CN102291292B - Epa到ffh1协议转换和调度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种EPA到FF H1协议转换和调度的方法，包括以下步骤：构建包含EPA控制器和FF H1模块的硬件设备；在EPA控制器上运行EPA协议栈，在FF H1模块上运行FF H1协议栈；在EPA控制器中运行协议转换软件，实现EPA协议栈到FF H1协议栈的协议转换；在EPA控制器中运行统一调度软件，实现EPA到FF H1的统一调度。本发明保证了EPA到FF H1数据的双向传输，实现了EPA到FF的数据流转换、FF到EPA的数据流转换，并且实现了服务级映射，具有实时性、通用性，可以构建以EPA或FF H1为主的多种结构的控制网络以及良好的兼容性。

Description

EPA到FFH1协议转换和调度的方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域及现场总线技术，具体地说是一种EPA到FFH1协议转换和调度的方法。

背景技术

现场总线是网络技术向工业化现场总线发展的产物，是在市场需求的背景下发展起来的新型技术，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点。然而，由于历史和商业的原因，目前国际上有40多种现场总线，各种现场总线都有各自的应用范围和应用领域。而现场总线的关键技术之一是互操作性，解决与其他总线网络设备互联与互操作的问题，已成为现场总线技术成熟的一个标志。

以太网用于工业控制中具有应用广泛、成本低廉以及通信速率高等优势，工业以太网正在成为工业控制网络的主流技术。一些国际组织也在积极推进以太网进入控制领域，正在进行工业以太网关键技术的研究。EPA(Ethernet for plant automation)标准，作为实时以太网国际标准，已经解决的关键技术有：控制系统结构设计、通信实时性技术、总线供电技术、互可操作技术、远距离传输技术、网络安全技术、可靠性与抗干扰技术等。随着其关键技术的解决，EPA在工业自动化领域的应用也越来越广泛。FF(基金会现场总线，foundation fieldbus)标准作为世界上最具影响力的总线标准之一，得到了世界上主要自控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太地区具有较强的影响力。解决EPA与基金会现场总线(FF)的互联与互操作问题不仅是EPA技术的一个突破点，而且为EPA拓宽市场起到了推动作用。

FF通信技术分为低速和高速两部分，分别为H1和HSE，其中H1在运行速率较低的过程控制领域具有非常广泛的应用。

在EPA的市场应用中，可能会存在不同种类的现场总线。由于FF现场总线的市场应用非常广泛，与EPA可能共同应用于一个工厂自动化系统中，现场总场互联与互操作问题是不可避免的。而目前能够解决由EPA到FF H1现场总线互联与互操作问题的网关技术尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的尚无法解决由EPA到FF现场总线互联与互操作问题等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现由EPA到FF H1协议转换和调度的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明EPA到FF H1协议转换和调度的方法包括以下步骤：

构建包含EPA控制器和FF H1模块的硬件设备；

在EPA控制器上运行EPA协议栈，在FF H1模块上运行FF H1协议栈；

在EPA控制器中运行协议转换软件，实现EPA协议栈到FF H1协议栈的协议转换；

在EPA控制器中运行统一调度软件，实现EPA到FF H1的统一调度。

所述协议转换软件包括以下步骤：

当EPA控制器以太网接口接收到请求报文时，对请求报文进行解包，得到服务信息报文头；

判断该请求报文的类型；

如果为发送到FF H1网段的报文，则对该请求报文进行协议转换，并重新打包；

EPA控制器通过第1串口通信模块将重新打包后的报文发送到FF H1模块，完成一次EPA报文到FF H1报文的转换。

如果为EPA本网段的报文，则按EPA协议栈进行处理。

所述协议转换软件包括以下步骤：

当EPA控制器通过第1串口通信模块接收到报文时，对接收报文进行解包，得到服务信息报文头；

判断接收报文的数据类型；

如果该接收报文数据为实时数据，则查找EPA控制器中的跨网段链接对象映射表，得到使用EPA协议栈的现场设备中功能块的链接关系；

EPA控制器组织EPA报文将实时数据发布给使用EPA协议栈的现场设备，完成一次串口通信过程。

如果该报文数据类型为协议数据，则将对接收报文重新打包；

通过以太网接口将重新打包后的报文发送到EPA网段。

所述跨网段链接对象映射表是指EPA上位机将运行FF H1协议的现场设备中的功能块与运行EPA协议的现场设备中的功能块组态后下载到EPA控制器中的组态关系映射表，包括：欲发布实时数据的运行FF H1协议栈的现场设备中的功能块索引和标识、接收FF H1网段实时数据的EPA现场设备中的功能块标识和索引、FF H1现场设备地址、和EPA现场设备地址。

