一种多协议自适应网关的应用实现

张凯林，高 强，史书臣，杨雪松 ，李大华

（1.天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384；2.中海油工业自控（天津）有限公司，天津 300461）

随着工程技术的迅猛发展，针对工业现场的信息通讯出现了很多不同的通讯协议，不同厂家的控制器、执行器和现场仪表的通讯基于不同的通讯协议，工业现场就出现了异构网络的通讯。异构网络中，由于各种网络所基于的通讯协议不同，一种网络上的设备与其他网络上设备的通讯就遇到了障碍。此外，PLC、DCS等控制器在各自的网络中需要作为主站对现场执行机构进行控制时，那么各个系统主站之间的通讯也将成为系统间通讯的障碍。解决异构网络通讯问题的一种方法是在软件上利用OPC技术[1]，另一方面利用协议转换网关。

本文所述的基于异构网络的多协议自适应网关能够在硬件上实现基于Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP和Modbus-RTU几种协议通讯的控制器、执行器或现场仪表集成到一起，实现以上几种协议数据的相互转换；可以使PLC、DCS等需要充当系统主站的控制器进行数据通讯；另外，多协议自适应网关的Profibus-DP接口可以根据主站控制器的配置实现其通讯波特率及从站地址的自适应。本文通过几种多协议自适应网关的典型应用，介绍了其应用领域及应用方法。

1 多协议自适应网关硬件设计

多协议自适应网关采用STM32F407ZGT6芯片作为核心控制器，它是基于ARM®；CortexTM-M4内核的高性能微控制器，其主频为168 MHz，并带有1M FLASH，192 K字节SRAM，可以满足4种协议同时进行转换的要求。

如图1所示，设计的网关采用+24 Vz直流供电并采用德国赫优讯公司的COMX模块作为Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP 3 种协议的通讯接口，COMX 100CA-DP作为Profibus-DP协议的接口，COMX 100CA-DN作为DeviceNet协议的接口，COMX 100CA-RE作为EtherNet/IP协议的接口。COMX模块上带有50针插头，可将其插在网关主板上，与CPU进行通讯，进行数据交换。COMX模块的核心功能在于其协议组包和解包功能，它可以从外部总线接收到与其对应的协议报文，将该报文进行解包并传送给CPU，也可接收从CPU发送过来的通用数据，并进行该协议的组包，然后发送到外部总线。本网关为COMX模块预留了4个50针插口，其中3个作为上述3种协议的接口，1个作为备用接口，在需要加入其他协议通讯时将对应协议的COMX模块插在此接口，再进行针对此接口的软件编程，即可利用接口进行与外部总线的通讯。此外，为方便主芯片设置信息的存储以及主程序的下载更新，多协议自适应网关设计了信息存储模块和程序下载接口[2-3]。

图1 硬件框架Fig.1 Hardware frame

2 多协议自适应网关的功能实现

2.1 协议转换功能

多协议自适应网关将Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP 3种协议以及Modbus-RTU协议集成在一起。其中Modbus-RTU协议是将外部总线传来的数据通过RS-485芯片处理之后，直接送给CPU，再由其发送给其他3种协议所对应的COMX模块进行Modbus-RTU总线信息的接收，反之，CPU也会将数据通过RS-485芯片发送给外部总线，从而实现数据的相互通讯。Profibus-DP协议、DeviceNet协议和EtherNet/IP协议都有与之对应的COMX模块，其可以在硬件上实现将外部总线传来的协议报文进行解包从而变成通用数据，实现数据的接收，也可将通用数据变成不同协议的报文，并将该报文发送至外部总线[5]。

