基于DNP3協(xié)議的PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)補傳方案

李志勉，蒙博宇，俞文光

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州310053）

在工控行業(yè)中，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，對工業(yè)數(shù)據(jù)的二次分析與處理的需求變得越來越大。 通過對大量的不同的數(shù)據(jù)進行篩選、分析和預(yù)測等，可以判斷在有限時間內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)批次相關(guān)數(shù)據(jù)等信息，為未知風(fēng)險的預(yù)判和決策提供一定程度的支撐。 而所有這些均基于數(shù)據(jù)的一致性和持續(xù)性，尤其是中藥生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，現(xiàn)場單機設(shè)備繁多，網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島、網(wǎng)絡(luò)異常、服務(wù)器宕機等異常。 數(shù)據(jù)完整性是醫(yī)藥行業(yè)法律法規(guī)的強制要求，因此對從現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備到現(xiàn)場通訊服務(wù)器，再到中心控制室數(shù)據(jù)庫平臺的斷線續(xù)傳功能的需求強烈。 然而，當(dāng)前行業(yè)中仍處于空白狀態(tài)，其他傳統(tǒng)行業(yè)中的方案一般部署專門的斷線續(xù)傳服務(wù)，通過自定義協(xié)議續(xù)傳，這與醫(yī)藥行業(yè)中對數(shù)據(jù)完整性要求仍有差距。 故在此提出了基于DNP3 開放協(xié)議的PLC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)補傳方案，其目標(biāo)在于根據(jù)中藥行業(yè)業(yè)務(wù)邏輯，實現(xiàn)斷線續(xù)傳功能，既要符合行業(yè)法律法規(guī)的要求，又實現(xiàn)用戶斷線續(xù)傳數(shù)據(jù)完整的需求，達到一定程度的創(chuàng)新性。

1 數(shù)據(jù)補傳技術(shù)分析

在醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用場景里，因網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜，控制站和控制系統(tǒng)有時沒有條件網(wǎng)線直拉，而要借助公共網(wǎng)絡(luò)或者用戶內(nèi)部交換機網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。此時網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，會造成控制站讀不到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失。

經(jīng)研發(fā)人員分析，造成數(shù)據(jù)丟失原因有2 種。①網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，導(dǎo)致有效帶寬減小，PLC 系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如modbusTCP 無法適應(yīng)這種小帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，造成數(shù)據(jù)丟失；②網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定至完全斷開，現(xiàn)場控制器無歷史數(shù)據(jù)存儲功能，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)斷開期間數(shù)據(jù)丟失。 因此，PLC 控制器需要有數(shù)據(jù)存儲能力，能記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)在本地，并能適應(yīng)小帶寬傳輸環(huán)境，將歷史數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

2 數(shù)據(jù)補傳方案設(shè)計

2.1 方案概述

數(shù)據(jù)補傳方案是一個集現(xiàn)場設(shè)備、控制單元PLC、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控HMI 等于一體的解決方案。

為解決上述問題，在此設(shè)計了PLC 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)補傳方案。 PLC 控制器首先實現(xiàn)了一個小型本地數(shù)據(jù)庫，將實時數(shù)據(jù)打上時間戳后存入數(shù)據(jù)庫，然后通過DNP3 協(xié)議中的歷史數(shù)據(jù)對象封裝本地數(shù)據(jù)，回傳給控制站。 該方案可使控制系統(tǒng)在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里具備數(shù)據(jù)補傳的能力，保證斷網(wǎng)數(shù)據(jù)不丟失，在醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域里有很好的應(yīng)用價值。

2.2 數(shù)據(jù)補傳設(shè)計

控制器首先實現(xiàn)一個基于Flash 的小型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫支持K-V 型數(shù)據(jù)存儲、訪問。 考慮到了Flash 的擦寫特性，數(shù)據(jù)庫底層進行了備份和扇區(qū)滾動設(shè)計，防止擦寫期間突然斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和避免頻繁擦寫導(dǎo)致Flash 壽命下降。

