關(guān)鍵詞：PDS；串口；以太網(wǎng)；泓格；I-7188EX 為什么需要設(shè)備服務(wù)器 在產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)源是由大量的基礎(chǔ)設(shè)備提供，包括：傳感器、二次儀表、PLC、CNC 控制臺(tái)、讀卡器、UPS、LED 看板等，而這些設(shè)備大部分均只提供RS-232 和RS-422/485 通訊介面。由這些設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在架構(gòu)上是屬于孤立的封閉的系統(tǒng)，在各控制系統(tǒng)之間，以及各控制系統(tǒng)與企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）之間無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效及時(shí)的交換，從而在傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)中形成了大量的“信息孤島”。 在當(dāng)前的自動(dòng)化應(yīng)用中，一個(gè)重要的趨勢是以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛采用，企業(yè)的信息層均已采用Ethernet 完成通信，并進(jìn)一步地延伸至車間級和現(xiàn)場級。以太網(wǎng)進(jìn)軍工業(yè)自動(dòng)化的最主要?jiǎng)恿κ牵阂蚱毡閼?yīng)用所形成的硬件資源、軟件資源和廣泛支持。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，Ethernet 是世界上應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò)，超過93%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為Ethernet。因?yàn)橐蕴W(wǎng)節(jié)點(diǎn)的廣泛應(yīng)用，在近十年內(nèi)以太網(wǎng)通信速度的提高及采購成本的大幅降低是異常引人注目的趨勢。 基于TCP/IP 的Ethernet 構(gòu)成的工廠網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是將工廠的商務(wù)網(wǎng)、車間的制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了暢通的透明網(wǎng)絡(luò)，并與WEB 功能相結(jié)合，與工廠的電子商務(wù)、物資供應(yīng)鏈和ERP 等形成整體。 那么這是否意味著為了建立即時(shí)高效的以太網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，那些缺少以太網(wǎng)或TCP/IP 聯(lián)網(wǎng)能力的設(shè)備和投資都過時(shí)了，必須將成功運(yùn)行多年的原有系統(tǒng)均淘汰重建？答案是否定的！籍由串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提供的犀利功能，可以使您的串口設(shè)備立刻成為具備以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)能力的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如圖一所示： [align=center] 圖一：串口設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)乃大勢所趨[/align] 考慮到大部分的現(xiàn)場機(jī)電工程師對TCP/IP、Socket API、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議7 層架構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知識(shí)都不是很熟悉；同時(shí)作為已經(jīng)投入使用的SCADA 系統(tǒng)，也不允許輕易改變I/O 的讀取方式。因此對于設(shè)備服務(wù)器最初的要求是以較低的價(jià)格、較高的可靠性使串口設(shè)備實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)能力，對于SCADA 系統(tǒng)而言，通過外掛廠家提供的設(shè)備服務(wù)器驅(qū)動(dòng)程序，使設(shè)備服務(wù)器的串口變成PC 管理終端的實(shí)端口，從而在不必重新撰寫SCADA 系統(tǒng)的I/O 驅(qū)動(dòng)程序的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速升級。 [align=center] 圖二 泓格可編程設(shè)備服務(wù)器方案[/align] 但是在部分的進(jìn)階應(yīng)用中，此種模式存在較大的局限性，因此業(yè)界開始提出可編程設(shè)備服務(wù)器（Programmable Device Server，PDS）的概念，以解決此問題。