工業(yè)以太網(wǎng)OPEN IE的數(shù)據(jù)通訊方案

1 引言

在當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)環(huán)境中，它是構(gòu)成各類控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能直接影響著系統(tǒng)整體的綜合指標(biāo)，不同的網(wǎng)絡(luò)種類形式如：串口通訊、現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)等已在各類場(chǎng)合獲得了驗(yàn)證和發(fā)展，但隨著近年來it技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種格局正在發(fā)生著巨大的變化，特別是以太網(wǎng)技術(shù)正由商業(yè)向工業(yè)、上層向低層、低速向高速、非實(shí)時(shí)向?qū)崟r(shí)、封閉向透明、層次化向扁平化等方面全面發(fā)展和延伸，并融合了各類現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)和協(xié)議，再加上低成本的刺激和速度的提高因素，全球各自動(dòng)化巨頭廠商也不斷推出“e網(wǎng)拉平到底”成功案例，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)卻不得不面對(duì)這一強(qiáng)勁的挑戰(zhàn)，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域并融入現(xiàn)場(chǎng)通訊技術(shù)已成為現(xiàn)實(shí)。

對(duì)于未來自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主角，從現(xiàn)有市場(chǎng)應(yīng)用角度看，以太網(wǎng)iso/osi七層模型中頂層應(yīng)用層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性和開放性是決定各供貨商設(shè)備彼此間是否可具備互操作性的首要條件，應(yīng)用層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)和開放為不同層次、不同廠商、不同種類的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信及實(shí)現(xiàn)高效的統(tǒng)一管理提供了良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，縱觀西門子工業(yè)以太網(wǎng)simatic ie的發(fā)展就順應(yīng)了這一市場(chǎng)的需求和趨勢(shì)，simatic ie體系架構(gòu)如圖1所示。



圖1 simatic ie體系架構(gòu)圖

simatic ie所遵循的技術(shù)發(fā)展路線正是全面體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用性及開放性這一戰(zhàn)略，它兼顧了效率、實(shí)時(shí)性、確定性、靈活性等各方面綜合因素，包含了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和定制以太網(wǎng)，simatic ie基于“tcp/ip＋標(biāo)準(zhǔn)化（profinet）＋通用性（s7/s5兼容、it、iso等通信）＋開放性（開放式ie）”這一模式是對(duì)當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展模式的最好詮釋，其中s7通信和s5兼容通信是simatic plc家族的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，其應(yīng)用接口的通信不依賴特定的總線系統(tǒng)，它包含simatic net系統(tǒng)范圍內(nèi)基于以太網(wǎng)的s7站、s5站和pg/pc之間的相互通信；而開放式ie是指基于s5兼容通信或開放式通信專用的功能塊使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(tcp native、iso on tcp、udp)堆棧在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)開放的通訊服務(wù)，相當(dāng)于直接socket訪問的服務(wù)功能，通常稱為開放式ie通訊，其數(shù)據(jù)交換是通過send/receive接口或t blocks接口來實(shí)現(xiàn)的，它是基于西門子s7 plc控制層面所集成的以太網(wǎng)服務(wù)功能,支持與第三方通訊伙伴用于以太網(wǎng)或tcp/ip的數(shù)據(jù)流通信；開放式ie通訊為用戶編程提供一個(gè)“空應(yīng)用頂層”的以太網(wǎng)服務(wù)來支持tcp/ip端口的自由通訊，適合于二進(jìn)制或者ascii碼與外部設(shè)備進(jìn)行自由約定協(xié)議或特定專用協(xié)議的數(shù)據(jù)通信。

2 流程工藝

某半導(dǎo)體有限公司作為一家專業(yè)從事微處理器mcu、ic以及功率半導(dǎo)體分立器件生產(chǎn)、銷售業(yè)務(wù)的企業(yè)，其公司的ic產(chǎn)品的包裝、貼標(biāo)、稱重、輸送、檢測(cè)分選等后道工序中所包含的檢測(cè)采集設(shè)備有稱重儀表、標(biāo)簽打印機(jī)、條碼掃描儀、噴碼機(jī)、分選儀等，這些第三方設(shè)備的共性表現(xiàn)為：設(shè)備分布范圍廣且布線成本高、協(xié)議繁瑣且各不相同、物理層不統(tǒng)一組網(wǎng)性能差且維護(hù)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求不高且通信量不均等因素，基于上述設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)方案當(dāng)前常用的不外乎有以下幾種：

(1)模擬量輸入輸出模塊

(2)usb/rs232/rs485串行ptp通信

(3)各類現(xiàn)場(chǎng)總線或設(shè)備總線

(4)工業(yè)平板電腦/嵌入式計(jì)算機(jī)

