Powerlink在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李 琦 卓 杰

（內(nèi)蒙古科技大信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

Powerlink在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李 琦 卓 杰

（內(nèi)蒙古科技大信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

針對(duì)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求，對(duì)Powerlink實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用于熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行性和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了研究。在分析熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)的Powerlink熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，討論了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以及運(yùn)用FreeRTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。通過在一個(gè)原型系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，滿足熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求。

嵌入式系統(tǒng) Powerlink 工業(yè)以太網(wǎng) FreeRTOS 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

由于集中供熱方式“高效、節(jié)能”，其已經(jīng)成為我國(guó)北方地區(qū)的主流供熱方式。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用［1］。熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般由一個(gè)監(jiān)控中心和若干個(gè)熱力站組成。在目前的主流系統(tǒng)中，熱力站內(nèi)部一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式通信，監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與熱力站通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集與控制。

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，其已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的通信速率比以太網(wǎng)低很多，把以太網(wǎng)作為工業(yè)控制的解決方案并逐漸取代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是未來工業(yè)控制的發(fā)展方向。另外，以太網(wǎng)有著“一網(wǎng)到底”的優(yōu)勢(shì)［2］，便于與上層系統(tǒng)的集成。Powerlink協(xié)議具有較好的實(shí)時(shí)性、便于開發(fā)移植等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著比較廣泛的應(yīng)用前景。2012年3月，Powerlink協(xié)議被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)為首個(gè)中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Powerlink協(xié)議的研究大多集中于其在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的工程應(yīng)用，而對(duì)基于Powerlink的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用相對(duì)較少［2－3］。本文對(duì)已有的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展改造，深入研究Powerlink協(xié)議并將其應(yīng)用于熱網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備上。

1 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信方式概述

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控管理中心和若干個(gè)監(jiān)測(cè)站組成，如圖1所示。

圖1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 The heating network monitoring system

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)分為三部分：①監(jiān)控中心；②數(shù)據(jù)傳輸模塊；③現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊。熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)和監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，達(dá)到對(duì)熱力站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的系統(tǒng)，將各個(gè)熱力站所采集的數(shù)據(jù)反饋到控制中心，并通過上位機(jī)下達(dá)控制命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行調(diào)整。

每個(gè)監(jiān)控單元節(jié)點(diǎn)由A/D采集模塊、I/O控制模塊以及GPRS通信模塊組成。在傳統(tǒng)的通信方式下，它們之間采用背板總線或RS-485方式通信，監(jiān)控單元和監(jiān)控中心通過 GPRS/ADSL網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。RS-485等現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式速率較低，在對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合難以勝任，而且異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的存在需要通過網(wǎng)關(guān)等實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的通信。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制設(shè)備正被以太網(wǎng)所覆蓋，嵌入式以太網(wǎng)終端是嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。

2 工業(yè)以太網(wǎng)和Powerlink簡(jiǎn)介

2.1 幾種主流工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的比較

在工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最好解決方案［5］。比較成熟的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有：Powerlink、EtherNet/IP、Modbus TCP、ProfinetRT、EtherCat、Mechatrolink等。這些協(xié)議從性能上可分為兩類：高實(shí)時(shí)總線和低實(shí)時(shí)總線。

高實(shí) 時(shí) 性的總線 包 括 Powerlink、EtherCat、Mechatrolink。其中Powerlink實(shí)際的實(shí)時(shí)性能最高為100μs的循環(huán)周期，EtherCat實(shí)際的實(shí)時(shí)性能最高為250μs的循環(huán)周期。在這三種總線中 EtherCat和Mechatrolink需要用專用的ASIC才能實(shí)現(xiàn)。EtherCat和Mechatrolink協(xié)議在設(shè)計(jì)的過程中只是實(shí)現(xiàn)了DDL層和PHY層，對(duì)于應(yīng)用層則沒有涉及。因此，用戶在擁有了ASIC之后需要自己編寫應(yīng)用層代碼，而且不同的設(shè)備之間不能互相通信。

低實(shí)時(shí)性的總線包括EtherNet/IP、Modbus TCP、Profinet RT。這三種總線可以用普通的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，但是他們基本上是對(duì)TCP/IP協(xié)議的修改或補(bǔ)充，沒有從根本上解決通信實(shí)時(shí)性的需求。

與其他工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比，Powerlink具有明顯優(yōu)勢(shì)。它是在普通以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)的方案，無需ASIC芯片，用戶可以在各種平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)Powerlink，如FPGA、ARM、x86等。有以太網(wǎng)的地方，就可以實(shí)現(xiàn)Powerlink。在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用中，有很多對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求非常高，例如伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求通信高動(dòng)態(tài)同步，同時(shí)還有對(duì)系統(tǒng)刷新要求不是很高的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與測(cè)量，一般要求在5～10 ms的刷新時(shí)間。將Powerlink協(xié)議應(yīng)用于熱網(wǎng)控制器上，不僅能顯著提升控制器的性能，而且可以降低開發(fā)成本，具有十分重要的意義。

