摘 要：針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際問題，使用列表的方法總結(jié)了通訊協(xié)議所涉及的內(nèi)容，討論了由阻塞和干擾引起的異常情況以及處理辦法，給出了工業(yè)控制系統(tǒng)通訊協(xié)議的基本規(guī)范和縱向描述表。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制，通信協(xié)議，描述表

0.引言

通訊協(xié)議在工業(yè)控制系統(tǒng)中十分重要[1]。一般來說網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有7層。其中第1部分由硬件完成，稱為物理層。第2部分由操作系統(tǒng)完成，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層。第3部分包括會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層,一般在應(yīng)用軟件里實(shí)現(xiàn)[2]。所謂在工業(yè)控制系統(tǒng)中的通訊協(xié)議均指會(huì)話協(xié)議。

合理的會(huì)話協(xié)議能夠大幅度提高硬件的操作效率，準(zhǔn)確的描述能提高程序員之間的協(xié)作效率。如何設(shè)計(jì)出高效的通訊協(xié)議并使用準(zhǔn)確的語言描述，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)分析者以及軟件設(shè)計(jì)者來說必不可少。

筆者通過總結(jié)多年的設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，得到了關(guān)于工業(yè)控制系統(tǒng)通訊協(xié)議的一些描述方法。希望能夠給廣大設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)的同行予以借鑒。

1.工業(yè)控制系統(tǒng)的基本模型

圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)的信號(hào)傳送過程

一般情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)涉及上位機(jī)、控制柜、傳感器與控制器四大部分。如圖1所示上位機(jī)主要指的是計(jì)算機(jī)，控制系統(tǒng)在這里安裝?？刂乒袷沁B接計(jì)算機(jī)、PLC（可編程控制器）、傳感器與控制器的設(shè)備，PLC是其中的主要部件。其實(shí)PLC也是計(jì)算機(jī)，在測(cè)量時(shí)，它的作用是把傳感器送來的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，稱為A/D轉(zhuǎn)換，并將這些數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)。在控制時(shí)，它的作用是把計(jì)算機(jī)送來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào)，稱為D/A轉(zhuǎn)換，并將這些數(shù)字信號(hào)送給控制器。一般來說，PLC是計(jì)算機(jī)與傳感器和控制器之間的橋梁。PLC的功能在不斷完善，現(xiàn)代的PLC完全可以替代計(jì)算機(jī)。在絕大多數(shù)情況下，人們?nèi)孕枰谟?jì)算機(jī)上運(yùn)行控制系統(tǒng)，這時(shí)便需要在PLC和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通訊。我們所說的通訊協(xié)議主要是指計(jì)算機(jī)與PLC的通訊協(xié)議[3] [4]。

2.客戶與服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)通訊總是以客戶（Client）與服務(wù)器（Server）方式進(jìn)行的。所謂服務(wù)器是指，它總是處于被動(dòng)狀態(tài)，等待客戶的詢問，負(fù)責(zé)應(yīng)答。而客戶總是處于主動(dòng)地位，在啟動(dòng)時(shí)客戶總是首先向服務(wù)器發(fā)出聯(lián)絡(luò)信號(hào)，然后等待服務(wù)器的回答。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，到底誰作客戶，誰作服務(wù)器要看具體的情況而定。一般來說，上位機(jī)是客戶，PLC是服務(wù)器，為上位機(jī)提供各種測(cè)量數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)向控制器傳送控制信號(hào)[5]。

工業(yè)控制數(shù)據(jù)可分為目標(biāo)值（Target）、設(shè)定值（Setpoint）、測(cè)量值（Measure）、操作狀態(tài)（Status）、閥門位置（Valve value）等，這是按照縱向控制界面來劃分的。如果要按照網(wǎng)絡(luò)傳輸方式來劃分，可分為：一般運(yùn)行數(shù)據(jù)（Data）、參數(shù)（Parameter）、命令（Command）、出錯(cuò)信息（Error）、消息（Message），如表1。

表1 工業(yè)控制數(shù)據(jù)通訊讀寫分類表

3.網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)

一般來說，網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議主要描述客戶如何與服務(wù)器進(jìn)行對(duì)話，所以下面的描述總是以客戶身份表現(xiàn)的。對(duì)于客戶來說有：①請(qǐng)求運(yùn)行數(shù)據(jù)、②請(qǐng)求參數(shù)、③寫參數(shù)、④寫命令，服務(wù)器應(yīng)答后便相應(yīng)的有：⑤讀數(shù)據(jù)、⑥讀參數(shù)、⑦讀錯(cuò)誤信息、⑧讀消息。這些操作之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系與它們的具體含義請(qǐng)看表2。

數(shù)據(jù)傳送過程必須由發(fā)送方和接收方共同完成。發(fā)送方收集數(shù)據(jù)并打包然后發(fā)送，接收方則在收到數(shù)據(jù)后按照協(xié)議（protocol）進(jìn)行解包后分發(fā)到各個(gè)位置上。

