以太网现场总线的跨平台网络通信

1，引言“EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)超导TOKMAK装置”是国家九五重大科学工程。极向场电源控制系统是托卡马克主要子系统之一，它为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体的电流、位置、形状、分布和破裂的控制，提供必要的工程基础和控制手段。对装置运行的性能与安全，物理实验的成败与效率，有着至关重要的作用。其实时性、可靠性、可扩充性要求甚高。为了满足整个控制系统的这种高要求，整个控制系统由三层网络组成：Windows 监测层、QNX实时控制层、现场总线执行层。――――――――――――――――――-----------------------基金项目：国家发展计划委员会“投资(1998)1303号项目”(子项目)作者简介：兰鲁光(1980-)，男，硕士生，研究方向现场总线技术、实时计算机监控；傅鹏，研究员、博导；杨亚龙，博士生；吴勇，硕士生 E-mail：lanluguang@Windows 监测层选用Windows 2000平台作为操作工作站，进行测量、监控、故障分析和波形显示。而QNX实时控制层选用QNX6.20实时操作系统，担负着电源系统多变量反馈电流反馈控制、系统连锁控制、保护及各种运行方式的调配。现场总线层由大量的现场总线控制器及现场总线模块组成，负责采集大量现场设备的状态通过网络传递给QNX实时控制层和WINDOWS监测层，并接受QNX控制层发来的控制信号控制现场设备。2，现场总线层构建现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。以太网现场总线就是利用当今世界上最流行的开放式局域网Ethernet作为工业I/O控制模块的通信网络，作为真正开放式的现场总线系统。工业以太网协议主要有以下几种：Modbus TCP/IP（Schneider，1998）、Interbus（Phoenix，1999）、EtherNet/IP（ODVA，1999）、IDA（Vendor Alliance，2000）、HSE（Foundation Fieldbus，2000）、ProfiNet（Profibus，2001）。EAST极向场电源控制系统由12套电源子系统组成，在空间上具有较强的分散性，需要发送至现场的控制量信号及采集的状态有上千个，如此分散而庞大的信号量要实现实时、可靠的通信最好的解决方法就是采用工业现场总线。考虑到以太网技术的成熟性、开放性及高的性价比，极向场电源控制系统使用德国WAGO公司的以太网总线模块，采用Modbus Tcp/IP协议，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信，它已成为一种通用工业标准。通过它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络进行集中监控。MODBUS/TCP协议是为制造自动化和过程自动化独立设计的一种开放的现场总线标准。它是MODBUS协议的变异，可以通过TCP/IP的连接来优化现场的通讯。MODBUS/TCP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。如图1所示：通讯标识、协议标识、单元标识均为16进制0x0000，这是因为底层的IP帧头中已经有类似的标识符。控制器通过IP帧头已经可以识别帧是发给谁的了。消息长度是用来描述此区域后总共还有多少个字节。功能代码是用来描述此帧数据是干什么用的。传输数据是用来描述想要读写的I/O通道，及所传送的数据值。此外, 由于TCP/IP 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MODBUS/TCP协议中没有定义CRC- 16 或LRC 校验。WAGO以太网总线通讯时，需要在以太网标准上叠加几种重要的通讯协议。在ISO/OSI标准化模型的第三层网络层上需叠加IP,ICMP和ARP协议，在第四层传输层视传输情况需叠加TCP协议或UDP协议。另外，现场总线适配器还包含了几种额外的用户协议以用于传输和接收数据。其中MODBUS/TCP协议用于对模块读取和写入数据，端口号为502；Bootstrap协议用于配置总线IP地址；HTTP协议用于访问总线适配器中存储的HTML页面以监控总线适配器的状态，端口号为80。图2所示为数据传输时协议的叠加情况。在WAGO以太网总线适配器和控制器的应用层有Modbus协议的多种操作程序，通过这些操作程序实现数字或模拟输入输出数据的对现场总线模块的写入或读出。在极向场电源控制系统中对WAGO总线模块的操作既有读取状态量的操作也有发出控制量的操作，所以通常采用操作程序代码为FC23: 0x0017.极向场电源控制系统现场总线层由多个总线控制器、大量数字量输入输出模块、少量模拟量输入输出模块组成，分成12组以实现对现场12套极向场电源装置的控制和状态读取，以达到远动和监控的目的。通过100M以太网很方便的实现了现场总线控制器同12台极向场电源子系统控制上位机的高速连接，仅仅需要使用普通的网卡、网线和一台交换机，大大简化了普通现场总线接线的繁琐，性价比也较普通现场总线有较大提高。同时，由于TCP/IP协议应用技术的普遍，能通用于WINDOWS、UNIX、QNX等多种操作系统，具有良好的互操作性。

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