所述统一调度软件包括以下步骤：

根据FF H1模块中的调度表构建EPA控制器调度表；

当使用FF H1协议栈的现场设备有实时数据发布到使用EPA协议栈的现场设备时，FF H1模块作为FF H1网段的订阅者将接收到的实时数据转发到EPA控制器；EPA控制器在周期报文传输阶段将接收到的实时数据发布到EPA网段；

EPA周期报文传输结束后进入非周期报文传输阶段，EPA控制器将突发性的非周期数据转发到EPA网段或者FF H1网段。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.保证了EPA到FF H1数据的双向传输，实现了EPA到FF的数据流转换、FF到EPA的数据流转换，并且实现了服务级映射；

2.实时性。EPA和FF H1之间的数据交互可以实现以SLOT TIME为单位的毫秒级通信；

3.通用性。本发明可以把任何符合FF H1标准的设备接入通信控制网络，并且实现互操作；

4.灵活性。采用本发明技术构建控制系统具备很高的灵活性，可以构建以EPA或FF H1为主的多种结构的控制网络；

5.兼容性。本发明的技术方案具备良好的兼容性。

附图说明

图1为本发明方法采用的EPA到FF H1网关系统示意图；

图2为本发明方法采用的网关硬件结构示意图；

图3为EPA控制器以太网接口接收到报文的处理过程流程图；

图4为EPA控制器第1串口通信模块接收到报文的处理流程；

图5为本发明方法中调度转换示意图；

图6为本发明一个实施例的读/写服务转换过程示意图；

图7为本发明方法中一个实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法基于EPA到FF H1协议转换和调度的网关系统实现，使用一种拥有EPA和FF H1硬件接口的网关硬件设备，该硬件设备包含EPA物理层和FF H1物理层，具体地说，是包含工业以太网接口和FF H1接口的硬件设备。在该硬件设备中分别植入EPA和FF H1协议栈，即EPA控制器与FF H1模块。在EPA控制器中开发协议转换和统一调度软件，实现使用EPA协议与使用FF H1协议设备之间的互联与互操作。

如图2所示，EPA到FF H1协议转换和调度的网关系统包括EPA控制器、FF H1模块两部分，其中：EPA控制器，通过以太网接口与EPA网段设备进行通信；FF H1模块，为FF H1网段的链路活动调度器，控制信息在FF H1总线上的通信活动。FF H1模块与EPA控制器通过串口进行通信。

EPA控制器包括第1通信控制模块、第1串口通信模块及以太网接口，其中第1通信控制模块运行EPA协议栈，通过以太网接口连接到EPA网段，通过第1串口通信模块连接到FF H1网段。

FF H1模块包括第2通信控制模块、第2串口通信模块和IO端子连接器，其中第2通信控制模块运行FF H1协议栈，通过IO端子连接器连接FF H1现场设备；第2通信控制模块通过第2串口通信模块与EPA控制器中的第1串口通信模块进行通信。

FF H1模块具有两个H1接口，可以同时连接两个FF H1网段的设备。

本发明EPA到FF H1协议转换和调度的方法通过EPA到FF H1协议转换和调度的网关系统实现其控制过程，具体的实施过程如下：

首先构建包含EPA控制器和FF H1模块的硬件设备，其目的是构成EPA到FF H1硬件基础；

在EPA控制器上运行EPA协议栈，在FF H1模块上运行FF H1协议栈；

然后在EPA控制器中实现EPA协议栈到FF H1协议栈的协议转换软件，实现EPA协议栈到FF H1协议栈的协议转换；

最后在EPA控制器中实现EPA到FF H1的统一调度软件，实现EPA到FF H1的统一调度。

在具体应用时，EPA控制器负责网关系统的通信和调度，FF H1模块负责FF H1网段的通信和调度。

协议转换的作用是将接收到的EPA报文信息进行解包，按FF H1协议要求进行打包，通过第1串口通信模块将打包后的报文发送到FF H1网段；将接收到的FF H1网段的响应报文进行解包，按EPA报文格式进行打包，通过以太网接口将重新打包后的报文发送到EPA网段。协议转换软件实现了跨网段现场设备之间数据的透明传输。