所謂的協(xié)議就是一種描述規(guī)范，首先必須使得接收方明確：哪一路的數(shù)據(jù)，讀還是寫，具體內(nèi)容是什么。如果要讓接收方準(zhǔn)確無誤的接收，還必須考慮到工業(yè)控制的具體情況，如阻塞和干擾。

表2 工業(yè)控制數(shù)據(jù)通訊讀寫關(guān)系說明表

4.阻塞與干擾

傳送數(shù)據(jù)的方式一般有兩種格式，即2進(jìn)制模式或文本字符模式。對(duì)于這兩種截然不同的格式來說，編寫協(xié)議的方法也大不相同。2進(jìn)制模式下整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)所占用的空間與數(shù)值的大小沒有關(guān)系，文本字符模式下則大不相同，必須充分考慮數(shù)值的取值范圍與小數(shù)點(diǎn)的位置。一般來說，2進(jìn)制模式傳送數(shù)據(jù)的效率要高的多，而文本字符模式下的糾錯(cuò)能力更強(qiáng)，而且所得到的數(shù)據(jù)可以直接顯示。在工業(yè)控制條件下，由于考慮到糾錯(cuò)方法的容易實(shí)現(xiàn)，采用文本字符模式的居多。

在不考慮阻塞（block）的情況下，接收方所得到的數(shù)據(jù)塊與發(fā)送方所發(fā)送的數(shù)據(jù)塊完全一樣，這時(shí)不必考慮起始符與結(jié)束符。但是在工業(yè)控制環(huán)境下，連續(xù)不斷地、大批量地傳送數(shù)據(jù)阻塞是不可避免的，于是像圖2所示的情況常常會(huì)發(fā)生。接收方某次所讀到的并不是發(fā)送方某一次所送來的，而是發(fā)送方第n-1塊數(shù)據(jù)的后半部分與發(fā)送方第n塊數(shù)據(jù)的前半部分，這樣如果簡(jiǎn)單的以順序解讀就必然會(huì)造成誤會(huì)。如表3中的起始符與結(jié)束符就是為了克服受阻塞條件下的接收數(shù)據(jù)的起始位值的偏移。應(yīng)該說明的是，起始符中使用過的字符不應(yīng)該在其它地方再使用。

圖2 受阻塞條件下的數(shù)據(jù)接收情況

另外，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，許多金屬設(shè)備及電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，強(qiáng)烈電磁干擾也是不可避免。本來在實(shí)驗(yàn)室里能正常傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，到了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)卻不能正常運(yùn)行。本來的正常的數(shù)據(jù)會(huì)變得不可思議。排除那些因受現(xiàn)場(chǎng)干擾（interfere）而變得不可使用的數(shù)據(jù)是非常有必要的。對(duì)付這些異常數(shù)據(jù)的辦法就是丟棄它們。這時(shí)，如何辨別它們是錯(cuò)誤的就變得非常重要。

校驗(yàn)碼（verify code）的作用就是讓接收方知道自己所接收到的數(shù)據(jù)是否受過干擾。所謂校驗(yàn)碼就是在數(shù)據(jù)塊的固定位置放置若干字符，如表3。這些字符可以是固定字符、求和（sum）或異或（Xor）求和。固定字符容易實(shí)現(xiàn)，但是難以知道其它位置的數(shù)據(jù)是否受到干擾。求和或異或求和是常用的校驗(yàn)方法，這種方法通常把求和結(jié)果轉(zhuǎn)換成兩位16進(jìn)制的文本字符碼，這兩位16進(jìn)值符號(hào)就能表示出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

5. 協(xié)議描述方法

表3是筆者在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)會(huì)話通訊協(xié)議時(shí)常用的描述方法，稱為縱向描述方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⑺獋魉偷拿總€(gè)字段進(jìn)行詳細(xì)的描述。在這里將每個(gè)所要描述的字段分為：起始位置、名稱、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容等5項(xiàng)說明。

表3 工業(yè)控制數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的格式

顯然這是一種適用于文本字符描述的協(xié)議，2進(jìn)制協(xié)議也可以參照這種方法。由于2進(jìn)制協(xié)議的任意位置可以取任何值，所以在2進(jìn)制協(xié)議中無法起始符與結(jié)束符。

6.結(jié)束語

上述的表3中描述的主要是針對(duì)串口通訊，在以太網(wǎng)環(huán)境下當(dāng)然也是可以的。一般來說，糾錯(cuò)功能在傳輸層進(jìn)行，但是由于在以太網(wǎng)環(huán)境下，傳輸層協(xié)議是由操作系統(tǒng)完成的，如TCP協(xié)議[3]，糾錯(cuò)功能自然包含在內(nèi)，所以表3中的校驗(yàn)碼可以不予考慮。

在串口通訊模式下，操作系統(tǒng)（Windows）僅僅為串口通訊建立了緩沖區(qū)，大部分傳輸層功能需要由編程者來完成，所以表3中的校驗(yàn)碼是絕對(duì)不可以缺少的。

以上的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)方法筆者已在許多地方，如山東臨清、廣西荔浦、內(nèi)蒙河套等的抄紙過程控制系統(tǒng)中廣泛使用，效果良好。

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