相xiang連lian，將jiang工gong廠chang中zhong各ge分fen散san和he獨du立li的de具ju有you某mou種zhong特te定ding功gong能neng的de自zi動dong化hua係xi統tong，通tong過guo開kai放fang化hua的de工gong業ye以yi太tai網wang絡luo和he分fen布bu式shi數shu據ju庫ku一yi一yi集ji成cheng起qi來lai，使shi之zhi形xing成cheng一yi個ge總zong體ti結jie構gou一yi體ti化hua，機ji、電、儀設備一體化，控製、管理和決策功能一體化，能進行局部自治和整體協調，適應生產環境和市場變化的全廠整體優化的綜合自動化係統。

比如，靜態無功補償裝置控製係統中[2]，如圖3.3.2suoshi，xianchangkongzhicenghezhongxinguanlicengjian，xuyaotongxunguanlixitongjinxingshujuzhuanfa。xiatudezhuanfaxitongzhong，womenfaxianzhuanfadeshujujianghuifeichangda，name，ruhewendingkekaodeshixianshujuzhuanfashizhuanfadeguanjian。

四、未來展望

HMIBuilder通用版軟件因其支持分布式的操作，不存在數據轉發的問題。在同為HMIBuilder的係統中，可以通過自身的SCADA模塊進行分布式軟總線協調，從而實現信息共享。如圖4.1.1所示：

上圖中：PLC是數據源，實線表示物理連接，虛線箭頭表示數據流方向。通過上麵的示意圖，可以看出每個TPC設備都包括VIEW和SCADA兩個模塊，其中SCADA模塊接收由PLC設備傳送上來的數據，並在VIEW模塊中進行顯示。因其支持分布式計算，在任意TPC上都可以查看每個PLC的信息，從而實現數據共享。

但是，目前eHMIBuilder不參與分布式計算，當需要從HMIBuilder係統到非HMIBuilder係統訪問數據時，其采集的現場設備的數據是如何上傳給上位機？這樣，Modbus/TCP數據轉發就應運而生了。

針對上行轉發，我們還可以通過各種不同的協議進行轉發，比如基於嵌入式OPC2.0方式數據轉發。轉發模型如圖4.2.1所示：

OPC是一種客戶/服務器結構，OPC服務器負責與具體的設備進行交互，並提供給用戶一個統一的接口。OPC客戶則負責與不同的OPC服務器進行交互，將這些服務器上的數據提取出來。

HMIBuilder全麵支持OPC2.0，一方麵，HMIBuilder作為OPC Client，可以訪問任意OPC Server中的數據，另一方麵，HMIBuilder提供一個應用軟件HMIBuilderOPCServer.exe，來作為OPC Server，供第三方的軟件來訪問HMIBuilder中的數據。

今後我們的開發目標就是：讓eHMIBuilder用其它的方式也能實現數據的轉發。如支持內嵌Webserver和嵌入式OPC來解決數據轉發的問題。

而且，讓HMITECH TPC設備內嵌Web服務器，也可以是一種轉發方法。