如图1所示，跨EPA协议和FF H1协议的控制网络包含两个网段：EPA网段，包含使用EPA协议的设备A到使用EPA协议的设备C；FF H1网段，包括使用FF协议的设备D到使用FF协议的设备F。非跨网段的通信和调度由EPA控制器和FF H1模块完成。而跨网段的通信由EPA控制器中的协议转换软件完成，跨EPA和FF H1的调度由EPA控制器中的统一调度软件完成。

当设备A与设备D通信时，设备A按EPA协议规定的服务将相应的报文传递给EPA控制器，由EPA控制器解包后转发给协议转换软件，协议转换软件根据报文意义构建相应的FF H1报文，并且发送给FF H1网段。EPA控制器等待串口数据的到来，然后将接收到的响应报文按EPA报文格式进行重新打包，发送给设备A，完成双方的通信过程。

如图3所示，在EPA控制器中实现EPA协议栈到FF H1协议栈的协议转换包括以下步骤：

当EPA控制器以太网接口接收到请求报文时，对请求报文进行解包，得到服务信息报文头；

判断该请求报文的类型；

如果为发送到FF H1网段的报文，则对该请求报文进行协议转换，并重新打包；

EPA控制器通过第1串口通信模块将重新打包后的报文发送到FF H1模块，完成一次EPA报文到FF H1报文的转换。

如果为EPA本网段的报文，则按EPA协议栈进行处理。

发送到FF H1网段的报文信息分为网络管理层报文，系统管理层报文和报文规范子层报文。

网络管理是把数据链路层至应用层的通信协议集成起来，并监督其运行。

系统管理主要负责与网络系统相关的管理任务。

报文规范子层主要描述用户应用所需要的通信服务、报文格式、行为状态等。

如图4所示，当EPA控制器通过第1串口通信模块接收到报文时，对接收报文进行解包，得到服务信息报文头；判断接收报文的数据类型；如果该接收报文数据为实时数据，则查找EPA控制器中的跨网段链接对象映射表，得到使用EPA协议栈的现场设备中功能块的链接关系；EPA控制器组织EPA报文将实时数据发布给使用EPA协议栈的现场设备，完成一次串口通信过程。如果该报文数据类型为协议数据，则将对接收报文重新打包；通过以太网接口将重新打包后的报文发送到EPA网段(通常发送到EPA上位机)。

跨网段链接对象映射表是指EPA上位机将运行FF H1协议的现场设备中的功能块与运行EPA协议的现场设备中的功能块组态后下载到EPA控制器中的组态关系映射表，包括：欲发布实时数据的运行FF H1协议栈的现场设备中的功能块索引和标识、接收FF H1网段实时数据的EPA现场设备中的功能块标识和索引、FF H1现场设备地址、和EPA现场设备地址。

上位机，指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化。

功能块，是一个软件功能单元，由输入、输出、内含参数以及对这些参数进行操作的算法组成，用一个功能块位号或者一个序号来唯一标识。

组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。

协议数据，即非实时的、突发性的报文。主要是对EPA上位机请求报文的响应，如读、写、初始化等服务。

实时数据，即运行FF H1协议的现场设备中功能块与运行EPA协议的现场设备中功能块跨网段组态后，FF H1现场设备在调度周期到来时发布到相应的EPA现场设备的监测数据。

在FF H1协议中，使用FF协议的设备之间实时信息的传递需要发布/预定接收型VCR。此VCR支持的数据通信分为三个步骤：建立连接(Init)→数据传输→解除连接(Abort)。

