CN111817940B - 工业控制环网系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业控制环网系统、环网控制协议及其实现方法，包括如下步骤：步骤一，主站设备向节点设备发送IP扫描报文以获取环网上各节点IP地址；步骤二，主站向各节点下发链路建立报文；步骤三，主站向节点下发数据扫描报文以获取各节点的结果数据；步骤四，节点之间相互发送链路检测报文来检测链路是否存在断路；步骤五，主站根据发生断路位置分别从主、从端口重新发送链路建立报文；步骤六，主站向各节点发送点对点获取数据报文以点对点的方式获取每个节点的结果数据；步骤八，当节点发现断路位置重新恢复时，该位置节点向主站发送链路恢复通知报文，主站收到该报文后重新给节点发送IP扫描报文，从步骤一开始重复执行。

Description

工业控制环网系统及其实现方法

技术领域

本发明属于工业控制环网技术领域，特别涉及一种基于工业控制环网系统的环网控制协议实现方法。

背景技术

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）。

随着工业环境对工业控制网络的可靠性、实时性和保护能力要求越来越高，工业控制网开始采用环网组网的方式以提高网络的可靠性；现有的环网控制协议存在以下几点不足：存在收敛时间过长；链路发生多点断路时无法继续工作；增减节点设备时会影响整个环网系统正常工作；无法同时一次性获取环网上所有节点设备的结果数据等问题，节点无法主动发起通信，只能响应主站的访问等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于工业控制环网系统的环网控制协议实现方法，解决现有工业控制环网系统中以上不足之处；本方法能够提高工业控制环网系统的实时性以及系统容错性和可拓展性且易于工程实现。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

第一方面本发明实施例提供一种工业控制环网系统，包括：

包括一套主站设备和若干套节点设备，主站设备和节点设备均包含一个主数据收发端口和一个从数据收发端口，主站设备的主数据收发端口通过通信介质与第一套节点设备的主数据收发端口相连，第一套节点设备的从数据收发端口与第二套节点设备的主数据收发端口相连，如此顺序相连，形成一个闭合的环形网络系统结构；主站设备还有一个上层设备数据收发端口，用于接收上层控制设备给工业控制环网系统下发的控制数据以及环网系统给上层控制设备发送结果数据等功能；

