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执行机构在过程控制的以太网控制系统设计
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1概述

MUQIANZAIGONGYEKONGZHILINGYUZHONG,SUIZHEKONGZHIXITONGGUIMODEBUDUANZENGDA,JIZHONGKONGZHIXITONGYIJINGBUNENGMANZUYAOQIU,KONGZHIWANGLUOYIJINGGUANGFANYINGYONGDAOGONGYEKONGZHIZHONG。XIANCHANGZONGXIANJIUSHISHUNYINGZHEIYIXINGSHIFAZHANQILAIDEJISHU,BINGZAIYIDINGCHENGDUSHANGJIEJUELEZHEIYIWENTI。DANSHI,XIANCHANGZONGXIANDEKAIFANGXINGSHIYOUTIAOJIANDE,SHIBUCHEDIDE。DANGXIANCHANGZONGXIANDEFAZHANYUDAOZUAISHI,YITAIWANGJISHUQUEDEDAOLEXUNMENGFAZHAN。RUGUONENGJIANGYITAIWANGJISHUCHENGGONGDIYONGYUGONGYEKONGZHIDICENGWANGLUO,JIUKEYIDAPOCHUANTONGDEGONGYEKONGZHIWANGLUOTIXI,SHIXIANBANGONGZIDONGHUAYUGONGYEZIDONGHUADEWUFENGJIEHE。

本课题正是在这种环境下提出。在设计中,我们选择了传输速率高、实时性好,成本低的工业以太网,在继承上一代产品中成熟技术的基础上,将工业以太网技术融入到电动执行机构的设计中,使它们成为新一代的数字化产品。为了配合这些网络化的电动执行机构的使用,我们需要构建一套适用于过程控制领域的以太网监控系统。它通过工业以太网,将主控计算机和多个电动执行机构连接起来,按照我们的需求通过计算机对底层进行各种不同的控制,形成一个完整的控制网络。

2 控制系统架构

2.1 控制系统以太网架构

整个控制系统的结构如图1所示。在此,以太网转串口模块相当于完成一个执行机构网卡的作用,用于完成执行机构与以太网之间的协议转换和交流。电动执行机构与以太网转串口模块之间通过串行TTL电平进行通讯,然后通过该模块将电平信号以网络数据帧的形式传送到以太网上(此处以太网可以用HUB代替),然后进一步传送给上位机,从而形成一条从上位机到执行机构的可靠的信道。

BENXITONGSUOCAIYONGDEYITAIWANGZHUANCHUANKOUMOKUAISHIGUONEIMOUGONGSIKAIFADEYIKUANQIANRUSHIWANGLUOMOKUAI,TANEIBUJICHENGLETCP/IPXIEYIZHAN,YONGHULIYONGTAKEYISHIXIANQIANRUSHISHEBEIDEWANGLUOGONGNENG。GAICHANPINYONGYUCHUANKOUYUYITAIWANGZHIJIANDESHUJUCHUANSHU,WEICHUANKOUSHEBEIZENGJIAYITAIWANGJIEKOU。KEYONGYUCHUANKOUSHEBEIYUZHUKONGJISUANJIJIZHIJIAN,HUOZHEDUOGECHUANKOUSHEBEIZHIJIANDEYUANCHENGTONGXIN。

贵州快3TU1 KONGZHIXITONGZHENGTIJIEGOUTU

2.2 电动执行机构和以太网转串口模块通讯的实现

CHUANXINGTONGXUNCAIYONGTTLDIANPING,ZHANYONGLIANGGEI/OKOU,JISHURUKOU(RxD)HESHUCHUKOU(TxD),ZHIXINGJIGOUZHUKONGBANXUYAOTIGONG+5VDIANYUANJIYITAIWANGZHUANCHUANKOUMOKUAI,YINGJIANLIANJIERUTU2SUOSHI。

贵州快3TU2 DICENGTONGXUNDESHIXIANYUANLITU

本系统中执行机构所采用的主控芯片为Intel80C196MC。图中P2.0作为80C196MC的串行输出,P2.1作为80C196MC的串行输入。网卡地线应和主控制板的数字地即单片机的地连接。80C196MC与以太网转串口模块之间采用异步通信,一帧长度为10位,包含8位数据,1位奇偶校验位和1位结束位。