虚拟通信关系(VCR)是指：在FF总线网络中，设备之间传输信息是通过预先组态好的通信信道进行的，这些通信信道在FF网络中称为虚拟通信关系。

发布/预定接收型VCR提供使用缓冲式面向连接数据传输的非确认应用层服务。

缓冲式指功能块产生的新数据覆盖缓冲区中旧的数据，所以只有最后产生的数据能够在网络上得以传输。

如图5所示，统一调度软件在本发明中的主要作用是统一EPA网段和FF H1网段的调度过程。FF H1模块作为FF H1网段中的链路活动调度器(LAS)，负责FF H1网段中报文信息的调度。FF H1网段的调度由强制数据CD报文触发，CD由调度表进行组织，保存在FF H1模块中。根据FF H1模块中的调度表构建一个全局的EPA设备调度表，即使用FF H1协议的设备发布实时数据之后也恰好是EPA设备的周期数据传输周期，在EPA网段周期数据传输周期可实时的获得FF H1网段的实时数据。在EPA网段中，FF H1现场设备的实时数据作为EPA控制器发布的周期数据发布出来，进而实现FF H1到EPA数据的发布。统一调度软件将跨网段的FF H1设备发布的数据进行订阅，订阅之后得到控制数据，经过协议转换软件重新打包EPA发布报文，然后作为EPA控制器的实时数据发布出去。

FF H1网段到EPA网段的实时数据发布过程如下：

FF H1模块订阅运行FF H1协议栈的现场设备的实时数据，运行FF H1协议栈的现场设备获得强制数据令牌CD后，将实时数据在FF H1网段发布。FF H1模块部分作为FF H1网段的一个订阅者，FF H1模块接收到实时数据报文后，将该报文转发到EPA控制器。EPA控制器对该报文进行接收和解包，判断报文类型为实时数据，进而查找跨网段组态链接关系映射表，并按照EPA报文格式进行打包，在EPA周期报文传输阶段将实时数据报文传输到EPA网段。

EPA周期报文传输结束后进入非周期报文传输阶段，EPA控制器将突发性的非周期数据转发到EPA网段或者FF H1网段。

周期数据是指用于工业现场的，定时更新的关键性数据。

非周期数据是指不定时更新的非关键性数据。

链路活动调度器(LAS)负责掌管FF H1总线段上的各设备对总线的操作，至少具备以下五种功能：向设备发送强制数据CD(Compel Data)、向设备发送传递令牌PT、为新入网的设备探测一个未使用的节点地址、定期向总线上发送数据链路时间和调度时间、监视设备对PT的响应。

FF H1调度表包含设备地址、时间偏移量，通过该调度表，FF H1可以完成控制过程，FF H1调度表是FF H1链路活动调度器(LAS)发送CD的依据。

CD报文是指强制数据(compel data)报文，由链路活动调度器LAS发布，收到CD的FF H1设备方可发送实时数据。

收到CD的FF H1设备是网络中的发布者，所述发布者是指在网络中把实时数据或周期数据向外发布的设备或功能块。

订阅者是指在网络中接收实时数据或周期数据的设备或功能块，订阅者接收发布者发布的数据，进而可以完成现场控制过程。

Pt是指Pass Token令牌，该令牌由FF H1网段的LAS设备根据调度表在发送CD的间隔进行传递。得到该Pt的设备可以发布非实时通信数据。

FF H1现场设备地址是指FF H1设备所拥有的用于寻址和通信的一个整数，该整数取值范围为0-255。EPA现场设备地址，即遵守IP V4协议的网络地址。

如图6所示，本实施例以读/写服务为例，本发明实现EPA到FF H1之间的读/写服务的转换，可将EPA读/写服务转换成FF H1读/写服务。

所述读/写服务的转换是指：由设备A读/写设备D，先由设备A发布EPA格式的读/写请求服务，该读/写服务被本发明接收之后，由协议转换软件将数据解包、分析之后，与设备D建立客户/服务器型虚拟连接关系，然后按FF H1的读/写服务格式进行打包，并且通过统一调度软件将重新打包后的报文发送到FF H1网段，对设备D进行读/写操作。设备D返回的读/写响应报文转发到EPA控制器后，由协议转换软件将数据解包、分析之后转发给设备A，完成读/写服务的转换。在此通信过程中需要统一调度软件的调度。读/写服务在EPA和FF现场总线中都属于非实时数据。EPA控制器在非周期数据传输阶段发送/接收报文，FF H1模块在非调度通信周期接收/发送报文。

在FF H1协议中通常的读/写等服务需要客户/服务器型虚拟通信关系(VCR)。此VCR支持的数据通信分为三个步骤：建立连接(Init)→数据传输→解除连接(Abort)。

客户/服务器型虚拟通信关系提供使用面向连接数据传输的确认性的应用层服务，这种应用关系只在两个应用进程之间建立。它是排队式的，只用于非调度的点对点通信中。同一设备既可以是客户又可以是服务器。