在各廠家中，以ICPDAS 泓格為得風(fēng)氣之先者。針對不同的應(yīng)用場合，泓格提供高中低搭配的可編程設(shè)備服務(wù)器的方案，如圖二所示： 在下文中筆者將就泓格PDS 的定位及應(yīng)用方式加以說明，在文章的最后，將以山東某化工廠的應(yīng)用為例具體說明采用PDS 與傳統(tǒng)設(shè)備服務(wù)器之間的區(qū)別。 可編程設(shè)備服務(wù)器PDS 的應(yīng)用方式 [align=center] 圖三 泓格PDS 的應(yīng)用方式[/align] 如上圖，PDS 可以有三種應(yīng)用方式：虛擬串口（Virtual COM）方式、TCP/IP Socket 編程方式、Web Server 方式。其中虛擬串口方式為一般設(shè)備服務(wù)器常用的應(yīng)用方式，以I-7188EN 為例：該設(shè)備服務(wù)器在出廠時(shí)即內(nèi)置有VCOM3009 的Firmware，用戶使用泓格提供的VxComm 驅(qū)動(dòng)程序，可以將I-7188EN 的串口映射成PC 的標(biāo)準(zhǔn)串口（如COM3/COM4 等），一臺(tái)基于Windows 系統(tǒng)的PC 最多可以管理256 個(gè)串口設(shè)備，如圖四所示。VCOM3009 采用UDP 方式發(fā)送報(bào)文，可以允許多臺(tái)上位機(jī)訪問該串口設(shè)備服務(wù)器，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量的不同，4～8 臺(tái)上位PC均在系統(tǒng)的有效負(fù)荷能力之內(nèi)。 [align=center] 圖四 虛擬串口應(yīng)用方式[/align] 第二種方式屬于進(jìn)階的應(yīng)用，利用泓格PDS 提供的特定的TCP 端口，通過Socket 存取數(shù)據(jù)，這種方式可用于任何TCP/IP 的連接，而不會(huì)局限于某個(gè)特殊的操作系統(tǒng)，或受限于某種特殊的設(shè)備，如圖五。常用的TCP 端口包括： 􀁺 ●Port502 為Modbus/TCP 端口 􀁺 ●Port9999 為I-8000E I/O 讀寫端口或自行定義 􀁺 ●Port10000 為設(shè)置端口或自行定義 􀁺 ●Port10001 為COM1 􀁺 ●Port10002 為COM2 ...... 利用泓格X-Server 集成開發(fā)環(huán)境提供的強(qiáng)大功能，用戶可以輕易地實(shí)現(xiàn)多種高級應(yīng)用模式，如TCP Server（允許串口設(shè)備被動(dòng)連接到TCP 網(wǎng)絡(luò)）、TCP Client（允許串口設(shè)備主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)）、UDP Server/Client（實(shí)現(xiàn)基于UDP 協(xié)議的快速封包傳送和多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送）等。X-Server 支持的功能包括：TCP/IP 函數(shù)庫；虛擬串口技術(shù)；Modbus/TCP 函數(shù)庫等。其中TCP/IP 函數(shù)庫支持的以太網(wǎng)通訊協(xié)議包括： 􀁺 ●TCP 傳輸控制協(xié)議 􀁺 ●UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議 􀁺 ●IP Internet 協(xié)議 􀁺 ●ICMP Internet 控制信息協(xié)議 􀁺 ●ARP 地址分析協(xié)議 􀁺 ●RARP 保留的地址分析協(xié)議 [align=center] 圖五 TCP/IP Socket 編程方式[/align] 以下為透過泓格X-Server 集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)通訊實(shí)例，從程序中可以看出， 程序員只需對BuildSocket 、ReceiveSocketBinaryCmd 、SendSocketBinaryCmd、KillSocket 等幾個(gè)簡單的函數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，而無需復(fù)雜編程。 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ #include #include #include "..\..\lib\8000.h" #include "..\..