2.2 Powerlink協(xié)議的工作原理

Powerlink基于IEEE 802.3u快速以太網(wǎng)，是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的一種。它主要是對(duì)普通以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行修改，使數(shù)據(jù)的傳輸有了確定性的保證，而且適用于任何標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)芯片［3］。普通的以太網(wǎng)在通信的過程中采用CSMA/CD作為其介質(zhì)訪問方式，數(shù)據(jù)通信的確定性無法保證，因而無法在工業(yè)控制中得到廣泛的使用。

PowerLink運(yùn)用時(shí)間槽通信網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制（slot communication network management，SCNM）［4］來避免通信過程中可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碰撞。時(shí)間槽管理機(jī)制（SCNM）如圖2所示。

圖2 時(shí)間槽管理機(jī)制原理Fig.2 Principle of slot communication network management（SCNM）

在Powerlink控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元作為管理節(jié)點(diǎn)，用MN表示，其他節(jié)點(diǎn)作為控制節(jié)點(diǎn)，用CN表示。管理節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，支配著其他若干控制節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，管理著控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

時(shí)間槽通信周期包括起始階段、同步階段、異步階段和空閑階段四個(gè)階段。這四個(gè)階段的通信時(shí)間由管理節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)動(dòng)作的初始階段預(yù)先設(shè)定。管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)督管理各階段循環(huán)時(shí)間，以防止不同階段的通信發(fā)生沖突。

①起始階段，MN發(fā)送SOC幀，其他CN將接收到此幀的時(shí)間作為本節(jié)點(diǎn)的同步節(jié)拍，就此同步。

②同步階段，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步信息交換。MN以輪詢方式依次向各個(gè)CN節(jié)點(diǎn)發(fā)送PollReq（PollRequest）幀，CN節(jié)點(diǎn)響應(yīng)廣播PollRes（PollResponse）幀，其他所有節(jié)點(diǎn)都可以接收此幀。所有激活的CN都輪詢完畢后，MN發(fā)送輪詢結(jié)束（end of cyclic，EOC）幀，結(jié)束同步階段。

③異步階段，主要傳輸?shù)氖欠菍?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)間交換非實(shí)時(shí)信息。MN發(fā)送異步啟動(dòng)（start of asynchronous， SOA）幀。SOA幀用來標(biāo)記沒有被激活的幀，若某CN有響應(yīng)，此響應(yīng)的標(biāo)記為激活CN。

④空閑階段是異步階段結(jié)束和下一循環(huán)開始之間的時(shí)間間隔。

2.3 Powerlink應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Powerlink的以上特點(diǎn)使其在熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體如下。

①通信時(shí)間的確定性

Powerlink采用時(shí)間槽管理機(jī)制，各節(jié)點(diǎn)在統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)指導(dǎo)下，在固定的時(shí)間槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，確保了在特定的時(shí)間段只有一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了確定性實(shí)時(shí)通信。

②應(yīng)用層采用CANopen協(xié)議

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中各傳感器、控制設(shè)備之間需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較龐大，此外現(xiàn)場(chǎng)采集模塊之間也要進(jìn)行大量的信息交互傳輸。因此，Powerlink在應(yīng)用層采用CANopen，并定義了對(duì)象詞典，使得不同的設(shè)備之間可以無障礙通信。

③交叉通信

在沒有管理節(jié)點(diǎn)的支配前提下，各個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于從節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候都是以廣播的形式向各個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，因此在一個(gè)通信周期內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都可以收到此從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 基于Powerlink的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于Powerlink實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的熱網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的搭建，選用以太網(wǎng)HUB同時(shí)配合路由器將整個(gè)系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Architecture of the system network

根據(jù)控制節(jié)點(diǎn)的功能不同，將其分為三個(gè)類型，即開關(guān)量、A/D采集量、控制器設(shè)備。管理節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)HUB與控制節(jié)點(diǎn)相連。不同Powerlink控制單元通過路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)上或者工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)。

3.2 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器的硬件設(shè)計(jì)主要是在實(shí)驗(yàn)室已有的熱網(wǎng)監(jiān)控模塊基礎(chǔ)上整合其他通信接口擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口。考慮系統(tǒng)要有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較好的靜態(tài)穩(wěn)定精度控制要求，采用ARM（STM32F407ZGT6）與DP83848CVV完成控制器主要硬件部分的設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖4 控制器硬件框圖Fig.4 Block diagram of the controller hardware

控制器硬件框圖如圖4所示?？刂破鞯挠布O(shè)計(jì)是根據(jù)“一網(wǎng)到底”這一基本原則，整個(gè)控制器平臺(tái)和外界的通信僅通過10 M/100M網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)?？刂破饕許TM32F407ZGT6單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心部件，包括板載的按鍵、LCD、4路開關(guān)量輸入、4路開關(guān)量輸出、4路模擬量輸入、2路模擬量輸出、JTAG調(diào)試接口。4路模擬量輸入作為溫度、壓力采集的輸入端口，8路開關(guān)量輸入輸出作為I/O設(shè)備組控制信號(hào)的通信端口。Powerlink是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件平臺(tái)的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，所以能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的平臺(tái)，一般都能實(shí)現(xiàn)Powerlink。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景是熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)通信的速率要求低于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)考慮的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。