读写请求报文包括设备的物理地址、设备的OD索引、子索引。

OD索引是指对象字典的索引号，对象字典为设备的网络可视对象提供定义与描述。

子索引是指操作目标在OD中的索引号，该索引号实际上是一个偏移量，是整形数据。

本发明可以同时实现多个设备之间的互联与互操作。如图7所示，设备D发布数据由设备A订阅，设备E发布数据由设备B订阅，设备C读取设备F的OD 0第0个参数，其过程如下：

在第一个周期数据时隙里，设备D得到了CD令牌，发布实时数据。由FF H1模块进行订阅，FF H1模块将订阅信息发送到EPA控制器，通过本发明的协议转换软件和统一调度软件，EPA控制器在第一个周期数据时隙内将来自设备D的实时信息发布，设备A收到经过本发明转发的来自设备D的实时数据。

在第二个周期数据时隙内，设备E发布信息到设备B与第一个周期时隙类似。

在非周期数据时隙1中，设备C发送读请求，读设备F的OD 0第0个参数。该请求由EPA控制器接收，由EPA控制器中的协议转换软件将报文转换成FF H1读请求报文后，由统一调度软件进行调度，在非周期传输时隙1中将转换后的请求报文发送给FF H1模块，FF H1模块发布到FF H1网段，设备F收到设备C的读请求。在非周期数据时隙2中，设备F收到PT后发送读响应给FF H1模块，FF H1模块将响应报文传递给EPA控制器，由EPA控制器中的协议转换软件将报文转换成EPA读响应报文后，由统一调度软件进行调度，在非周期传输时隙2中将转换后的读响应报文发送给设备C，一个调度周期完成。

Claims (4)

1.一种EPA到FF H1协议转换和调度的方法，其特征在于包括以下步骤：

构建包含EPA控制器和FF H1模块的硬件设备；

在EPA控制器上运行EPA协议栈，在FF H1模块上运行FF H1协议栈；

在EPA控制器中运行协议转换软件，实现EPA协议栈到FF H1协议栈的协议转换；

在EPA控制器中运行统一调度软件，实现EPA到FF H1的统一调度；

所述统一调度软件包括以下步骤：

根据FF H1模块中的调度表构建EPA控制器调度表；

当使用FF H1协议栈的现场设备有实时数据发布到使用EPA协议栈的现场设备时，FF H1模块作为FF H1网段的订阅者将接收到的实时数据转发到EPA控制器；EPA控制器在周期报文传输阶段将接收到的实时数据发布到EPA网段；

EPA周期报文传输结束后进入非周期报文传输阶段，EPA控制器将突发性的非周期数据转发到EPA网段或者FF H1网段；

所述协议转换软件包括以下步骤：

当EPA控制器以太网接口接收到请求报文时，对请求报文进行解包，得到服务信息报文头；

判断该请求报文的类型；

如果为发送到FF H1网段的报文，则对该请求报文进行协议转换，并重新打包；

EPA控制器通过第1串口通信模块将重新打包后的报文发送到FF H1模块，完成一次EPA报文到FF H1报文的转换；

当EPA控制器通过第1串口通信模块接收到报文时，对接收报文进行解包，得到服务信息报文头；

判断接收报文的数据类型；

如果该接收报文数据为实时数据，则查找EPA控制器中的跨网段链接对象映射表，得到使用EPA协议栈的现场设备中功能块的链接关系；

EPA控制器组织EPA报文将实时数据发布给使用EPA协议栈的现场设备，完成一次串口通信过程。

2.按权利要求1所述的EPA到FF H1协议转换和调度的方法，其特征在于：如果为EPA本网段的报文，则按EPA协议栈进行处理。

3.按权利要求1所述的EPA到FF H1协议转换和调度的方法，其特征在于：

如果该报文数据类型为协议数据，则将对接收报文重新打包；

通过以太网接口将重新打包后的报文发送到EPA网段。

4.按权利要求1所述的EPA到FF H1协议转换和调度的方法，其特征在于：所述跨网段链接对象映射表是指EPA上位机将运行FF H1协议的现场设备中的功能块与运行EPA协议的现场设备中的功能块组态后下载到EPA控制器中的组态关系映射表，包括：欲发布实时数据的运行FF H1协议栈的现场设备中的功能块索引和标识、接收FF H1网段实时数据的EPA现场设备中的功能块标识和索引、FF H1现场设备地址、和EPA现场设备地址。