主站设备和节点设备内部均包含报文管理模块，报文打包模块，报文解析模块，报文接收模块，报文发送模块；

报文管理模块，用于对来自工业控制环网系统中的各种报文进行管理与处理，并产生相应的命令，以及控制报文发送的方向；

报文打包模块，用于将报文管理模块产生的命令按照一定的格式打包成不同的报文；

报文发送模块，用于将报文打包模块产生的报文从相应的端口发送出去；

报文接收模块，用于从端口上接收报文，并将报文完整的发送给报文解析模块；

报文解析模块，用于解析从报文接收模块接收到的报文，并将解析出的报文命令发送给报文管理模块；

主站设备内部还包含节点设备结果数据存储模块，用于存储从工业控制环网系统中的节点设备获取到的各节点设备结果数据；

节点设备内部还包含IO设备数据收发模块，用于节点设备与IO设备之间的数据交互；

第二方面本发明实施例提供一种基于工业控制环网系统的环网控制协议，包含：

IP地址扫描报文，所述报文用以获取工业控制环网上所有节点设备IP地址；

链路建立报文，所述报文用以告诉某节点的上一个节点和下一个节点的IP地址是多少以及当前节点是否为链路的终点等信息；

链路建立回应报文，所述报文用以通知主站设备目的节点设备已收到链路建立报文，形成一次握手确认；

数据扫描报文，所述报文用以获取工业控制环网上所有节点设备的结果数据，包含每个节点设备需要上报的结果数据等信息；

数据主动上送报文，所述报文用以节点设备在需要主动上送结果数据时所用的报文；

点对点获取数据报文，所述报文用以以点对点的方式只获取某一节点设备的结果数据；

链路检测报文，链路检测回应报文，所述报文用以相邻两个节点设备完成一次链路检测握手；

链路断路通知报文，所述报文用以某节点设备告诉主站设备发生断路的环网位置，包含发生断路位置等信息；

链路断路通知回应报文，所述报文用以告诉发送链路断路通知报文的节点设备，主站设备已经收到链路断路通知报文；

链路恢复通知报文，所述报文用以某节点设备告诉主站设备断路恢复环网位置，包含断路恢复信息等信息；

链路恢复通知回应报文，所述报文用以告诉发送链路恢复通知报文的节点设备，主站设备已经收到链路恢复通知报文；

节点控制命令报文，所述报文为上层设备向环网系统中节点设备下发控制命令的报文；

第三方面本发明实施例提供基于工业控制环网系统的环网控制协议实现方法，包括如下步骤：

步骤一：主站设备从主端口给节点设备发送IP地址扫描报文；各节点设备收到该报文后将各自的IP地址按照收到报文的顺序依次填充到该报文对应位置并转发给下一个节点设备，该报文经过环网一圈后会回传给主站设备的从端口，如果一定时间内主站设备的从端口没有收到环网上从节点设备发过来的IP扫描报文则视为环网故障，主站设备继续从主端口给从机发送IP地址扫描报文，直到主站设备的从端口收到IP地址扫描报文为止；主站设备的从端口接收到IP地址扫描报文后对其进行解析，根据解析到的IP地址先后顺序，建立节点IP和节点顺序序号的关联映射表，并将该关联映射存储在内存中；

步骤二：主站设备根据节点IP和节点顺序序号从主端口依次给各节点设备以点对点的方式发送链路建立报文，该链路建立报文用以告诉该节点的上一个节点和下一个节点的IP地址是多少以及当前节点是否为链路的终点等信息；节点设备收到该报文首先根据IP地址判断是否为发送给自己的链路建立报文，如果是则将上一个节点和下一个节点的IP地址是多少以及当前节点是否为链路的终点等信息存储下来，并向主站设备发送链路建立回应报文用以告诉主站设备节点设备已收到链路建立报文，形成一次握手；如果不是则该报文直接转发给下一个节点设备；

步骤三：当所有节点设备的链路关系都建立后，主站设备从主端口给节点设备发送数据扫描报文，各节点设备收到数据扫描报文后，节点设备按照收到报文的顺序依次将需要上送的结果数据填充到该报文对应位置，并将填充后的数据扫描报文发送给下一个节点设备；该数据扫描报文经过环网一圈后发送给主站设备的从端口，主站设备对该报文进行解析以获得各节点设备的结果数据并将其根据IP地址分别存储在不同的存储区中，等待上层设备从存储区获取各节点的结果数据；主站设备等待一定时间重复发送数据扫描报文；节点设备在需要主动上送结果数据时，其会向主站设备发送数据主动上送报文，主站设备收到后对其进行解析并根据IP地址存储在对应的存储区中；

步骤四：在链路关系建立之后，各节点设备之间间隔一定时间互相发送链路检测报文，当某一节点收到上一节点设备发送过来的链路检测报文后马上返回一条链路检测回应报文，节点收到链路检测回应报文后算是完成一次链路检测握手；若节点在一定时间内未收到链路检测回应报文则表示链路检测确认失败，并继续发送链路检测报文，当连续一定次数的链路建立失败后，该节点标记该链路为断路状态；同时该节点设备向主站设备发送链路断路通知报文，所述报文用以通知主站设备发生断路的位置；

步骤五：当主站设备收到节点发送过来的链路断路通知报文后立即返回一条链路断路通知回应报文，同时主站设备根据从链路断路通知报文解析到的断路位置重新对各节点设备进行链路建立；

步骤六：当链路重新建立后，主站设备从主端口和从端口依次根据各节点设备的IP给各节点设备发送点对点获取数据报文，所述报文为点对点报文，用以获取节点设备的结果数据；当节点设备收到该报文后先根据报文里的IP地址与自身IP地址是否一致判断是否为给当前节点设备，如果是则该节点设备将自身的结果数据填充到该报文相应位置中，并将填充后的报文按原路发送给主站设备，如果不是则将该报文转发给下一个节点设备；主站设备收到点对点获取数据报文后对其进行解析，并将解析获得的结果数据存储到对应IP的结果数据存储区中；