設(shè)計(jì)中采用的STM32F407ZGT6是意法半導(dǎo)體推出的一款高性能32位微控制器，基于ARM Cortex-M4內(nèi)核。STM32F407GT6內(nèi)部集成有高性能以太網(wǎng)MAC，需要兼容網(wǎng)卡接口芯片如DP83848CVV才可以完成以太網(wǎng)應(yīng)用。高性能的DP8384CVV芯片作為10M/100M以太網(wǎng)PHY，完全符合Powerlink對(duì)于硬件平臺(tái)的要求。采用RMII接口與STM32F407完成數(shù)據(jù)交換。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件在MDK環(huán)境下開發(fā)。Powerlink協(xié)議棧是開源的，底層的通信不需要做修改［7］。軟件移植包括FreeRTOS的移植、Powerlink移植、應(yīng)用程序的移植。軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture

從下至上，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，上位機(jī)程序與其他模塊通過隊(duì)列進(jìn)行通信。在Powerlink協(xié)議棧移植的過程中，需要修改的源碼有如下幾個(gè)：Ethernet Driver（Edrv*.c）、Virtual Ethernet Driver（Virtual Ethernet*.c）、Timermodules（EplTimeru*.c，EplTimerHighResk*.c）、Communication Abstraction Layer、EPL APILayer（EplApi*.c）。另外，對(duì)象字典在Powerlink協(xié)議中是很重要的部分而且是和應(yīng)用緊密相關(guān)的，當(dāng)用戶在其產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)Powelink時(shí)，只需要修改源碼中的對(duì)象字典。Powerlink協(xié)議會(huì)根據(jù)配置信息，將對(duì)象字典中一些對(duì)象的值打成數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，同時(shí)根據(jù)配置信息，將收到的一些數(shù)據(jù)存入對(duì)象字典中相應(yīng)的對(duì)象。

在Powerlink應(yīng)用中，采用FreeRTOS輕量級(jí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。以PC機(jī)作為管理節(jié)點(diǎn)（MN），兩個(gè)控制器作為控制節(jié)點(diǎn)（CN）實(shí)現(xiàn)Powerlink。MN、CN的啟動(dòng)程序大部分是相同的，只有節(jié)點(diǎn)ID和配置的發(fā)送數(shù)據(jù)不同。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flowchart

4 Powerlink控制器系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試分為控制器軟硬件調(diào)試和Powerlink協(xié)議棧通信測(cè)試等。硬件調(diào)試，主要是驗(yàn)證硬件電路與設(shè)計(jì)電路的一致性；軟件方面，主要是驗(yàn)證被控對(duì)象的動(dòng)作是否正常。當(dāng)從站有按鍵動(dòng)作，主站用戶任務(wù)調(diào)用EplApiReadLocalObject（）讀取從站的按鍵值，從站openPowerlink協(xié)議棧任務(wù)運(yùn)行LED燈點(diǎn)亮，同時(shí)主站控制另一個(gè)從站的LCD顯示Powerlink通信成功字樣。

對(duì)于控制系統(tǒng)通信過程的診斷、數(shù)據(jù)捕捉，系統(tǒng)通過Wireshark來實(shí)現(xiàn)。Wireshark可以診斷以太網(wǎng)協(xié)議，Powerlink是基于普通以太網(wǎng)的，因此也可以使用該工具進(jìn)行診斷，并獲取網(wǎng)絡(luò)上的Powerlink數(shù)據(jù)包。Wireshark捕捉系統(tǒng)的通信周期波動(dòng)區(qū)間為1～4 ms，抖動(dòng)約為25μs，屬于毫秒級(jí)，滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本方案通過設(shè)計(jì)Powerlink通用工業(yè)控制器，并且經(jīng)過軟件、硬件測(cè)試符合熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)要求，整合了工業(yè)控制器中傳統(tǒng)的通信方式，真正實(shí)現(xiàn)了“一網(wǎng)到底”的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了ARM嵌入式控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)組網(wǎng)。將控制系統(tǒng)應(yīng)用于熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

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Application Design of the Heating Network Monitoring System Based on Powerlink

In accordance with the demand for the application of remote heating network monitoring system，the features of the real time industrial Ethernet Powerlink and the feasibility and advantages of using it in heating network remotemonitoring system are researched.On the basis of analysing the topological structure of such monitoring system and the communication characteristics，the architecture of the Powerlink heat network remotemonitoring system composed of amaster node and several slave nodes is proposed，and the design of hardware of control system，and application software using FreeRTOS embedded real time operating system is discussed.Through experiments on a prototype system，the feasibility of the design is verified；it is able tomeet the requirements of performance for heating network remotemonitoring system.Keywords：Embedded system Powerlink Industrial Ethernet FreeRTOS Heating network monitoring system

TP29

A

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：2012MS0910）。

修改稿收到日期：2013－09－25。

李琦（1973－），男，2002年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)系統(tǒng)工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要研究方向?yàn)橹悄軆?yōu)化控制和工業(yè)遠(yuǎn)程控制等。