CN100337170C

CN100337170C - 一种网络隔离型工业现场控制控制器及其实现方法

Info

Publication number: CN100337170C
Application number: CNB031290019A
Authority: CN
Inventors: 褚健; 冯冬芹; 靳旭哲; 赵联祥
Original assignee: Zhejiang Supcon Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang University ZJU; Zhejiang Supcon Technology Co Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: CN1553285A

Abstract

一种网络隔离型工业现场控制器及其实现方法，其中设备由微处理器、数据存储器、程序存储器、FLASH闪存、看门狗电路、时钟电路和以太网接口电路组成，该控制器通过两个以太网接口电路分别可与组态监控计算机和现场智能设备相连，实现对跨网段传输的以太网报文安全过滤与逻辑隔离、透明信息传输、IP地址在线设置，使之具有较好的安全性和可靠性，其同时具有的网络管理与控制功能适应于各种高要求的工业现场环境。

Description

一种网络隔离型工业现场控制控制器及其实现方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，特别涉及一种网络隔离型工业现场控制控制器及其实现方法。

背景技术

在现有技术中，工业现场控制器(如PLC或其他控制器等)主要由中央处理器、存储器、接口电路组成，它一般可以通过以太网与组态监控计算机或工作站相连，并通过4～20mA或0～10mA等模拟信号线与各种现场设备(如I/O、变送器、执行机构等)相连。这样来自现场的I/O数据或变送器测量信号送到工业现场控制器，进行控制运算(如PID-4、后，将控制信号传送给现场执行机构，以调节阀门开度。

这样的控制器由于采用模拟信号与现场设备相连，不仅信号传输精度不高，容易受到各种电磁干扰的影响，另一方面不能获取现场设备的工作状态，不能实现现场设备的远程调试、标定等，因此成为工业企业综合自动化、信息化建设的瓶颈；另外，一些控制控制器采用现场总线与现场设备相连，但与组态监控计算机相连的以太网相比，是两种网络，不能实现两个网段的信息透明传输和互访。

发明内容

本发明的目的是针对以上现有技术的不足，而设计的一种网络隔离型工业现场控制控制器及其实现方法，该技术能实现控制器对现场智能设备的控制，还能实现跨网段的以太网报文安全隔离与过滤功能。

本发明采取的技术措施是，一种网络隔离型工业现场控制器，包括微处理器、数据存储器、程序存储器、FLASH闪存、看门狗电路、时钟电路；

所述的微处理器用于完成对采集数据的处理、控制器的流程管理和执行应用程序；该微处理器通过数据线分别与数据存储器、程序存储器、FLASH闪存、看门狗电路、时钟电路双向连接；

所述的数据存储器用于存储通讯中的各类数据；

所述的程序存储器用于存放实现各项功能的应用程序；

所述的FLASH闪存用来存放初始化配置；

所述的看门狗电路实现定时功能，防止软件跑飞死机，提高软件功能的可靠性；

所述的时钟电路提供基准时钟信息；

其特点是，所述的网络隔离型工业现场控制器还包括两个以太网接口电路；所述的两个以太网接口电路中，其中：

一个以太网接口电路与组态监控计算机的连接，组成组态监控网络层，计算机的组态监控操作通过该以太网接口电路完成与微处理器的通讯；

另一个以太网接口电路与现场智能设备的连接，组成现场设备层，微处理器的控制信号通过该以太网接口电路完成与现场智能设备的通讯，从而实现组态监控计算机对现场智能设备的组态监控功能。

上述一种网络隔离型工业现场控制器，其中，所述的各以太网接口电路主要完成信息的编码与转发，实现网络的隔离功能；各以太网接口电路分别包括一以太网收发控制器、一线圈驱动电路、一E²PROM、一RJ45接口；

所述的以太网收发控制器通过数据总线分别与微处理器、线圈驱动电路、及E²PROM双向连接，实现以太网的信号收发控制；

所述的线圈驱动电路用于实现信号的隔离；

所述的RJ45接口用于实现与其他的以太网设备的连接；

所述的E²PROM用来给以太网收发控制存储以太网物理地址。

一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特点是，包括以下步骤：

a、当本发明网络隔离型工业现场控制器上电后，完成有关参数的初始化，使两个以太网接口电路均能正常发送和接收数据，该控制器开始监听通过以太网接口电路发来的以太网帧报文；

b、当本发明网络隔离型工业现场控制器从以太网接口电路接收到报文时，该控制器首先根据以太网标准，从所收到的报文的MAC层头部的数据类型字段来判断该报文是ARP报文还是IP报文，如是ARP报文，则按c步骤进行处理；如是IP报文，则按d步骤进行处理；