\lib\VXCOMM.H" #include "Vsocket.h" #define SVR_PORT 5000 //server linst port #define SVR_IP "192.168.0.18" //server ip address extern int bLedControl; int iNeedConnect,iOutskt; unsigned char iTemp=1; void UserInit（void） ｛ InstallCom1（115200L,8,0）; EnableWDT（）; //Watch dog enable TimerOpen（）; //add display fun StopWatchStart（0）; //Timer（0） iNeedConnect=1; //tcp link need connect ｝ void UserLoopFun（void） ｛ unsigned long t_value; int i; int iHour,iMin,iSec; int iRet,iSend=0; unsigned char ch, TimeBuf[9],OutBuf[1024],InBuf[1024]; RefreshWDT（）; //＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ //＊ Build TCP/IP Socket //＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ if（iNeedConnect） //TCP Cennect ｛ iOutskt=BuildSocket（SVR_IP,SVR_PORT,200）; //buildsockets printCom1（"Building Sockot... SKTNO:%d\n\r",iOutskt）; if（iOutskt!=-1） ｛ iNeedConnect=0; ｝ ｝ //＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ //＊ send data //＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ StopWatchReadValue（0,&t_value）; RefreshWDT（）; if（t_value>1000） ｛ StopWatchReset（0）; iSend=1; //send flag GetTime（&iHour,&iMin,&iSec）; sprintf（TimeBuf,"%02d:%02d:%02d",iHour,iMin,iSec）; strcpy（OutBuf,TimeBuf）; if（iOutskt>0） ｛ iRet=ReceiveSocketBinaryCmd（iOutskt,InBuf,100,100）; if（iRet > 0） ｛ ToCom1Bufn（InBuf,strlen（InBuf））; ToCom1Str（"\n\r"）; if（strcmp（InBuf,"$PRINT$"）==0） ｛ printCom1（"Out:%x\n\r",iTemp）; DO_8（3,iTemp）; iTemp=iTemp<<1; if（iTemp==0） iTemp=1; ｝ ｝ ｝ ｝ //＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ //＊ Send OutBuff //＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ RefreshWDT（）; if（iSend==1 ） ｛ if （iOutskt） ｛ iRet=SendSocketBinaryCmd（iOutskt,OutBuf,strlen（OutBuf））; ｝ if （iRet < 0） ｛ KillSocket（iOutskt）; iNeedConnect = 1; ｝ else ｛ iSend=0; ｝ ｝ ｝ int UserCmd（unsigned char ＊Cmd,unsigned char ＊Response） ｛ return 1; /＊ return no error ＊/ ｝ void UserCount（void） ｛ //user defined count event; ｝ int VcomUserBinaryCmd（TCPREADDATA ＊p） ｛ return 1; /＊ any value will be accept ＊/ ｝ int VcomCmdUser（TCPREADDATA ＊p） ｛ return 1; /＊ any value will be accept ＊/ ｝ ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ PDS 的第三種應(yīng)用方式為Web Server 方式，泓格提供Web server 開發(fā)框架，該開發(fā)框架支持Form 表單和CGI。同時(shí)還提供C/C++的程示例序、文檔以及庫函數(shù)，程序員只需要調(diào)用幾個(gè)簡單的函數(shù)（例如：GetDataFromWeb（void）等），甚至于根本無需編程，只要編寫幾個(gè)Html 文檔就可以使用Web server 功能，來完成IO 數(shù)據(jù)信息采集、信息發(fā)布和設(shè)備參數(shù)設(shè)定，從而達(dá)成以太網(wǎng)無遠(yuǎn)弗屆的效果，如圖六所示。 [align=center] 圖六 Web Server 應(yīng)用方式[/align] 多功能可編程設(shè)備服務(wù)器 ●上節(jié)中所涉及的PDS 均是基于DOS_Like 的操作系統(tǒng)所建立，在具體應(yīng)用中尚存在諸多的局限性，例如： ●不能提供友善的人機(jī)界面，當(dāng)Local 需要顯示終端時(shí)，將必須使用一臺(tái)上位PC，未免有疊床架屋的嫌疑，而且在部分應(yīng)用場合，PC 因其設(shè)計(jì)上的缺陷，并不適合惡劣的工業(yè)環(huán)境。 􀁺 ●在編程上不能采用可視化編程技術(shù)，只能采用如TC、BC 等編程方式，對程序員有一定要求。 