基于嵌入式组态平台的数据转发模型

摘要：

本文分析工业现场信息数据转发的必要性，根据实践，总结出转发应用模式，并阐述了其在不同领域的广泛应用。然后，介绍基于WinCE平台，采用嵌入式组态软件eHMIBuilder实现数据转发的现场应用案例。最后，展望其他基于嵌入式平台的数据转发模式。

关键词：

嵌入式组态；eHMIBuilder；数据转发；Modbus。

一、转发问题提出

在复杂、庞大的现场监控系统中，往往需要管理层的中心控制室对多个现场层的数据进行集中控制。那么管理层是如何获得这些数据的呢？这就是我们这篇文章研究的重点：数据转发。

所谓的现场层，就是由现场的数据采集工作站和设备组成的。图1.1就是一个现场层实例，由现场设备控制器和现场操作平台数据采集装置TPC组成。

图1.1 现场控制实例示意图

所谓的管理层，就是管理1个或多个现场的中心层。

本文所研究的数据转发问题，主要是现场层某个控制点和下一个控制点间的数据转发，以及现场层的信息向中心管理层的数据转发。

二、数据转发环境分析

1. 信息平行转发

所谓平行转发，就是同样在管理层或者是现场层，层内的控制信息需要进行数据共享，采用转发模式。

信息平行转发的特点是转发网络多为现场总线，甚至为同一条总线。

如果每个现场有多个控制点，每个控制点和下个点都有传承关系，那么，需要把上一个点的数据转发给下一个点。

通常，我们在控制现场遇到的转发环境包括两种，一种是逻辑控制器，比如PLC直接中转数据；另外一种是通过嵌入式触摸屏TPC做中转进行数据转发。

第一种数据转发模式环境如图2.1.1所示：

图2.1.1 PLC直接数据转发示意图

现场信息是通过PLC进行数据转发的。我们可以看到信息源PLC2的数据是通过S7-226XPCN转发给TPC的。这种转发方式连接比较简单，但对PLC的性能要求比较高，比如在上面的PLC中，必须选用S7-200系列高端的PLC。同时，在S7-226XPCN中，需要做自由口通讯的编程，也有一定工作量和技术含量。

优点：结构简洁，实时性较高，专用性强。

缺点：由于硬件的限制和PLC编程的限制，扩展性较差。

这种情况的主要工作是PLC的选型和其内部逻辑编程。在本文中，我们不做主要讨论。

第二种，经过嵌入式触摸屏TPC的数据转发，如图2.1.2所示：

图2.1.2 嵌入式TPC数据转发示意图

如果PLC1需要PLC2的信息，可以通过控制柜上的触摸屏进行转发。这种方式与第一种转发情况相比，PLC可以专注于现场过程控制，数据转发的任务交给TPC来完成。
　　优点：PLC更为专注，TPC使用组态软件，转发工作量降低；模式的开放性和扩展性能更好。
　　缺点：因为TPC处理界面、存储等并行事务更多，所以，针对通讯转发的实时性能有可能减弱。
　　这种模式，在现场监控系统中应用也很广泛。由于TPC通讯扩展性很高，所以，转发模式变化很多。比如，现场对转发性能要求很低。那么，我们可以采用如图2.1.3所示一个串行总线连接多台PLC，进行数据转发。

图2.1.3 串行总线连接PLC进行数据转发

而且，如果每个控制点距离很远，可以借助以太网进行转发，那么，可以通过这个控制点的机柜上面的触摸屏TPC，和下一个控制点的机柜上面的触摸屏TPC进行数据转发。如图2.1.4所示：

图2.1.4 触摸屏TPC之间的数据转发

这种转发模式，是本文讨论的重点。

2. 信息上行转发

由于现场总线所处的特殊环境及所承担的实时控制任务是普通局域网和以太网技术难以取代的，因而现场总线至今依然保持着它在现场控制层的地位和作用，但现场层需要同上层与外界实现信息交换。
　　因为，在工业控制现场，我们一般将现场设备称为下，将管理层称为上。所谓上行转发，就是现场层的信息，需要转发给管理层的数据转发情况。因为跨层，而且信息的来源是控制现场，管理层根据现场的情况进行监控，所以，我们称信息为上行转发。
　　信息上行转发的特点是现场层为现场总线，管理层一般为以太网，甚至无线方式转发。图2.2.1是信息上行数据转发的实例：

图2.2.1 信息上行数据转发实例

实际上从数据角度看，信息上行转发包括向下发送查询/控制指令报文，同时，现场反馈数据/确认报文。也就是说，在本文我们将寄存器数据的写操作，包括在信息上行转发过程中了，下面不再赘述。

三、解决方案

1. 信息平行转发解决分析

在工业现场，我们最常见的信息平行转发是以触摸屏人机界面为核心的多智能仪表协同工作。图3.1.1是信息平行转发的实例：

图3.1.1信息平行转发实例

这时，HMIBuilder提供基于现场总线的温控仪表的驱动，采集现场温度参数。如果工艺要求的温度可以触发PLC的过程控制执行单元完成某个动作，那么，一种是这个控制逻辑可以在HMIBuilder运行的后台逻辑中，当温度判断符合条件，发出控制信号给PLC的I/O执行；另外一种是温度信号直接转换给PLC的某个寄存器，在PLC的运行逻辑中，判断是否可以执行相应的工艺动作。

然后，如果针对上面方案的PLC端加以延伸，那么，我们可以看到，可以通过ModbusRTU从驱动程序，将TPC2模拟出一个modicon的PLC了。TPC1会主动将信息写给TPC2，然后，继续下面的信息流。如图3.1.2所示：