3 软件部分的实现

BENXITONGCAIYONGJIYUVC++6.0DEWinSockBIANCHENG。TAOJIEZI(Socket)YIJINGCHENGWEIDANGJINZUILIUXINGDEWANGLUOTONGXINYINGYONGCHENGXUJIEKOU。TAOJIEZIZUICHUYOUJIALIFULIYADABerkeleyFENXIAOWEIUnixCAOZUOXITONGKAIFADEWANGLUOTONGXINJIEKOU,HOULAITAYOUBEIYIZHIDAODOSYUWindowsXITONG,TEBIESHIJINJINIANHULIANWANGZAIQUANSHIJIEFANWEINEIDEGUANGFANPUJI,JINYIBUDIANDINGLETAZAIWANGLUOTONGXINCHENGXUKAIFALINGYUDEZHUZAIDIWEI。

系统采用Client/Server模式。通过以太网转串口模块的配置软件,将该模块设置成服务器模式,而主控计算机上的控制软件部分为客户端,每次启动由主控计算机主动连接执行机构。客户端和服务器采用面向连接的通信协议贵州快3:控制计算机和模块之间会建立一个虚拟连接,这个连接一旦建立,客户端和服务器之间就可以把数据当作一个双向字节流进行交换;如果连接建立不成功,则不会发送数据。另外,面向连接传输的每一个报文都需要接收端确认,未确认报文被认为是出错的报文。

3.1 通信过程

SocketYOUTONGBUZUSAIFANGSHIHEYIBUFEIZUSAIFANGSHILIANGZHONGSHIYONG,BENXITONGYINGYONGCHENGXUZHONGCHUANGJIANLEJICHENGYUCAsyncSocketLEIDETestSocketLEI,TASHIYIGEYIBUFEIZUSAISocketFENGZHUANGLEI。

贵州快3YOUYUYIJINGJIANGYITAIWANGZHUANCHUANKOUMOKUAISHEZHIWEIFUWUQIMOSHI,SUOYI,ZHUKONGJISUANJIDUANDECHENGXUSHIZUOWEIKEHUDUANCHUXIANDE,GAICHENGXUDEBIANXIEDAZHIANZHAOYIXIABUZHOUJINXING:

1)首先调用WSAStartup函数来初始化套接字库。
2)调用socket函数来创建一个套接字。
3)调用connect函数连接服务器,发出连接请求
4)服务器响应连接请求后,与服务器开始进行交互操作(接收、发送数据等),直到请求结束。
5)调用closesocket关闭套接字,释放套接字资源。
6)调用WSACleanup函数释放相应资源。

KEHUDUANCHENGXUYUFUWUQIDETONGXINGUOCHENGRUTU3SUOSHI:

TU3 MIANXIANGLIANJIEFUWUDEsocketDIAOYONGMOXING

贵州快3ZAIYITAIWANGZHUANCHUANKOUMOKUAIZHONG,FUWUQICHENGXUDIAOYONGlistenHANSHUJIANGCIsocketZHIYUJIANTINGZHUANGTAI,RANGZHEIGEsocketDUIJINLAIDELIANJIEJINXINGJIANTINGBINGQUERENLIANJIEQINGQIU。DANGFUWUQIDUANJIANTINGDAOLAIZIKEHUDUANDELIANJIEQINGQIUHOU,YIGEZHENGZAIJIANTINGDEsocketJIANGJIJIANGJIMEIGEQINGQIUFASONGYIGEQUERENXINXI,RANHOUDIAOYONGacceptHANSHU,JIEZHE,MIANXIANGLIANJIEDEKEHUTONGGUODIAOYONGconnectHANSHUQIDONGWANGLUODUIHUA。ZAIKEHUDUANHEFUWUQIDUANJIANLILIANJIEYIHOU,SHUANGFANGJIUKEYITONGGUOsendHErecvHUOQITAMIANXIANGLIANJIEDESocketAPIHANSHUJINXINGWANGLUOTONGXINLE。

3.2 通信协议

计算机和以太网转串口模块之间用SOCKET进行通信,模块和执行机构之间则采用TTL电平通信,采用统一的通信协议。计算机为主动通讯设备,即所有的对话均由控制计算机发起,执行机构只是被动的应答命令。