c、当从以太网接口电路接收的是ARP报文时，首先取出该ARP报文中的发送端IP地址和发送端MAC地址，用来建立本地的一以太网接口电路的ARP地址表，之后，用该控制器本地的另一个以太网接口电路的MAC地址、IP地址替换该ARP报文中的源MAC地址、IP地址，并通过另一个以太网接口电路将该ARP报文广播到与该另一个以太网接口电路相连接的其他设备；

d、当从以太网接口电路接收到的是以太网帧报文中的IP报文时，首先按以太网的标准帧格式进行解码，取出其中的应用数据Data，然后再进行报文检查、过滤与隔离的处理。

上述一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其中，步骤c所述的ARP地址表是指一个从IP地址到MAC地址的一一对应的映射表。

上述一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其中，步骤c所述的ARP报文是根据以太网标准设置，该ARP报文中包含了发送端MAC地址、发送端IP地址、接收端MAC地址和接收端IP地址。

上述一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其中，步骤d所述的以太网帧报文中的IP报文的标准格式包括以太网首部、IP首部、UDP首部、应用数据及以太网尾部。

上述一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其中，步骤d所述的进行IP报文检查、过滤与隔离的处理的步骤如下：

d-1、报文合法性检查：应用通过所述两个以太网接口电路中的一个或另一个设置的数据中的命令字和密码，判断该报文是否合法，如合法，继续进入下一步骤d-2；否则，将该报文进行丢包，不予进一步处理，将不合法的以太网帧报文隔离在本网段之外；

d-2、数据转发检查：检查该以太网帧的目的IP地址是否为本机的IP地址，如果是本机的IP地址，表示该数据帧不需要转发，由本地进行进一步的处理，转入步骤d-3；如果该数据帧的目的IP地址不是本机的IP地址，则说明该数据帧需要转发，转发处理则转入步骤d-4；

d-3、如果收到的以太网应用数据不需要转发，则进行本地的进一步处理；

d-4、如果是需要通过接口电路转发的数据，则将另一个以太网接口电路的MAC地址和IP地址代替原来数据报中的发送端MAC地址和发送端IP地址，然后将数据转发出去。

上述一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其中，步骤d-3所述的本地进一步处理数据的方法是：

d-3-1、根据命令字进行判断应用数据的类型，再根据数据类型按步骤d-3-2、步骤d-3-3、步骤d-3-4、步骤d-3-5和步骤d-3-6分别对数据报进行不同的处理：

d-3-2、如果是智能设备中的变送器的采样数据，则根据组态信息，将该数据送给本发明网络隔离型工业现场控制器中的微处理器进行PID控制运算，然后再将该经PID控制运算过的控制数据发送到智能设备中的执行机构，完成一个回路的控制功能；或者是将该经PID控制运算过的控制数据存入到缓存中，等待组态监控计算机的查询；

d-3-3、如果是组态监控计算机的查询数据，则将数据存储器中存放的智能设备的实时数据与状态信息回送给组态监控计算机；

d-3-4、如果是组态监控计算机的组态数据，则取出组态信息，然后根据组态信息进行配置；

d-3-5、如果是修改IP地址的数据，则取出其中的IP地址，然后存入到EEPROM中，并将本机的IP地址改掉；

d-3-6、如果是修改命令字和密码的数据，则取出其中的命令字和密码，然后存入到E²PROM中，并将原先的命令字和密码替换掉。

由于本发明采用了以上的技术方案，将控制器通过以太网接口电路A和以太网接口电路B可分别与组态监控计算机和现场智能设备相连，与组态监控计算机相连组成组态监控网络层，实现计算机的组态与监控，现场智能设备相连组成现场设备层，实现控制器对现场智能设备的控制。通过本发明所述的具有网络隔离功能的控制器及其实现方法除了能实现一般控制器所能进行的控制运算、控制参数调整等功能外，还能实现在线透明信息传输；IP地址、合法命令字和密码可通过以太网接口电路A或B设置在线设置功能。

