基于PK體系的工業(yè)信息網(wǎng)關(guān)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

兌志魁，焦 點(diǎn)，鄭自菲，王志遠(yuǎn)

（鄭州軌道交通信息技術(shù)研究院，鄭州 450066）

智慧工廠的概念在10年前就已經(jīng)出現(xiàn)，它是繼電氣化、信息化之后更高層次的工業(yè)建設(shè)目標(biāo)，即智能化。2011年德國(guó)也已提出工業(yè)4.0；2015年《中國(guó)制造2025》更是明確指出，要顯著提升制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能化水平，降低運(yùn)營(yíng)成本、縮短生產(chǎn)周期、降低不良品率；到2025年，制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域全面實(shí)現(xiàn)智能化。

智慧工廠建設(shè)必須有充足的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的各類信息的采集與控制。然而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不僅種類多、數(shù)量多，而且涉及不同廠商、不同通信協(xié)議，另外傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基本采用單獨(dú)線路控制，不能及時(shí)共享信息，不利于綜合決策控制，仍然需要大量人工干預(yù)，這時(shí)就需要用到智能網(wǎng)關(guān)。類似的，在銀行交易系統(tǒng)上已有相似產(chǎn)品的應(yīng)用，用于不同系統(tǒng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換以及網(wǎng)絡(luò)隔離；在軌道交通控制系統(tǒng)中也有近似概念的產(chǎn)品應(yīng)用。但是，針對(duì)智慧工廠建設(shè)的智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用還不是很廣泛，尤其是基于自主國(guó)產(chǎn)化處理器平臺(tái)的產(chǎn)品更為稀缺。國(guó)產(chǎn)化軟硬件的搭建也能夠有效打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)的重大提升。

在此，本文以FT 2000A/2 芯片為主控芯片，以麒麟V4 操作系統(tǒng)[1]作為網(wǎng)關(guān)平臺(tái)使用的操作系統(tǒng)，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的工業(yè)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了支持包括Modbus[2]（一種工業(yè)電子設(shè)備間常用的串行通信協(xié)議）、OPC[3]（OLE for process control，一種工業(yè)過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議）、IEC104[4]和一種由國(guó)際電工委員會(huì)制定的電力規(guī)約，電表645 （一種常用電表通訊規(guī)約）協(xié)議等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集處理，并能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，建立起智慧工廠平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息交互的橋梁。

1 網(wǎng)關(guān)組成及工作原理

智能網(wǎng)關(guān)分為硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及網(wǎng)關(guān)配套調(diào)試軟件簇三大部分。硬件部分包含設(shè)計(jì)的主控芯片最小系統(tǒng)，外接RS232/485 串口、千兆/百兆網(wǎng)口和支持寬電壓輸入的電源；軟件設(shè)計(jì)包含網(wǎng)關(guān)主程序、各采集轉(zhuǎn)發(fā)子協(xié)議程序和調(diào)試服務(wù)程序；網(wǎng)關(guān)配套調(diào)試軟件簇包含協(xié)議文件編輯、生成、遠(yuǎn)程終端調(diào)試及生產(chǎn)燒錄等程序。三個(gè)部分相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)的功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)硬件總體設(shè)計(jì)

硬件總體設(shè)計(jì)主要是指采集開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)，它用于負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集處理和協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)。采集開(kāi)發(fā)板被設(shè)計(jì)為一個(gè)最小主控芯片系統(tǒng)，使用FT 2000A/2 芯片[5]為主控芯片，外接存儲(chǔ)、電源和接口等模塊，具體組成如圖1所示。智能網(wǎng)關(guān)的硬件技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 采集開(kāi)發(fā)板組成Fig.1 Composition of acquisition development board

表1 智能網(wǎng)關(guān)硬件技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of smart gateway hardware

2.2 寬電壓電源模塊電路

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境沖擊性較大，為了增加系統(tǒng)的安全性和魯棒性，網(wǎng)關(guān)采用寬電壓供電設(shè)計(jì)。電源模塊的電路如圖2所示。