􀁺 ●存儲(chǔ)量有限制，不能適應(yīng)大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)的要求。 針對此種應(yīng)用上的需求，市場迫切需要一種既具備普通PC 的特性，如：使用的便利性、網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)方式的多樣性、廣泛的第三方軟件支持、大容量的數(shù)據(jù)庫、友善的圖形人機(jī)界面等，同時(shí)又具備高可靠性的可編程設(shè)備服務(wù)器。泓格之LinCon系列正是符合此需求的平臺(tái)。 [align=center] 圖七 LinCon 系列多功能可編程設(shè)備服務(wù)器[/align] 􀁺 ●LinCon-8000 系列采用32-bit RISC CPU，提供與普通PC 相同的鍵盤/鼠標(biāo)接口、以太網(wǎng)接口、USB 接口、標(biāo)準(zhǔn)VGA 接口等，存儲(chǔ)介質(zhì)為128MB Compact Flash。因?yàn)槭褂肦ISC 低功耗CPU，其整機(jī)功耗最大為20W，主機(jī)功耗為5W，及無磁盤、無風(fēng)扇架構(gòu)的特性，遠(yuǎn)比工業(yè)PC 更能承受工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。 􀁺 ●操作系統(tǒng)部份采用的是具實(shí)時(shí)內(nèi)核的Embedded Linux ， 視窗畫面為QT-embedded window system?？梢员苊饣谏虡I(yè)Windows 操作系統(tǒng)可能帶來的系統(tǒng)”當(dāng)機(jī)”的困擾，同時(shí)也可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)安全特性。 􀁺 ●除視窗操作畫面外，LinCon 也配置了DHCP、Http、FTP、Telnet、SSH 和SFTP Servers 等功能，可以實(shí)現(xiàn)WEB-Based I/O Control。 􀁺 ●內(nèi)建MySQL 數(shù)據(jù)庫引擎，大為提升在本機(jī)處理數(shù)據(jù)庫的能力。LinCon 的缺省配置為128 MB Compact Flash 存儲(chǔ)空間（此為用戶的應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，操作系統(tǒng)映像保存在獨(dú)立的32MB Flash 中），用戶可升級至1GB，也可通過USB外接USB 硬盤，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 􀁺 ●系統(tǒng)開發(fā)工具用戶可選C 或JAVA，LinCon 內(nèi)建JVM，在應(yīng)用程序開發(fā)方面LinCon 提供多種SDK，如：用于GUI 開發(fā)的SDK，Microsoft desktop OS Cross platform SDK，Modbus TCP/IP SDK，DCON I/O SDK 等。 可編程設(shè)備服務(wù)器在化工廠關(guān)鍵生產(chǎn)線緊急停車系統(tǒng)中的典型應(yīng)用 項(xiàng)目背景：該應(yīng)用為山東某化工廠之關(guān)鍵生產(chǎn)線緊急停車系統(tǒng)，原本只是用一臺(tái)iFix 工作站與HonyWell FCS 2004D 系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，后來iFix 工作站增加到三臺(tái)，而該HonyWell 從站設(shè)備只提供一個(gè)RS-232 串口。一般來說，RS-232 只能一對一聯(lián)結(jié)兩端 （即一臺(tái) PC 和一臺(tái) HoneyWell），無法一個(gè)串口同時(shí)連接三臺(tái) PC。 方案一：通過RS-232 至RS-485 的隔離轉(zhuǎn)換器將HoneyWell2004D 的RS-232轉(zhuǎn)換為RS-485，因?yàn)镽S-485 具有廣播的特性，允許在一條總線上有多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作。這一方案實(shí)現(xiàn)了多個(gè)iFix 客戶端同時(shí)對一臺(tái)從機(jī)，但是還是有問題。如圖八：Request 是由第二臺(tái)送出的，應(yīng)該只有第二臺(tái)收到Response，可是其它兩臺(tái)會(huì)因?yàn)镽S-485 的廣播特性，也都收到這個(gè)Response。這樣，會(huì)把另外兩臺(tái)PC 搞混淆了。所以這是一個(gè)不可行的解決方案。 [align=center] 圖八 不可行的解決方案[/align] 方案二：所以解決的辦法應(yīng)該是在iFix 工作站和HoneyWell2004D 之間加上一個(gè)通訊控制器，來實(shí)現(xiàn)PC 和從站設(shè)備間的通訊流量控制，實(shí)現(xiàn)分時(shí)通訊。最簡便的方式是在3 臺(tái)iFix 工作站和HoneyWell2004D 之間加一顆Ethernet/RS-232 的串口設(shè)備服務(wù)器，采用虛擬串口的方式實(shí)現(xiàn)iFix 工作站的分時(shí)訪問。