以太網現場總線的跨平臺網絡通信
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“EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)超導TOKMAK裝置”是國家九五重大科學工程。極向場電源控制系統是托卡馬克主要子系統之一，它為等離子體的產生、約束、維持、加熱，以及等離子體的電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎和控制手段。對裝置運行的性能與安全，物理實驗的成敗與效率，有著至關重要的作用。其實時性、可靠性、可擴充性要求甚高。為了滿足整個控制系統的這種高要求，整個控制系統由三層網絡組成：Windows 監測層、QNX實時控制層、現場總線執行層。
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基金項目：國家發展計劃委員會“投資(1998)1303號項目”(子項目)
作者簡介：蘭魯光(1980-)，男，碩士生，研究方向現場總線技術、實時計算機監控；傅鵬，研究員、博導；楊亞龍，博士生；吳勇，碩士生 E-mail：lanluguang@163.com
Windows 監測層選用Windows 2000平臺作為操作工作站，進行測量、監控、故障分析和波形顯示。而QNX實時控制層選用QNX6.20實時操作系統，擔負著電源系統多變量反饋電流反饋控制、系統連鎖控制、保護及各種運行方式的調配。現場總線層由大量的現場總線控制器及現場總線模塊組成，負責采集大量現場設備的狀態通過網絡傳遞給QNX實時控制層和WINDOWS監測層，并接受QNX控制層發來的控制信號控制現場設備。
2，現場總線層構建
現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。以太網現場總線就是利用當今世界上最流行的開放式局域網Ethernet作為工業I/O控制模塊的通信網絡，作為真正開放式的現場總線系統。
工業以太網協議主要有以下幾種：Modbus TCP/IP（Schneider，1998）、Interbus（Phoenix，1999）、EtherNet/IP（ODVA，1999）、IDA（Vendor Alliance，2000）、HSE（Foundation Fieldbus，2000）、ProfiNet（Profibus，2001）。
EAST極向場電源控制系統由12套電源子系統組成，在空間上具有較強的分散性，需要發送至現場的控制量信號及采集的狀態有上千個，如此分散而龐大的信號量要實現實時、可靠的通信最好的解決方法就是采用工業現場總線。考慮到以太網技術的成熟性、開放性及高的性價比，極向場電源控制系統使用德國WAGO公司的以太網總線模塊，采用Modbus Tcp/IP協議，Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其他設備之間可以通信，它已成為一種通用工業標準。通過它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡進行集中監控。
MODBUS/TCP協議是為制造自動化和過程自動化獨立設計的一種開放的現場總線標準。它是MODBUS協議的變異，可以通過TCP/IP的連接來優化現場的通訊。MODBUS/TCP協議定義了通過以太網通訊時，服務器/客戶機請求和響應消息的幀格式。如圖1所示：
通訊標識、協議標識、單元標識均為16進制0x0000，這是因為底層的IP幀頭中已經有類似的標識符。控制器通過IP幀頭已經可以識別幀是發給誰的了。消息長度是用來描述此區域后總共還有多少個字節。功能代碼是用來描述此幀數據是干什么用的。傳輸數據是用來描述想要讀寫的I/O通道，及所傳送的數據值。此外, 由于TCP/IP 協議以及鏈路層的求和校驗機制可以保證數據包傳遞的正確性,所以MODBUS/TCP協議中沒有定義CRC- 16 或LRC 校驗。
WAGO以太網總線通訊時，需要在以太網標準上疊加幾種重要的通訊協議。在ISO/OSI標準化模型的第三層網絡層上需疊加IP,ICMP和ARP協議，在第四層傳輸層視傳輸情況需疊加TCP協議或UDP協議。另外，現場總線適配器還包含了幾種額外的用戶協議以用于傳輸和接收數據。其中MODBUS/TCP協議用于對模塊讀取和寫入數據，端口號為502；Bootstrap協議用于配置總線IP地址；HTTP協議用于訪問總線適配器中存儲的HTML頁面以監控總線適配器的狀態，端口號為80。圖2所示為數據傳輸時協議的疊加情況。
在WAGO以太網總線適配器和控制器的應用層有Modbus協議的多種操作程序，通過這些操作程序實現數字或模擬輸入輸出數據的對現場總線模塊的寫入或讀出。在極向場電源控制系統中對WAGO總線模塊的操作既有讀取狀態量的操作也有發出控制量的操作，所以通常采用操作程序代碼為FC23: 0x0017.
極向場電源控制系統現場總線層由多個總線控制器、大量數字量輸入輸出模塊、少量模擬量輸入輸出模塊組成，分成12組以實現對現場12套極向場電源裝置的控制和狀態讀取，以達到遠動和監控的目的。通過100M以太網很方便的實現了現場總線控制器同12臺極向場電源子系統控制上位機的高速連接，僅僅需要使用普通的網卡、網線和一臺交換機，大大簡化了普通現場總線接線的繁瑣，性價比也較普通現場總線有較大提高。同時，由于TCP/IP協議應用技術的普遍，能通用于WINDOWS、UNIX、QNX等多種操作系統，具有良好的互操作性。
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