步骤七：当发生断路的两个节点设备之间再次连续互相多次完成链路检测确认之后，该节点设备标记该链路为恢复状态，同时该节点设备向主站设备发送链路恢复通知报文，所述报文用以通知主站设备链路恢复的位置；主站设备收到节点设备发来的链路恢复通知报文后马上返回一条链路恢复通知回应报文；主站设备重新从步骤一开始执行后续步骤；

步骤八：当上层控制设备需要通过主站设备给工业控制环网中节点设备下发命令数据时，主站设备在接收到上层控制设备下发的节点控制命令报文后，根据控制流程实时将该报文转发到环网系统中；所述报文为广播报文，当工业控制环网处于环网状态时，主站设备从主端口下发节点控制命令报文，当环网处于断网状态时，主站设备从主端口和从端口分别下发节点控制命令报文；节点设备在收到该报文后对其进行解析，同时将该报文转发给下一个节点设备；节点设备根据解析到的结果判断该条节点控制命令报文是否有发送给自己的报文命令，如果有则根据命令来对IO设备执行控制命令，如果没有则将该条命令丢弃；

进一步，所述步骤一通过以下子步骤实现：

主站设备发出IP地址扫描报文时，只包含报文头部，数据区等待每个节点设备填充各自的结果数据，所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，其中起始节点设备个数，数据区长度初始值均为0；

节点设备在接收到IP地址扫描报文后对其进行处理的步骤包括：报文头部的节点设备个数进行加1操作；对数据区长度值进行加4操作；将本地IP地址添加到数据区中；将处理后的IP地址扫描报文发送给下一个节点设备；

主站设备的从端口接收到IP地址扫描报文后对其进行解析，根据从数据区解析到的各节点设备IP地址先后顺序，建立节点设备IP地址和节点设备顺序序号的关联映射表，第1个节点设备IP地址对应节点设备序号1，第N个节点设备IP地址对应节点设备序号N，所述的关联映射表包含节点设备IP地址与节点设备相对于主站设备在工业控制环网上的顺序序号之间的对应关系；

主站设备在发送IP地址扫描报文后开始计时，如果一定时间内主站设备的从端口没有收到环网上从设备发过来的IP地址扫描报文则视为环网故障，主站设备继续从主端口给从机发送IP地址扫描报文，直到主站设备的从端口收到IP地址扫描报文为止；

进一步，所述步骤二通过以下子步骤实现：

主站设备准备向序号为N的节点设备发送链路建立报文前，先根据序号为N从权利要求4中的节点设备IP地址和节点设备顺序序号的关联映射表中遍历出序号N节点设备的IP地址以及序号N-1和序号N+1节点设备的IP地址；

主站设备根据节点IP和节点顺序序号从主端口依次给各节点设备点对点发送链路建立报文；

节点设备收到链路建立报文后，节点设备对该报文进行解析，根据解析到的目的IP地址判断与自身本地的IP地址是否一致，如果不一致则将该条报文转发给下一个节点设备，如果一致则将报文中的上一节点设备和下一节点设备IP地址以及当前节点是否为链路的终点等信息存储下来，同时节点设备向主站设备发送一条链路建立回应报文用以完成一次握手；

进一步，所述步骤三通过以下子步骤实现：

主站设备从主端口给节点设备发送数据扫描报文，所述报文为广播报文，该报文从主站设备发出时，只包含报文头部，数据区等待每个节点设备填充各自的结果数据，所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，其中起始节点设备个数，数据区长度初始值均为0；

节点设备在收到数据扫描报文后对其进行处理的步骤包括：报文头部的节点设备个数进行加1操作；根据自身需要上送的结果数据长度对数据区长度值进行累加；将需要上送的结果数据添加到数据区中；所述的结果数据包含数据头和节点设备数据区，数据头包含节点设备IP地址，节点设备数据区长度等信息，节点设备数据区为自定义数据格式；将处理后的数据扫描报文发送给下一个节点设备；

主站设备的从端口收到经过环网一圈的数据扫描报文后对其进行解析，根据数据扫描报文格式将每个节点设备上传的结果数据取出，并将每个节点设备上传的结果数据与节点设备IP地址进行关联存储；