图3.1.2信息平行转发扩展实例1

反之，如果我们将温控仪表端加以延伸，那么，我们看到，可以通过ModbusRTU从驱动程序，将TPC3模拟出一个Modicon的PLC了。TPC1会主动将读取TPC3的信息，然后，继续下面的信息流。如图3.1.3所示：

图3.1.3信息平行转发扩展实例2

2. 信息上行转发解决分析

Modbus/TCP协议是最为常用的一种开放的通信协议，是Modbus协议族中的一个，结构简单易用，广泛的应用于各种自动化设备上。因为上层管理网络常常是以太网络，所以，我们可以通过Modbus/TCP数据转发功能，实现中心站与现场各种协议、各种设备之间的数据采集和传输。

Modbus/TCP的数据通讯也是采用Master/slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求：Master端也可以直接发消息修改slave端的数据，实现双向读写。

同时，Modbus/TCP的数据通讯可以根据需要建立1个或多个TCP连接。对于Modbus/TCP设备来说，协议规定设备的TPC端口固定为502。但是，我们转发的时候，可以组态不同的端口，实现多个连接数据转发。

图3.2.1就是Modbus/TCP数据转发模型：

图3.2.1 Modbus/TCP数据转发模型[3]

在工业现场的HMI平台，eHMIBuilder中现场总线与上层网络的连接是通过Modbus/TCP数据转发，把现场总线网段或DCS连接到以太网上，来进行总线数据的上层转发。

在基于eHMIBuilder的嵌入式触摸屏TPC中，我们通过Modbus/TCP数据转发方式，就成功地解决了现场控制系统中数据转发的问题。如图3.2.2所示：

图3.2.2 基于eHMIBuilder的Modbus/TCP数据转发模型

在基于eHMIBuilder的Modbus/TCP数据转发改进点：Modbus/TPC写操作没有开放。分析Modbus/TCP协议，我们知道当TCP连接通道建立后，在通道上面，TCP报文包裹的就是Modbus主从方式的协议，所以，和现场设备的监控一样，我们通过周期循环的读操作，可以相对实时的获取现场信息，同时，主站可以触发写操作，控制现场设备的运行。这样，如果Modbus/TCP数据转发的写操作开放后，TPC就基本可以当作模拟PLC了。

3. 分布式监控分析

基于HMI平台的双提梁机车控制和实时位姿调节系统中，通过HMITECH TPC，系统完成双提梁机车GPS定位信息的互传，并通过HMI平台的CAN通讯端口，协调控制机车，实现双提梁机的速度同步、位置同步和工作同步。如图3.3.1所示：

图3.3.1车载控制系统中的数据转发实例

系统中，我们基于ModbusRTU方式的数据转发，通过无线电台传送的总线信号通道，完成两台机车信息的共享，实现了信息的平行转发。

电力自动化系统需要进一步融合多种相关的先进技术与自动化设备，使其自动化系统的规模、功能、可靠性、柔软性、灵活性、扩展性、适应性、实时性、经济性等诸方面不断地完善和提高，使系统向下支持现场总线、实现智能传感器、执行器之间可靠的数字通讯，向上能与网络接口，可实现各计算机系统的相连，将工厂中各分散和独立的具有某种特定功能的自动化系统，通过开放化的工业以太网络和分布式数据库一一集成起来，使之形成一个总体结构一体化，机、电、仪设备一体化，控制、管理和决策功能一体化，能进行局部自治和整体协调，适应生产环境和市场变化的全厂整体优化的综合自动化系统。

比如，静态无功补偿装置控制系统中[2]，如图3.3.2所示，现场控制层和中心管理层间，需要通讯管理系统进行数据转发。下图的转发系统中，我们发现转发的数据将会非常大，那么，如何稳定可靠的实现数据转发是转发的关键。

图3.3.2静态无功补偿装置控制系统

四、未来展望

1. 分布式监控

HMIBuilder通用版软件因其支持分布式的操作，不存在数据转发的问题。在同为HMIBuilder的系统中，可以通过自身的SCADA模块进行分布式软总线协调，从而实现信息共享。如图4.1.1所示：

图4.1.1 HMIBuilder中分布式转发模型

上图中：PLC是数据源，实线表示物理连接，虚线箭头表示数据流方向。通过上面的示意图，可以看出每个TPC设备都包括VIEW和SCADA两个模块，其中SCADA模块接收由PLC设备传送上来的数据，并在VIEW模块中进行显示。因其支持分布式计算，在任意TPC上都可以查看每个PLC的信息，从而实现数据共享。

但是，目前eHMIBuilder不参与分布式计算，当需要从HMIBuilder系统到非HMIBuilder系统访问数据时，其采集的现场设备的数据是如何上传给上位机？这样，Modbus/TCP数据转发就应运而生了。

2. 嵌入式其他数据转发模式

针对上行转发，我们还可以通过各种不同的协议进行转发，比如基于嵌入式OPC2.0方式数据转发。转发模型如图4.2.1所示：

图4.2.1嵌入式OPC数据转发模型[3]

OPC是一种客户/服务器结构，OPC服务器负责与具体的设备进行交互，并提供给用户一个统一的接口。OPC客户则负责与不同的OPC服务器进行交互，将这些服务器上的数据提取出来。

HMIBuilder全面支持OPC2.0，一方面，HMIBuilder作为OPC Client，可以访问任意OPC Server中的数据，另一方面，HMIBuilder提供一个应用软件HMIBuilderOPCServer.exe，来作为OPC Server，供第三方的软件来访问HMIBuilder中的数据。

今后我们的开发目标就是：让eHMIBuilder用其它的方式也能实现数据的转发。如支持内嵌Webserver和嵌入式OPC来解决数据转发的问题。

而且，让HMITECH TPC设备内嵌Web服务器，也可以是一种转发方法。