圖2 寬電壓電源模塊電路Fig.2 Circuit design of wide-voltage power module

2.3 網(wǎng)口自適應(yīng)模塊電路

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備存在不少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備往往接口復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)傳輸通訊傳輸速率不一，在此設(shè)計(jì)自適應(yīng)以太網(wǎng)，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)模塊電路[6]如圖3所示。

圖3 網(wǎng)口自適應(yīng)模塊電路Fig.3 Circuit of network port adaptive module

2.4 RS232/485 串口模塊電路

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備存在不少串口設(shè)備，串口設(shè)備支持不同的串口協(xié)議，往往存在需要232 和485 之間的串口轉(zhuǎn)換[7]，為了便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝，減少串口轉(zhuǎn)換電路帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了RS232/485 便攜調(diào)整串口通訊模塊，所設(shè)計(jì)的電路如圖4和圖5所示。

圖4 輸入?yún)?shù)設(shè)置Fig.4 Input parameter setting

圖4 RS232 模塊電路Fig.4 Circuit design of RS232 module

圖5 Modbus RTU 通信設(shè)備整體程序調(diào)用Fig.5 Modbus RTU communication equipment overall program call

圖5 RS485 模塊電路Fig.5 Circuit design of RS485 module

2.5 硬件電路PCB

最終設(shè)計(jì)的硬件電路PCB 如圖6所示。

圖6 硬件電路PCBFig.6 Hardware circuit PCB

3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能網(wǎng)關(guān)配置協(xié)議設(shè)計(jì)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備往往采用不同的協(xié)議設(shè)備、設(shè)備的數(shù)量和種類繁多，并且存在后期維護(hù)更換及調(diào)整帶來(lái)的變化，智能網(wǎng)關(guān)需要靈活配置以適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。因此，設(shè)計(jì)環(huán)境配置協(xié)議來(lái)方便網(wǎng)關(guān)獲取現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境配置，實(shí)時(shí)靈活的對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)整，提高設(shè)備的兼容性、可靠性，以便于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的搭建。

設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)配置協(xié)議由通道、設(shè)備及采集轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)簽3 部分：

（1）通道：通道跟配置的具體的采集轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議具體相關(guān)，通道配置告訴網(wǎng)關(guān)應(yīng)該調(diào)用什么子協(xié)議進(jìn)行通訊，通訊的具體參數(shù)是什么。

（2）設(shè)備：設(shè)備包含了支持此種通訊協(xié)議設(shè)備內(nèi)部的配置參數(shù)，方便子協(xié)議根據(jù)設(shè)備地址等參數(shù)連接通訊設(shè)備。

（3）采集轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)簽：包含了需要具體采集轉(zhuǎn)發(fā)的具體數(shù)據(jù)標(biāo)簽參數(shù)、數(shù)據(jù)類型等，子協(xié)議據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。

通道、設(shè)備和采集轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)簽和網(wǎng)關(guān)通訊之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 配置協(xié)議設(shè)計(jì)框架Fig.7 Design framework of configuration protocols

3.2 智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)基本的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)功能，并用于和調(diào)試軟件交互，實(shí)現(xiàn)故障查找、設(shè)備授權(quán)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境配置等功能。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件框架如圖8所示。智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件組成如表2所示。

圖8 系統(tǒng)軟件框架Fig.8 System software framework

表2 智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件組成Tab.2 Software composition of smart gateway system

3.2.1 網(wǎng)關(guān)主程序

網(wǎng)關(guān)主程序用于根據(jù)網(wǎng)關(guān)配置協(xié)議文件進(jìn)行子協(xié)議通訊的協(xié)調(diào)調(diào)度，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行后，主程序首先檢測(cè)設(shè)備加密授權(quán)狀態(tài)，若未通過(guò)，則直接結(jié)束，拒絕工作，驗(yàn)證通過(guò)后解析協(xié)議配置文件，解析到需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的子程序通訊后，就會(huì)根據(jù)配置好的子協(xié)議名稱進(jìn)行對(duì)應(yīng)程序的調(diào)度，并把對(duì)應(yīng)子協(xié)議需要的配置信息打包傳遞給對(duì)應(yīng)的子協(xié)議程序。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程Fig.9 Main program flow chart