协议中信息帧主要分为两种:数据帧与命令帧。它实现一般信息通信功能。数据帧包含一般的I/O信息,而命令帧则包含控制、查询及设置等命令。为保证信息传送的准确性,每条命令必须进行校验(校验和1),如果命令后有命令参数的话,要再次校验(校验和2)。执行机构返回的信息也要校验。校验的方法可采用逐字节异或的方式。

KONGZHIJISUANJIMINGLINGGESHIRUXIA:

执行机构返回:

贵州快3SHUJUTOUYIFANGMIANZUOWEIYICIXINXIKAISHIDEBIAOZHI,LINGYIFANGMIANYONGZUOXIAOYANMINGLING。MINGLINGMAHEMINGLINGFANHUIMAYINGYIZHI,BAOZHENGKONGZHIJISUANJIKEYIJIESHOUDAOZHENGQUEDEMINGLINGFANHUIXINXI。

3.3 软件初步模型

贵州快3TU4SHIMUQIANYONGYUXITONGCESHIDEKEHUDUANRUANJIANDECHUBUMOXING,TONGGUODIAOSHIYANZHENG,QIGONGNENGYIJINGNENGJIBENMANZUDANGQIANDECESHIXUQIU:

(1)每个执行机构都有一块与其对应的以太网转串口模块,且每个模块都有自己固定的IP地址:输入IP可与指定执行机构进行连接,可以与多台执行机构同时进行连接并操控。
(2)通过握手指令来确认连接是否已经成功。若连接不正常,则进行握手时系统会收到来自执行机构的错误报告。
(3)可查询当前执行机构的运行位置、运行状态、以及其参数的设置情况等。
(4)对执行机构的参数进行远程设置:在执行机构投入使用之前,都必须按照需求对其进行相应的参数设置;在使用过程中亦可通过此功能来改变设置。
(5)可以通过指定开度百分比让执行机构运行到任意的目的位置。
(6)可以指定方向让执行机构贵州快3正反转或者停止,也可进行自主运行。

TU4 KEHUDUANRUANJIANCHUBUMOXING

4 总结及展望

BENWENZUOZHECHUANGXINDIAN:JICHULEJIYUVCDEZHIXINGJIGOUYITAIWANGJIANKONGXITONGDESHEJIFANGAN,SHIXIANLEGAOXIAO、KUAIJIEDEYUANCHENGKONGZHI。ZAIXIAYIBUDEKAIFAZHONG,SHIBENXITONGDEYINGYONGRUANJIANYUSHIMIANSHANGTONGYONGDEGONGKONGZUTAIRUANJIANXIANGJIANRONG:BIRUYIBANDEZUTAIRUANJIANDOUHUIQIANRUModBus/TCPXIEYI,BENRUANJIANNENGGOUZAINEIBUWANCHENGDUIGAIXIEYIDEZHUANHUAN。YEJIUSHIDANGZUTAIRUANJIANFACHUKONGZHIMINGLINGHOU,BENRUANJIANNENGGOUSHIBIEMINGLINGBINGNENGGOUJIANGQIZHUANHUANCHENGZHIXINGJIGOUNENGGOUSHIBIEDEZIDINGYIXIEYI,LAIJIANJIEDEDUIZHIXINGJIGOUJINXINGKONGZHI。ZHEIYANG,XITONGJIUNENGGOUYUZUTAIRUANJIANSHIXIANKONGZHISHANGDEJIANRONG,BINGDADAOXIANCHANGSHUJUDEGONGXIANG。

总之,随着以太网传输速度的不断加快以及在确定性、实时性、可靠性方面性能的不断改善,工业以太网无疑会在未来的控制网络中扮演越来越重要的角色。

参考文献:

[1] 冯冬芹,廖智军,金建祥,褚健.基于以太网的工业控制网络实时通信模型研究.仪器仪表学报,2002,26(9):891-894
[2] 朱雍杰,王成,杨新志.基于工业以太网的控制系统及其应用层协议的设计.微计算机信息,2006.22,5-1:74-76
[3] 76Felser,M.Sauter,T“Standardization of industrial Ethernet-the next battlefield”Factory Communication Systems,2004,pp.413-421







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