主站设备每隔一定时间从主端口给节点设备发送一次数据扫描报文；

节点设备根据运行情况可以主动向主站设备发送数据主动上送报文，所述报文包含报文头部和数据区，所述报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，节点设备个数为1；主站设备在收到数据主动上送报文后对其进行解析并根据IP地址存储在对应的存储区中；

进一步，所述步骤四通过以下子步骤实现：

节点设备之间间隔一定时间相互发送链路检测报文，当序号为N(第一个节点设备序号为1，最后一个节点设备序号为M，M>=N) 节点设备在向序号为N+1的节点设备发出链路检测报文后，在一定时间内未收到链路检测回应报文则视为这次链路检测失败，该节点设备继续发送链路检测报文，当链路检测失败次数z经过累加后达到系统预设的链路断路阈值Z后，则表示序号为N与序号为N+1的节点设备之间链路异常，序号为N的节点设备向主站设备发送链路断路通知报文；所述的链路断路通知报文格式中包含报文命令和发生链路断路的位置序号N等信息；节点序号为M的节点设备(最后一个节点设备)会给主站设备发送链路检测报文，主站设备收到后会返回链路检测回应报文；

节点设备在向主站设备发送链路断路通知报文后开始计时，当经过一定时间后未收到链路断路通知回应报文后继续向主站设备发送链路断路通知报文；

主站设备也会从主端口给第1个节点设备定时发送链路检测报文，在一定时间内未收到链路检测回应报文则视为这次链路检测失败，当链路检测失败次数z达到系统预设的链路断路阈值Z后，则表示主站设备与第1个节点设备之间链路异常；主站会直接进入断路模式，即主站设备从从端口给序号为M至1的节点设备发送链路建立报文；

进一步，所述步骤六通过以下子步骤实现：

主站设备从主端口依次给序号为1个至N的节点设备发送点对点获取数据报文，从从端口依次给序号为M至N+1的节点设备发送点对点获取数据报文；该报文从主站设备发出时，只包含报文头部，数据区等待目的节点设备填充其结果数据，所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，其中节点设备个数，数据区长度初始值均为0；

序号N的节点设备在收到点对点获取数据报文后对其进行处理的步骤包括：根据解析到的目的IP地址判断与自身本地的IP地址是否一致，如果不一致则将该条直接报文转发给下一个节点设备，如果一致则将报文头部的节点设备个数进行加1操作；根据自身需要上送的结果数据长度对数据区长度进行累加；将需要上送的结果数据添加到数据区中；将处理后的点对点获取数据报文发送给主站设备；

进一步，所述步骤七通过以下子步骤实现：

发生断路的序号为N(第一个节点设备序号为1，最后一个节点设备序号为M，M>=N)节点设备在向序号为N+1的节点设备发出链路检测报文后，在一定时间内收到链路检测回应报文则视为这次链路检测恢复，该节点设备继续发送链路检测报文，当链路检测恢复次数r经过累加后达到系统预设的链路恢复阈值R后，则表示序号为N与序号为N+1的节点设备之间链路恢复，序号为N的节点设备向主站设备发送链路恢复通知报文；所述的链路断路通知报文格式中包含报文命令和发生链路恢复的位置序号N等信息；

进一步，所述步骤八通过以下子步骤实现：

主站设备在收到上层控制设备下发的节点控制命令报文后，先将其缓存起来，同时根据控制流程实时将该报文转发到环网系统中；所述报文包括报文头部和数据区两部分；所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，数据区为包含一个或者多个节点控制数据，所述的节点控制数据包含控制数据报文头部和控制数据区两部分，控制数据报文头部包含节点设备IP地址，节点设备数据区长度等信息，控制数据区为自定义数据格式；

当工业控制环网处于环网状态时，主站设备从主端口下发节点控制命令报文，当环网处于断网状态时，主站设备从主端口和从端口分别下发节点控制命令报文；

节点设备在收到该报文后对其进行解析，同时将该报文转发给下一个节点设备；节点设备根据解析节点控制数据报文头部中的IP地址与本地IP地址是否匹配来判断该条节点控制命令报文是否有发送给自己的报文命令，如果有则根据命令来对IO设备执行控制命令，如果没有则将该条命令丢弃。