附图说明

本发明的具体特征性能由以下的实施例及其附图进一步描述。

图1为本发明实现网络隔离型工业现场控制器的电路原理框图；

图2为图1中以太网接口电路框图；

图3为本发明的系统实施例图；

图4为本发明实现网络隔离的工业现场控制方法的流程图；

图5为图4中IP数据报文的处理流程图；

图6为本发明以太网数据报文格式。

具体实施方式

请求参阅图1，本发明实现网络隔离型工业现场控制器100包括微处理器1，在微处理器1上分别接有数据存储器2、程序存储器3、FLASH闪存4、时钟电路5、看门狗电路6、以太网接口电路A电路7、以太网接口电路B电路8。微处理器用于完成对采集数据的处理、控制器的流程管理和执行应用程序；数据存储器用于存储通讯中的各类数据；程序存储器用于存放实现各项功能的应用程序；FLASH闪存用来存放对控制器的初始化配置；看门狗电路实现定时功能，防止软件跑飞死机，提高软件功能的可靠性；时钟电路提供基准时钟信息；以太网接口电路A可与组态监控计算机的连接，组成组态监控网络层，计算机的组态监控操作通过以太网接口电路A完成与微处理器的通讯；同样，以太网接口电路B可与现场智能设备的连接，组成现场设备层，微处理器的控制信号通过以太网接口电路B完成与现场智能设备的通讯，从而实现操作站计算机对现场智能设备的组态监控功能；或者两个以太网接口电路均与现场智能设备相连，实现现场智能设备之间通讯的功能。

请参阅图2，以太网接口电路主要由以太网收发控制器9、线圈驱动电路10、E²PROM存储器11、RJ45接口12组成。以太网收发控制器可采用集成块UM9008，实现以太网的信号收发控制；线圈驱动电路可采用集成块LANF7256，实现信号的隔离，其再与RJ45接口相连，实现与其他的以太网设备的连接；E²PROM可采用93C46芯片，用来给以太网收发控制器UM9008存储以太网物理地址。以太网接口电路完成了CPU的处理信号与其它以太网设备之间的通讯。

请参阅图3，这是本发明控制器与计算机、设备组成系统的网络实施例原理框图，包括：多个组态监控计算机200、多个控制器(现场控制器)100、以太网300、多个现场智能设备400，各现场智能设备包括各类变送器401和电动执行机构402。控制器100有两个以太网接口电路，其中：

一个以太网接口电路与组态监控计算机的连接，组成组态监控网络层，计算机的组态监控操作通过该以太网接口电路完成与微处理器的通讯；另一个以太网接口电路与现场智能设备的连接，组成现场设备层，微处理器的控制信号通过该以太网接口电路完成与现场智能设备的通讯，从而实现操作站计算机对现场智能设备的组态监控功能。

请参阅图4，本发明实现网络隔离型工业现场控制方法，能够实现以太网报文安全隔离与过滤功能，具体过程如下：

a、控制器上电后，完成初始化工作，包括对CPU、UM9008等的寄存器、RAM中有关参数的初始化，使以太网接口电路A和B均能正常发送和接收数据，并开始监听通过两个以太网接口电路A和B来的以太网帧报文；

b、当从以太网接口电路A或B接收到报文时，首先根据以太网标准，从它的MAC层头部的数据类型字段来判断它是ARP报文还是IP报文，如是ARP报文，则按c、进行处理；如是IP报文，则按d、进行处理；

c、当从以太网接口电路A或B接收到ARP报文时，根据以太网标准，该ARP报文中包含了发送端MAC地址，发送端IP地址，接收端MAC地址和接收端IP地址，首先取出其中的发送端IP地址和发送端MAC地址，用来建立本地的本以太网接口电路的ARP地址表，所述的ARP地址表是指一个从IP地址到MAC地址的一一对应的映射表。之后，用控制器本地的另一个端口MAC层地址、IP地址替换该ARP报文中的源MAC地址、IP地址，并通过另一个以太网接口电路广播到与之相连接的其他设备。

d、当从以太网接口电路A或B接收到IP报文时(请配合参见图5)，进行如下的处理：

当从以太网接口电路A或B接收到以太网帧报文(以太网帧报文的标准格式包括以太网首部、IP首部、UDP首部、应用数据及以太网尾部)后，首先按以太网的标准帧格式进行解码，取出其中的应用数据Data，(一帧应用数据的帧格式如图6所示)，接着按以下步骤进行报文检查、过滤与隔离：

d-1、报文合法性检查：应用数据Data中的命令字和密码(合法命令字和密码可通过以太网接口电路A或B设置)，判断该报文是否合法，如合法，继续进入下一步d-2；否则，将该报文进行丢包，不予进一步处理，将不合法的以太网帧报文隔离在本网段之外；

d-3、如果收到的以太网应用数据不需要转发而是需要进行本地的进一步处理，则按照以下几步进行处理：

d-3-1、根据命令字进行判断应用数据的类型，根据数据类型按步骤d-3-2、步骤d-3-3、步骤d-3-4、步骤d-3-5和步骤d-3-6、分别对数据报进行不同的处理：

d-3-2、如果是智能设备中的变送器的采样数据，则根据组态信息，将该数据送给控制器中的微处理器进行PID控制运算，然后再将运算结果，即控制数据发送到智能设备中的执行机构，完成一个回路的控制功能；或者是存入到缓存中，等待组态监控计算机的查询；

d-3-3、如果是组态监控计算机的查询数据，则将数据存储器中存放的智能设备如变送器或执行机构的实时数据与状态信息回送给组态监控计算机；

d-3-6、如果是修改命令字和密码的数据，则取出其中的命令字和密码，然后存入到EEPROM中，并将原先的命令字和密码替换掉；

d-4、如果是需要转发的数据(例如从以太网接口电路A转发到以太网接口电路B)，则将以太网接口电路B的MAC地址和IP地址代替原来数据报中的发送端MAC地址和发送端IP地址，然后将数据转发出去。