這個(gè)方式實(shí)現(xiàn)最容易，可以滿足系統(tǒng)升級的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)iFix 工作站對從站設(shè)備的同時(shí)訪問；同時(shí)工作站與串口設(shè)備服務(wù)器間采用以太網(wǎng)方式，通訊速度大為提高。但是因?yàn)镠oneyWell2004D 的波特率最快只能調(diào)到 38400Kbps，對于此架構(gòu)而言，每臺(tái)iFix工作站的通信請求該設(shè)備服務(wù)器都需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)因?yàn)榇谠O(shè)備服務(wù)器和HoneyWell2004D 之間通訊時(shí)間過長的瓶頸而降低。所以這是一個(gè)不具效率的解決方案。 [align=center] 圖九 不具效率的解決方案之一[/align] 方案三：將上述之通用型串口設(shè)備服務(wù)器換成 Modbus/TCP 至Modbus/RTU 的Gateway——I-7188EX-MTCP，粗看上去也許會(huì)帶來效率的提高，但是其結(jié)果與方案三一樣。只要該設(shè)備服務(wù)器和HoneyWell2004D 間的數(shù)據(jù)量無法減少，整個(gè)系統(tǒng)在掃描時(shí)間上的的瓶頸就無法解決。所以這仍然是一個(gè)不具效率的解決方案。 方案四：綜上所述，問題的核心是如何將設(shè)備服務(wù)器和HoneyWell2004D 之間的通訊量減到最低以提升系統(tǒng)的效率。我們還是采用方案三的設(shè)備服務(wù)器，因?yàn)镮-7188EX-MTCP 提供用戶編程的設(shè)定，可以透過修改Modbus Firmware 的核心，將HoneyWell2004D 的數(shù)據(jù)全部收集到I-7188EX-MTCP 內(nèi)的共享內(nèi)存（Share Memory）中，而3 臺(tái)iFix 工作站都直接以Modbus/TCP 的協(xié)議透過共享內(nèi)存取得HoneyWell2004D 的所有數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖十 完美的解決方案[/align] 這種方式，對于iFix 工作站而言，它們隨時(shí)可以來I-7188EX-MTCP 的共享內(nèi)存抓數(shù)據(jù)，而且抓了就走。這部分，純粹只有Ethernet 的通訊，速度很快，iFix 工作站花在通訊上面的時(shí)間，會(huì)比原來通過串口直接以Modbus/RTU 的方式和HoneyWell2004D 通訊， 節(jié)省更多時(shí)間。而I-7188EX-MTCP 的共享內(nèi)存和HoenyWell2004D 之間的數(shù)據(jù)交換、更新，是屬于在后臺(tái)處理，iFix 工作站在取得共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，根本不需要關(guān)心這一部分是否完成了。而且I-7188EX-MTCP和HoneyWell2004D 之間的通訊量，不管Ethernet 端有幾個(gè)客戶端，RS-232 端都只會(huì)有一次的通訊量，這就給未來的系統(tǒng)升級留下了充分的余量，而且可以進(jìn)一步定制各客戶端與I-7188EX-MTCP 之間數(shù)據(jù)交換的內(nèi)容，以更充分地發(fā)揮系統(tǒng)的效 能。 在程序修改的部分，因該Modbus Firmware 已經(jīng)提供與Modbus 客戶端通訊德能力，同時(shí)也提供現(xiàn)成的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)I-7188E-MTCP 和其它Modbus/RTU 設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。所以程序員只要修改Firmware 中與HoneyWell2004D 設(shè)備通訊的代碼，將數(shù)據(jù)存入共享內(nèi)存中就可以了。 所以這一方案是一個(gè)完美的解決方案。用最小的成本和最少的程序開發(fā)時(shí)間完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初構(gòu)想，并為系統(tǒng)未來的升級留下了充分的想象空間。事實(shí)上PDS可編程設(shè)備服務(wù)器的應(yīng)用領(lǐng)域還非常的多，有待大家在具體的應(yīng)用中進(jìn)一步發(fā)揮其效能，例如以下的所列的一些領(lǐng)域： 􀁺 ●門禁控制和安防管理系統(tǒng) 􀁺 ●建筑自動(dòng)化 􀁺 ●LED 狀態(tài)顯示設(shè)備 􀁺 ●SCADA、測量儀器及監(jiān)控系統(tǒng) 􀁺 ●工廠自動(dòng)化 􀁺 ●PLC 控制與管理 􀁺 ●CNC 管理 􀁺 ●醫(yī)療/化工自動(dòng)化 􀁺 ●電力監(jiān)視系統(tǒng) 􀁺 ●POS 終端機(jī) 􀁺 ●遠(yuǎn)端圖像傳輸 􀁺 ●其它RS-232/422/485 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用