工業以太網OPEN IE的數據通訊方案

1 引言

在當今自動化領域，網絡結構已經被廣泛地應用于各行各業的工業環境中，它是構成各類控制系統的基礎，其性能直接影響著系統整體的綜合指標，不同的網絡種類形式如：串口通訊、現場總線、以太網等已在各類場合獲得了驗證和發展，但隨著近年來it技術的迅猛發展，這種格局正在發生著巨大的變化，特別是以太網技術正由商業向工業、上層向低層、低速向高速、非實時向實時、封閉向透明、層次化向扁平化等方面全面發展和延伸，并融合了各類現場總線的技術和協議，再加上低成本的刺激和速度的提高因素，全球各自動化巨頭廠商也不斷推出“e網拉平到底”成功案例，傳統的控制系統卻不得不面對這一強勁的挑戰，以太網進入工業控制領域并融入現場通訊技術已成為現實。

對于未來自動化網絡技術的主角，從現有市場應用角度看，以太網iso/osi七層模型中頂層應用層協議的標準化、通用性和開放性是決定各供貨商設備彼此間是否可具備互操作性的首要條件，應用層協議的標準和開放為不同層次、不同廠商、不同種類的設備實現互聯通信及實現高效的統一管理提供了良好的實現平臺，縱觀西門子工業以太網simatic ie的發展就順應了這一市場的需求和趨勢，simatic ie體系架構如圖1所示。



圖1 simatic ie體系架構圖

simatic ie所遵循的技術發展路線正是全面體現標準化、通用性及開放性這一戰略，它兼顧了效率、實時性、確定性、靈活性等各方面綜合因素，包含了標準以太網和定制以太網，simatic ie基于“tcp/ip＋標準化（profinet）＋通用性（s7/s5兼容、it、iso等通信）＋開放性（開放式ie）”這一模式是對當前工業以太網發展模式的最好詮釋，其中s7通信和s5兼容通信是simatic plc家族的標準通信協議，其應用接口的通信不依賴特定的總線系統，它包含simatic net系統范圍內基于以太網的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準協議(tcp native、iso on tcp、udp)堆棧在應用層上實現開放的通訊服務，相當于直接socket訪問的服務功能，通常稱為開放式ie通訊，其數據交換是通過send/receive接口或t blocks接口來實現的，它是基于西門子s7 plc控制層面所集成的以太網服務功能,支持與第三方通訊伙伴用于以太網或tcp/ip的數據流通信；開放式ie通訊為用戶編程提供一個“空應用頂層”的以太網服務來支持tcp/ip端口的自由通訊，適合于二進制或者ascii碼與外部設備進行自由約定協議或特定專用協議的數據通信。

2 流程工藝

某半導體有限公司作為一家專業從事微處理器mcu、ic以及功率半導體分立器件生產、銷售業務的企業，其公司的ic產品的包裝、貼標、稱重、輸送、檢測分選等后道工序中所包含的檢測采集設備有稱重儀表、標簽打印機、條碼掃描儀、噴碼機、分選儀等，這些第三方設備的共性表現為：設備分布范圍廣且布線成本高、協議繁瑣且各不相同、物理層不統一組網性能差且維護復雜、實時性要求不高且通信量不均等因素，基于上述設備的聯網方案當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)各類現場總線或設備總線

(4)工業平板電腦/嵌入式計算機

(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來擴充串口聯網功能，但這存在不同物理層（rs232/422/485）和不同協議的限制，勢必會造成擴展多個串口來連接這類設備，使系統成本升高、布線復雜，另外還受到傳輸速率低、通信距離短和維護困難等因素的限制，因此利用工廠范圍內現有共享的以太網公共傳輸通道相比上述解決方案更具備明顯的優勢。

首先基于osi以太網七層模型的低層部分具有統一的網絡介質訪問層，即物理層和數據鏈路層符合ieee 802.3規范，這意味著以太網絡硬件的物理接口和驅動程序層面得到了統一，各類以太網標準端口及線纜的選擇標準及它們組合使用，為以太網端口設備的互聯提供了極大的便利，確保此類設備可快速方便地共享以太網公共傳輸通道的信息。

其次osi以太網模型的中間層部分傳輸層/網絡層，它提供了統一的基于ip的tcp/udp協議,它具有結構簡單標準、網絡資源易整合和支持高速通信的優勢，其中udp是基于ip的簡單快速數據傳輸協議，由于它在發送的數據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據吞吐量，但它面向數據包的傳輸，而非面向連接的特性，決定了udp協議數據傳輸中存在著不安全的隱患；而rfc1006中的“iso-on-tcp”是tcp協議的一種擴展，它在tcp/ip協議中定義了iso傳輸的屬性，集合了高速通訊和路由兼容性的優勢，支持帶確認的數據塊傳送，具有極高的通信可靠性，但當前僅限于simatic s7家族產品內部所使用，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以太網通訊成為我們首選。

綜合以上闡述可得出采用統一介質訪問層、標準tcp/ip傳輸網絡層和開放應用層的以太網來實現這些第三方通訊設備聯網，是此流程自動化控制的首選方案，因此針對上述工業數據采集領域的現狀，我們制定了基于tcp/ip的以太網通信解決方案，包括設備投資、布線、維護和編程難易程度所產生的總體成本可大為降低，它不單獨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控制層的協同工作效率也得到了提高，降低了維護成本并進一步簡化了網絡結構，并對今后系統功能擴充及升級也帶來了極大的便利，符合各制造商們日益關注的價值主張。
3 開放式ie功能實現

3.1系統組成

本系統現場設備主要包含有：godex熱敏標簽條碼打印機、metrologic條形碼掃描儀、tcs電子臺秤和輥道秤等等，為滿足這些設備數據處理和控制的要求，采用帶有cp343-1通信處理機的s7-300 plc并充分利用工廠現有的局域網資源，組成一個基于tcp/ip數據流的工業以太網通信方案，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揮，系統組成如圖2所示。



圖2 系統示意圖

s7-300cp模板的s7應用程序是基于s5兼容接口send/receive來實現開放式ie通信，cp它最多可同時建立16個tcp/ip任務資源的連接，雖然tcp/ip是基于面向數據流通信的服務，而非基于消息的數據包傳輸服務，這就意味著發送的數據沒有任何有用于數據的信息，例如長度、起始和結束信息，接收端只能提供相對應的接收長度和特征符來獲取正確的信息，因此需考慮send/receive收發功能的輸出參數及狀態的判別，來協調雙方的請求和響應以確保雙方可靠通信，另外對于接收方還需注意接收緩沖區數據流的定位問題，總之send/receive接口所集成的基于tcp/ip的socket接口訪問為實現與第三方設備的數據交換提供了靈活多樣服務，基于tcp連接的接口框圖如圖3所示。