(5)基于pc base的tcp/ip方案

上述方案中又以串口通信方式最為普遍，如s7-300 plc通過cp340/341來擴(kuò)充串口聯(lián)網(wǎng)功能，但這存在不同物理層（rs232/422/485）和不同協(xié)議的限制，勢(shì)必會(huì)造成擴(kuò)展多個(gè)串口來連接這類設(shè)備，使系統(tǒng)成本升高、布線復(fù)雜，另外還受到傳輸速率低、通信距離短和維護(hù)困難等因素的限制，因此利用工廠范圍內(nèi)現(xiàn)有共享的以太網(wǎng)公共傳輸通道相比上述解決方案更具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

首先基于osi以太網(wǎng)七層模型的低層部分具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層符合ieee 802.3規(guī)范，這意味著以太網(wǎng)絡(luò)硬件的物理接口和驅(qū)動(dòng)程序?qū)用娴玫搅私y(tǒng)一，各類以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)端口及線纜的選擇標(biāo)準(zhǔn)及它們組合使用，為以太網(wǎng)端口設(shè)備的互聯(lián)提供了極大的便利，確保此類設(shè)備可快速方便地共享以太網(wǎng)公共傳輸通道的信息。

其次osi以太網(wǎng)模型的中間層部分傳輸層/網(wǎng)絡(luò)層，它提供了統(tǒng)一的基于ip的tcp/udp協(xié)議,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)資源易整合和支持高速通信的優(yōu)勢(shì)，其中udp是基于ip的簡(jiǎn)單快速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，由于它在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中僅加入了少量的管理信息，與tcp/ip相比可獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量，但它面向數(shù)據(jù)包的傳輸，而非面向連接的特性，決定了udp協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸中存在著不安全的隱患；而rfc1006中的“iso-on-tcp”是tcp協(xié)議的一種擴(kuò)展，它在tcp/ip協(xié)議中定義了iso傳輸?shù)膶傩?，集合了高速通訊和路由兼容性的?yōu)勢(shì)，支持帶確認(rèn)的數(shù)據(jù)塊傳送，具有極高的通信可靠性，但當(dāng)前僅限于simatic s7家族產(chǎn)品內(nèi)部所使用，第三方通訊伙伴一般都不支持iso-on-tcp連接，因此面向連接的tcp/ip以太網(wǎng)通訊成為我們首選。

綜合以上闡述可得出采用統(tǒng)一介質(zhì)訪問層、標(biāo)準(zhǔn)tcp/ip傳輸網(wǎng)絡(luò)層和開放應(yīng)用層的以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)這些第三方通訊設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，是此流程自動(dòng)化控制的首選方案，因此針對(duì)上述工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的現(xiàn)狀，我們制定了基于tcp/ip的以太網(wǎng)通信解決方案，包括設(shè)備投資、布線、維護(hù)和編程難易程度所產(chǎn)生的總體成本可大為降低，它不單獨(dú)占用處理器物理端口和處理資源，在靈活性和可用性方面可有極大的提升，與plc控制層的協(xié)同工作效率也得到了提高，降低了維護(hù)成本并進(jìn)一步簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對(duì)今后系統(tǒng)功能擴(kuò)充及升級(jí)也帶來了極大的便利，符合各制造商們?nèi)找骊P(guān)注的價(jià)值主張。
3 開放式ie功能實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包含有：godex熱敏標(biāo)簽條碼打印機(jī)、metrologic條形碼掃描儀、tcs電子臺(tái)秤和輥道秤等等，為滿足這些設(shè)備數(shù)據(jù)處理和控制的要求，采用帶有cp343-1通信處理機(jī)的s7-300 plc并充分利用工廠現(xiàn)有的局域網(wǎng)資源，組成一個(gè)基于tcp/ip數(shù)據(jù)流的工業(yè)以太網(wǎng)通信方案，以滿足各工藝段的需要，也使s7-300 plc資源得到充分的利用和發(fā)揮，系統(tǒng)組成如圖2所示。



圖2 系統(tǒng)示意圖

s7-300cp模板的s7應(yīng)用程序是基于s5兼容接口send/receive來實(shí)現(xiàn)開放式ie通信，cp它最多可同時(shí)建立16個(gè)tcp/ip任務(wù)資源的連接，雖然tcp/ip是基于面向數(shù)據(jù)流通信的服務(wù)，而非基于消息的數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)，這就意味著發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有任何有用于數(shù)據(jù)的信息，例如長(zhǎng)度、起始和結(jié)束信息，接收端只能提供相對(duì)應(yīng)的接收長(zhǎng)度和特征符來獲取正確的信息，因此需考慮send/receive收發(fā)功能的輸出參數(shù)及狀態(tài)的判別，來協(xié)調(diào)雙方的請(qǐng)求和響應(yīng)以確保雙方可靠通信，另外對(duì)于接收方還需注意接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)流的定位問題，總之send/receive接口所集成的基于tcp/ip的socket接口訪問為實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)交換提供了靈活多樣服務(wù)，基于tcp連接的接口框圖如圖3所示。