該方案在傳輸協(xié)議部位選擇DNP3 這種異構(gòu)協(xié)議進行傳輸：①DNP3 協(xié)議的鏈路層、傳輸層設(shè)計包含數(shù)據(jù)分批校驗、接收應(yīng)答、超時重傳和大數(shù)據(jù)包分包傳輸?shù)忍匦?，非常適合用于不穩(wěn)定遠距離網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸； ②DNP3 協(xié)議的應(yīng)用層使用了數(shù)據(jù)對象的概念，其中部分數(shù)據(jù)對象定義了為帶時間標(biāo)簽的位號值（見表1），非常適合用于裝載位號歷史數(shù)據(jù)。

表1 歷史數(shù)據(jù)位號對象定義Tab.1 Definition of historical data bit number object

當(dāng)現(xiàn)場處于斷網(wǎng)狀態(tài)時，PLC 控制器在本地進行數(shù)據(jù)存儲。 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，上位機作為DNP3 主站，PLC 作為DNP3 從站，開始數(shù)據(jù)補傳，其工作流程如圖1所示。

圖1 PLC 數(shù)據(jù)補傳流程Fig.1 Flow chart of PLC data supplementary transmission

步驟1上位機下發(fā)下發(fā)讀命令，對象為Class 1/2/3，索引方式為（06），表示讀取全部歷史數(shù)據(jù)；

步驟2PLC 控制器接收到命令后，開始檢索自身歷史數(shù)據(jù)，將歷史數(shù)據(jù)取出并打包為如表1中的DNP3 數(shù)據(jù)對象格式，發(fā)回至上位機；

步驟3上位機接收到數(shù)據(jù)，解析正確并完成數(shù)據(jù)庫補入后，向PLC 給出確認應(yīng)答；

步驟4PLC 收到上位機的確認應(yīng)答后，將該批歷史數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫清除。

3 數(shù)據(jù)補傳方案應(yīng)用

以國內(nèi)某中藥生產(chǎn)企業(yè)新建制劑車間應(yīng)用所設(shè)計的數(shù)據(jù)補傳方案為例。 該車間現(xiàn)場設(shè)備及工段包括稱量投料、混合、制粒、袋內(nèi)包裝、瓶內(nèi)包裝、瓶外包裝等。 經(jīng)設(shè)計，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集通過浙江中控的GCS-3，上位機數(shù)據(jù)庫使用浙江中控的VxHistorian大型數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件使用VxSCADA 軟件。該車間中藥現(xiàn)場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

通過該平臺架構(gòu)，形成了從控制設(shè)備到軟件監(jiān)控平臺的斷線續(xù)傳方案，形成了現(xiàn)場通訊服務(wù)器到中心控制室數(shù)據(jù)庫平臺的斷線續(xù)傳方案，從而能夠在網(wǎng)絡(luò)通訊中斷、通訊設(shè)備故障、通訊延時等惡劣條件產(chǎn)生的故障情況下，在控制設(shè)備端緩存一定量數(shù)據(jù)，待通訊恢復(fù)正常后，將數(shù)據(jù)在后臺自動續(xù)傳至現(xiàn)場通訊服務(wù)器和控制中心數(shù)據(jù)庫中，并利用通訊協(xié)議及算法保障續(xù)傳數(shù)據(jù)過程不會影響實時數(shù)據(jù)通訊。

圖2 中藥現(xiàn)場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network architecture of TCM field control system

4 結(jié)語

針對中藥生產(chǎn)過程中惡劣環(huán)境造成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)無法全面采集，無法滿足醫(yī)藥行業(yè)數(shù)據(jù)完整的需求，系統(tǒng)性的分析了數(shù)據(jù)補傳方案的設(shè)計方法，并設(shè)計了基于DNP3 協(xié)議的PLC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)補傳解決方案；在某中藥制劑車間項目開展了應(yīng)用，取得相應(yīng)成果。 通過該方案進行數(shù)據(jù)補傳，可以有效地解決現(xiàn)場惡劣環(huán)境造成的設(shè)備失聯(lián)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)不完整的問題，符合行業(yè)法律法規(guī)的要求，并且可以通過完整、大量的不同的數(shù)據(jù)進行篩選、分析和預(yù)測等手段，可以判斷在有限時間內(nèi)的設(shè)備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)批次相關(guān)數(shù)據(jù)等信息，為未知風(fēng)險的預(yù)判和決策提供一定程度的支撐。