基于嵌入式組態平臺的數據轉發模型

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，并闡述了其在不同領域的廣泛應用。然后，介紹基于WinCE平臺，采用嵌入式組態軟件eHMIBuilder實現數據轉發的現場應用案例。最后，展望其他基于嵌入式平臺的數據轉發模式。

關鍵詞：

嵌入式組態；eHMIBuilder；數據轉發；Modbus。

一、轉發問題提出

在復雜、龐大的現場監控系統中，往往需要管理層的中心控制室對多個現場層的數據進行集中控制。那么管理層是如何獲得這些數據的呢？這就是我們這篇文章研究的重點：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，由現場設備控制器和現場操作平臺數據采集裝置TPC組成。

圖1.1 現場控制實例示意圖

所謂的管理層，就是管理1個或多個現場的中心層。

本文所研究的數據轉發問題，主要是現場層某個控制點和下一個控制點間的數據轉發，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

1. 信息平行轉發

所謂平行轉發，就是同樣在管理層或者是現場層，層內的控制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制點，每個控制點和下個點都有傳承關系，那么，需要把上一個點的數據轉發給下一個點。

通常，我們在控制現場遇到的轉發環境包括兩種，一種是邏輯控制器，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。

第一種數據轉發模式環境如圖2.1.1所示：

圖2.1.1 PLC直接數據轉發示意圖

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，比如在上面的PLC中，必須選用S7-200系列高端的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。

優點：結構簡潔，實時性較高，專用性強。

缺點：由于硬件的限制和PLC編程的限制，擴展性較差。

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。

第二種，經過嵌入式觸摸屏TPC的數據轉發，如圖2.1.2所示：

圖2.1.2 嵌入式TPC數據轉發示意圖

如果PLC1需要PLC2的信息，可以通過控制柜上的觸摸屏進行轉發。這種方式與第一種轉發情況相比，PLC可以專注于現場過程控制，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處理界面、存儲等并行事務更多，所以，針對通訊轉發的實時性能有可能減弱。
　　這種模式，在現場監控系統中應用也很廣泛。由于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。那么，我們可以采用如圖2.1.3所示一個串行總線連接多臺PLC，進行數據轉發。

圖2.1.3 串行總線連接PLC進行數據轉發

而且，如果每個控制點距離很遠，可以借助以太網進行轉發，那么，可以通過這個控制點的機柜上面的觸摸屏TPC，和下一個控制點的機柜上面的觸摸屏TPC進行數據轉發。如圖2.1.4所示：

圖2.1.4 觸摸屏TPC之間的數據轉發

這種轉發模式，是本文討論的重點。

2. 信息上行轉發

由于現場總線所處的特殊環境及所承擔的實時控制任務是普通局域網和以太網技術難以取代的，因而現場總線至今依然保持著它在現場控制層的地位和作用，但現場層需要同上層與外界實現信息交換。
　　因為，在工業控制現場，我們一般將現場設備稱為下，將管理層稱為上。所謂上行轉發，就是現場層的信息，需要轉發給管理層的數據轉發情況。因為跨層，而且信息的來源是控制現場，管理層根據現場的情況進行監控，所以，我們稱信息為上行轉發。
　　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：

圖2.2.1 信息上行數據轉發實例

實際上從數據角度看，信息上行轉發包括向下發送查詢/控制指令報文，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，下面不再贅述。

三、解決方案

1. 信息平行轉發解決分析

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面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：

圖3.1.1信息平行轉發實例

這時，HMIBuilder提供基于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的過程控制執行單元完成某個動作，那么，一種是這個控制邏輯可以在HMIBuilder運行的后臺邏輯中，當溫度判斷符合條件，發出控制信號給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。

然后，如果針對上面方案的PLC端加以延伸，那么，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，然后，繼續下面的信息流。如圖3.1.2所示：

圖3.1.2信息平行轉發擴展實例1

反之，如果我們將溫控儀表端加以延伸，那么，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，然后，繼續下面的信息流。如圖3.1.3所示：

圖3.1.3信息平行轉發擴展實例2

2. 信息上行轉發解決分析

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，廣泛的應用于各種自動化設備上。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端接收到正確消息后就可以發送數據到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。對于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。

圖3.2.1就是Modbus/TCP數據轉發模型：

圖3.2.1 Modbus/TCP數據轉發模型[3]

在工業現場的HMI平臺，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。

在基于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制系統中數據轉發的問題。如圖3.2.2所示：

圖3.2.2 基于eHMIBuilder的Modbus/TCP數據轉發模型

在基于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連接通道建立后，在通道上面，TCP報文包裹的就是Modbus主從方式的協議，所以，和現場設備的監控一樣，我們通過周期循環的讀操作，可以相對實時的獲取現場信息，同時，主站可以觸發寫操作，控制現場設備的運行。這樣，如果Modbus/TCP數據轉發的寫操作開放后，TPC就基本可以當作模擬PLC了。

3. 分布式監控分析

基于HMI平臺的雙提梁機車控制和實時位姿調節系統中，通過HMITECH TPC，系統完成雙提梁機車GPS定位信息的互傳，并通過HMI平臺的CAN通訊端口，協調控制機車，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：

圖3.3.1車載控制系統中的數據轉發實例

系統中，我們基于ModbusRTU方式的數據轉發，通過無線電臺傳送的總線信號通道，完成兩臺機車信息的共享，實現了信息的平行轉發。

電力自動化系統需要進一步融合多種相關的先進技術與自動化設備，使其自動化系統的規模、功能、可靠性、柔軟性、靈活性、擴展性、適應性、實時性、經濟性等諸方面不斷地完善和提高，使系統向下支持現場總線、實現智能傳感器、執行器之間可靠的數字通訊，向上能與網絡接口，可實現各計算機系統的相連，將工廠中各分散和獨立的具有某種特定功能的自動化系統，通過開放化的工業以太網絡和分布式數據庫一一集成起來，使之形成一個總體結構一體化，機、電、儀設備一體化，控制、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系統。

比如，靜態無功補償裝置控制系統中[2]，如圖3.3.2所示，現場控制層和中心管理層間，需要通訊管理系統進行數據轉發。下圖的轉發系統中，我們發現轉發的數據將會非常大，那么，如何穩定可靠的實現數據轉發是轉發的關鍵。

圖3.3.2靜態無功補償裝置控制系統

四、未來展望

1. 分布式監控

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的系統中，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：

圖4.1.1 HMIBuilder中分布式轉發模型

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。通過上面的示意圖，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，并在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系統到非HMIBuilder系統訪問數據時，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。

2. 嵌入式其他數據轉發模式

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

圖4.2.1嵌入式OPC數據轉發模型[3]

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，并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全面支持OPC2.0，一方面，HMIBuilder作為OPC Client，可以訪問任意OPC Server中的數據，另一方面，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。

今后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。