数据流向如图2所示，使用COMX模块的3种协议以Profibus-DP协议转换为DeviceNet协议的数据流向为例，支持Profibus-DP协议的控制器或仪表设备等，通过Profibus-DP总线将报文传送给多协议自适应网关的Profibus-DP接口COMX-DP模块，模块将此报文进行解包成为通用数据并存储至其自身的双端口内存区的DP协议接收区，该存储区被扩展成为主板CPU存储区的一部分，可进行统一寻址。之后主板CPU会调用此数据，根据主程序中所设地址将其转存至DeviceNet协议对应内存地址COMX模块的DN协议发送区，再由COMX-DN模块将此数据组包成为DeviceNet协议报文通过Device总线发送至支持DeviceNet协议通讯的控制器、仪表或设备，完成Profibus-DP至DeviceNet协议的转换及数据通讯。对于Modbus-RTU协议，利用主板CPU的UART采用全双工的形式，通过RS-485芯片收发Modbus报文，实现其与其他协议报文间的相互转换。

图2 数据流向图Fig.2 Flow chart of data

此外，在实现不同通讯协议通讯时，多协议自适应网关可以将支持不同通讯协议的几个主站控制器连接成一个网络。每个COMX模块在网络组态的时候作为一个从站被组态到各自的网络之中，支持各种协议的主站控制器将数据发送给COMX模块，主板CPU将此数据依照上述方法进行数据的通讯，Modbus-RTU协议数据亦如此。这样多协议自适应网关就可以实现至少4台支持不同通讯协议的主站控制器之间的通讯，解决了不同协议主站之间通讯困难的问题。

2.2 Profibus-DP接口站地址自适应功能

当Profibus-DP主站组态信息未知，或其他从站与多协议自适应网关站地址发生冲突时，多协议自适应网关可自动寻址，并完成组态。其程序流程如图3所示，网关上电后首先判断其站地址与主站所设站地址是否正确，并尝试系统组态，若正确则COMX-DP模块的通讯指示灯置为常绿状态，系统组态完成，可以进行正常通讯。如不正确主板CPU的计时器将置1，调用COMX模块的内部函数，将此数值存入COMX-DP模块的站地址寄存器，继续判断地址，如果正确则开始正常通讯，若组态失败则将计数器数值加1，写入COMX-DP模块的站地址寄存器，继续判断，直至系统进入正常通讯状态。如此，即完成了Profibus-DP接口的站地址自适应过程，简化了系统的组态过程。

图3 DP站地址自适应程序流程图Fig.3 Flow chart of DP station address self-adaptation program

3 多协议自适应网关的典型应用

3.1 异构网络系统的通讯

多协议自适应网关可以将基于不同通讯协议的系统、执行器和仪表等集成，消除由于通讯协议不同而造成的通讯障碍[5]。

异构网络系统如图4所示，系统主要由1台西门子公司的S7-300系列PLC、1台罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC、1台可用总线控制的变频器以及1个电子温/湿度测量仪表组成。

图4 异构网络系统通讯结构图Fig.4 Communication of heterogeneous networks system structure

图4所示系统中包含了Profibus-DP、DeviceNet、EtherNet/IP以及Modbus-RTU 4种通讯协议。可通过多协议自适应网关进行协议转换，实现上述系统的集成。S7-300 PLC通过硬线采集工业现场的开关量及模拟量信号，通过Profibus-DP协议通讯与系统集成，与ControlLogix PLC相互收发数据，相互监控，采集现场温湿度并通过变频器控制电机的启停及转速。ControlLogix PLC通过EtherNet/IP协议通讯亦可实现上述功能。变频器通过DeviceNet协议通讯，可接收到上层控制器发送的控制字，实现对三相交流电机的启停及转速控制。同时，多协议自适应网关通过Modbus-RTU协议与电子温湿度测量仪表相连，将现场的温度、湿度等信息通过网关协议的转换传输给控制器，实现对现场温湿度的监控。

在系统配置时，将COMX 100CA-DP配置为S7-300PLC的一个从站；将COMX 100CA-DN配置为ControlLogix PLC的1个从站；使用COMX 100CARE模块作为主站，利用赫优讯公司的网络配置软件将上述变频器组态为此模块的1个从站；调整主板芯片代码，使Modbus-RTU接口充当主站，温/湿度测量仪表作为其从站配置。随后调整主板芯片的软件代码，使收发地址相互对应，即可实现系统集成。

王安石在其《临川集》八十《上郎侍郎启之》一：“追惟旧闻，不越俎以代庖；盖言有守，未操刀而使割。”中为了突出强调“不越权或不代替别人做事”从典源中择取了“越俎代庖”这一状中结构作为典面。