至此，本发明在实现常规控制方法的同时，还实现了跨网段的以太网报文安全隔离与过滤功能，同时还实现了透明的信息互访。

本发明通过控制器与两个以太网接口电路分别可与组态监控计算机和现场智能设备相连，实现对跨网段传输的以太网报文安全过滤与逻辑隔离、透明信息传输、IP地址在线设置、网络监控与流量监测控制优化功能，使之具有较好的安全性和可靠性，其同时具有的网络管理与控制功能适应于各种高要求的工业现场环境。

Claims

1.一种网络隔离型工业现场控制器，包括微处理器、数据存储器、程序存储器、FLASH闪存、看门狗电路、时钟电路；

所述的数据存储器用于存储通讯中的各类数据；

所述的程序存储器用于存放实现各项功能的应用程序；

所述的FLASH闪存用来存放初始化配置；

所述的时钟电路提供基准时钟信息；

其特征在于，所述的网络隔离型工业现场控制器还包括两个以太网接口电路；所述的两个以太网接口电路中，其中：

2、根据权利要求1所述的一种网络隔离型工业现场控制器，其特征在于，所述的各以太网接口电路主要完成信息的编码与转发，实现网络的隔离功能；各以太网接口电路分别包括一以太网收发控制器、一线圈驱动电路、一E²PROM、一RJ45接口；

所述的线圈驱动电路用于实现信号的隔离；

所述的RJ45接口用于实现与其他的以太网设备的连接；

所述的E²PROM用来给以太网收发控制存储以太网物理地址。

3、一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、当网络隔离型工业现场控制器上电后，完成有关参数的初始化，使两个以太网接口电路均能正常发送和接收数据，该控制器开始监听通过以太网接口电路发来的以太网帧报文；

b、当网络隔离型工业现场控制器从以太网接口电路接收到报文时，该控制器首先根据以太网标准，从所收到的报文的MAC层头部的数据类型字段来判断该报文是ARP报文还是IP报文，如是ARP报文，则按c步骤进行处理；如是IP报文，则按d步骤进行处理；

4、根据权利要求3所述的一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特征在于，步骤c所述的ARP地址表是指一个从IP地址到MAC地址的一一对应的映射表。

5、根据权利要求3所述的一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特征在于，步骤c所述的ARP报文是根据以太网标准设置，该ARP报文中包含了发送端MAC地址、发送端IP地址、接收端MAC地址和接收端IP地址。

6、根据权利要求3所述的一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特征在于，步骤d所述的以太网帧报文中的IP报文的标准格式包括以太网首部、IP首部、UDP首部、应用数据及以太网尾部。

7、根据权利要求3所述的一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特征在于，步骤d所述的进行IP报文检查、过滤与隔离的处理的步骤如下：

d-1、报文合法性检查：应用通过所述两个以太网接口电路中的一个或另一个设置的数据中的命令字和密码，判断该报文是否合法，如合法，继续进入下一步骤d-2；否则，将该报文进行丢包，不予进一步处理，将不合法的IP报文隔离在本网段之外；

d-2、数据转发检查：检查该IP报文的目的IP地址是否为本机的IP地址，如果是本机的IP地址，表示该数据帧不需要转发，由本地进行进一步的处理，转入步骤d-3；如果该数据帧的目的IP地址不是本机的IP地址，则说明该数据帧需要转发，转发处理则转入步骤d-4；

8、根据权利要求7所述的一种实现网络隔离型工业现场控制的方法，其特征在于，步骤d-3所述的本地进一步处理数据的方法是：

d-3-2、如果是智能设备中的变送器的采样数据，则根据组态信息，将该数据送给网络隔离型工业现场控制器中的微处理器进行PID控制运算，然后再将该经PID控制运算过的控制数据发送到智能设备中的执行机构，完成一个回路的控制功能；或者是将该经PID控制运算过的控制数据存入到缓存中，等待组态监控计算机的查询；

d-3-5、如果是修改IP地址的数据，则取出其中的IP地址，然后存入到E²PROM中，并将本机的IP地址改掉；