3.2.2 子協(xié)議通訊程序

子協(xié)議通訊程序和主程序配合，最終具體負(fù)責(zé)和設(shè)備交互進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)。子協(xié)議程序被主程序調(diào)用后，首先解析同步發(fā)送給自己的協(xié)議配置軟件，然后根據(jù)設(shè)備和數(shù)據(jù)標(biāo)簽的配置信息和設(shè)備建立通訊，完成數(shù)據(jù)采集或轉(zhuǎn)發(fā)。子協(xié)議通訊程序流程如圖10所示。

圖10 子協(xié)議通訊程序流程Fig.10 Flow chart of sub-protocol communication program

3.2.3 網(wǎng)關(guān)調(diào)試接口軟件

網(wǎng)關(guān)接口調(diào)試軟件用于和上層調(diào)試軟件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的加密授權(quán)、程序迭代及轉(zhuǎn)發(fā)重要的調(diào)試信息方便網(wǎng)關(guān)調(diào)試。在上層調(diào)試軟件和網(wǎng)關(guān)建立連接后，根據(jù)上層調(diào)試軟件的指令進(jìn)行對(duì)應(yīng)的功能操作，程序流程如圖11所示。

圖11 調(diào)試接口程序流程Fig.11 Flow chart of debugging interface program

4 網(wǎng)關(guān)配套調(diào)試軟件

為了便于網(wǎng)關(guān)的生產(chǎn)及日常應(yīng)用調(diào)試，開(kāi)發(fā)了網(wǎng)關(guān)配套的軟件，具體的模塊功能如表3所示。

表3 智能網(wǎng)關(guān)調(diào)試軟件組成Tab.3 Composition of smart gateway debugging software

5 網(wǎng)關(guān)的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，首先通過(guò)購(gòu)買材料和開(kāi)發(fā)套件完成網(wǎng)關(guān)PK 體系[8]平臺(tái)部分的制作，將網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序通過(guò)交叉編譯下載到智能網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上，最終得到組裝后的智能網(wǎng)關(guān)如圖12所示。

圖12 智能網(wǎng)關(guān)Fig.12 Intelligent Gateway

本文根據(jù)實(shí)際模擬搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)5 個(gè)支持Modbus-RTU 協(xié)議的智能電表進(jìn)行信息采集。通過(guò)配套的調(diào)試軟件根據(jù)實(shí)際環(huán)境配置通道、設(shè)備和采集標(biāo)簽，構(gòu)造成配置文件，通過(guò)軟件下載到網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。通過(guò)軟件得到的日志流式數(shù)據(jù)[9]可以看出，網(wǎng)關(guān)已經(jīng)能夠正常進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)調(diào)試軟件得到的日志報(bào)文信息如圖13所示。

圖13 日志報(bào)文信息Fig.13 Information of log message

將配置好的網(wǎng)關(guān)接入實(shí)際的智慧工廠平臺(tái)環(huán)境，測(cè)試環(huán)境使用5 路智能電表，配置采集5 路的電表電壓和溫度等數(shù)據(jù)，上層的空調(diào)監(jiān)控平臺(tái)接收網(wǎng)關(guān)通過(guò)Modbus-TCP 進(jìn)行匯總轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，最終通過(guò)平臺(tái)界面可以看出能夠正常的獲取設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)。實(shí)際驗(yàn)證環(huán)境如圖14所示。

圖14 驗(yàn)證測(cè)試環(huán)境及結(jié)果Fig.14 Verification test environment and results

6 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的智能網(wǎng)關(guān)以PK 體系作為應(yīng)用平臺(tái)，支持Modbus，OPC，IEC104 和645 等多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備協(xié)議[10]，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)程序及對(duì)應(yīng)的配套調(diào)試軟件，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室及實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證，表現(xiàn)出高可靠性、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文探索了國(guó)產(chǎn)PK 體系在智能網(wǎng)關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，為網(wǎng)關(guān)領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化核心技術(shù)的突破提供了新的方向。經(jīng)過(guò)功能驗(yàn)證，該網(wǎng)關(guān)可以滿足設(shè)計(jì)和用戶的要求，具有良好的兼容性和擴(kuò)展性。