多协议自适应网关在上述系统中完成了协议转换功能，将基于异构网络的控制器、执行器和现场仪表集成到一起，可实现系统中不同协议数据的相互发送与接收。

3.2 不同协议主站控制器的相互通讯

在大型工厂中，往往需要不止1套的中控系统，不同的中控系统去控制不同的工业流程。当系统主站之间需要相互通讯，且其基于不同通讯协议时，系统之间就需要多个一对一的协议转换网关，此时就大大增加了集成系统所需的成本也为现场工程师增加了大量的劳动量。多协议自适应网关可以将支持不同通讯协议的主站控制器集成到一起，使其完成相互通讯，起到了“异构网络主站服务器”的作用[6]。

图5中涉及到4套中控系统，分别为ABB公司的 AC800M，Emerson 公司的 DeltaV，Siemens公司的PCS以及Honeywell的C200。ABB系统的主站控制器支持Profibus-DP协议，Emerson系统的主站控制器支持Modbus-RTU协议，Siemens系统的主站控制器支持Profinet协议而Honeywell系统支持EtherNet/IP协议。

图5 多系统主站通讯框架图Fig.5 Communication of multi-system master struture

针对上述系统，多协议自适应网关在硬件上需要做一些调整：将DeviceNet协议的COMX 100CADN模块拔除，利用赫优讯公司提供的软件将Profinet协议的固件下载到另外一个支持以太网通讯的COMX 100CA-RE模块中，并将其插入原COMX 100CA-DN模块处，随后即可进行系统配置。

完成硬件调整之后，将COMX 100CA-DP模块配置为AC800M控制器的1个从站；将原COMX 100CA-RE模块配置为C200控制器的一个从站；将下载了Profinet协议固件的COMX 100CA-RE模块配置为PCS控制器的1个从站；使Modbus-RTU接口作为DeltaV控制器的1个从站出现在系统之中。随后通过改变主板芯片的源代码，改变其地址对应关系，即可实现几套DCS系统主站的相互通讯。

多协议自适应网关在上述系统中完成了不同厂家基于不同通讯协议DCS主站控制器的相互通讯，实现了主站控制器的相互监控，由此可保证工业流程之间的相互连通，使一个大型工厂成为一个整体[7]。

3.3 Profibus-DP接口站地址自适应

在中控系统需要升级改造，且当主站组态信息未知，或系统中需要添加从站设备的站地址与多协议自适应网关站地址发生冲突时，会对系统的升级改造带来未知的障碍。多协议自适应网关在设计时，针对应用最为广泛的Profibus-DP协议，设计了Profibus-DP接口的站地址自动寻址功能，可简化系统改造的过程，减轻工程师的工作量。

多总线自适应网关Profibus-DP接口的站地址自适应功能应用在S7-300 PLC系统中，其应用过程如下：

（1）当系统主站中的配置出现改变之后，主站控制器会出现BF（BUS FAULT）的总线错误，控制器不能正常启动，此时需要将多总线自适应网关断电后重新上电，其会检测到错误，主板芯片会引导COMX模块进入自动寻址模式；

（2）COMX在寻找到正确地址之后，模块会自动进入正常工作模式，其通讯灯为常绿状态，但此时PLC的BF报警仍未消除，不能正常工作；

（3）将PLC的组态信息重新下载到PLC之中，系统的BF报警消除，可进行正常通讯，通过多协议自适应网关与其他设备传输数据。

4 结语

多协议自适应网关应用到工业现场中，解决了基于不同通讯协议通讯的控制器、执行器、现场仪表之间的相互通讯，将其集成于同一系统；使不同厂家支持不同协议通讯的DCS主站控制器实现了相互的监控，实现了大型工厂的一体化；Profibus-DP从站地址自适应功能减少了系统升级过程中的障碍，提高了系统使用的可持续性，简化了升级过程。经过实际验证，多协议自适应网关达到了网关产品的设计要求，实现了协议转换、“异构网络主站服务器”以及DP从站地址自适应的功能。

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