本发明的基于工业控制环网系统的环网控制协议实现方法，通过报文获取工业控制环网的拓扑结构，通过数据扫描报文能够一次性获取工业控制环网系统上所有节点设备的结果数据，同时支持单个节点设备的主动上送结果数据功能；当工业控制环网系统上某个节点设备链路出现断路或者需要更换、增减节点设备时，主站设备能在一个扫描周期内根据新的环网系统拓扑结构完成链路重新建立，切换时间短，不影响系统的正常运行；当检测到工业控制环网重新完成环网组网后，主站设备能在一个扫描周期内完成获取新的工业控制环网拓扑结构并重新进入正常环网工作模式。

附图说明

图1为本发明实施例的基于工业控制环网系统的环网控制协议实现方法的流程图；

图2a为主站设备内部模块及接口框图；

图2b为节点设备内部模块及接口框图；

图3为正常工作状态下工业控制环网系统中主站设备和节点设备之间连接示意图；

图4a为在工业控制环网系统中节点设备之间出现链路异常的示意图；

图4b为在工业控制环网系统中节点设备之间需要更换节点设备的示意图，虚线圈内是需要更换的节点设备；

图4c为在工业控制环网系统中节点设备之间剔除某个节点设备的示意图，虚线圈内是剔除某个节点设备后的链路；

图4d为在工业控制环网系统中增加节点设备的示意图，虚线圈内是增加的节点设备；

图5为主站设备内部对协议报文处理流程图；

图6为节点设备内部对协议报文处理流程图；

图7为环网控制协议中不同报文格式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图3所示，本发明实施例提供了一种工业控制环网系统，包括：

一套主站设备和若干套节点设备1，2，3……N，N+1……，M，主站设备和节点设备1，2，3……N，N+1……，M均包含一个主数据收发端口和一个从数据收发端口，主站设备的主数据收发端口通过通信介质与第一套节点设备1的主数据收发端口相连，第一套节点设备1的从数据收发端口与第二套节点设备2的主数据收发端口相连，如此顺序相连，形成一个闭合的环形网络系统结构；主站设备还有一个上层控制设备数据收发端口，用于接收上层控制设备给工业控制环网系统下发的控制数据以及工业控制环网系统给上层控制设备发送结果数据等功能。

如图4a-图4d所示，工业控制环网系统中节点设备之间会出现链路异常、需要更换节点设备、剔除某个节点设备以及增加节点设备，因此，需要通过报文确认链接是否可靠。

如图2a和2b所示，主站设备和节点设备内部均包含报文管理模块，报文打包模块，报文解析模块，报文接收模块，报文发送模块；

报文管理模块，用于对来自工业控制环网系统中的各种报文进行管理与处理，并产生相应的命令，以及控制报文发送的方向；

报文打包模块，用于将报文管理模块产生的命令按照一定的格式打包成不同的报文；

报文发送模块，用于将报文打包模块产生的报文从相应的端口发送出去；

报文接收模块，用于从端口上接收报文，并将报文完整的发送给报文解析模块；

报文解析模块，用于解析从报文接收模块接收到的报文，并将解析出的报文命令发送给报文管理模块；

主站设备内部还包含节点设备结果数据存储模块，用于存储从工业控制环网系统中的节点设备获取到的各节点设备结果数据；

节点设备内部还包含IO设备数据收发模块，用于节点设备与IO设备之间的数据交互。

如图7所示，本发明实施例还提供了一种基于工业控制环网系统的环网控制协议，包含：

IP地址扫描报文，用以获取工业控制环网上所有节点设备IP地址；

链路建立报文，用以告诉某节点的上一个节点设备和下一个节点设备的IP地址是多少以及当前节点设备是否为链路的终点等信息；

链路建立回应报文，用以通知主站设备目的节点设备已收到链路建立报文，形成一次握手确认；

数据扫描报文，用以获取工业控制环网上所有节点设备的结果数据，包含每个节点设备需要上报的结果数据等信息；

数据主动上送报文，用以节点设备在需要主动上送结果数据时所用的报文；

点对点获取数据报文，用以以点对点的方式只获取某一节点设备的结果数据；

链路检测报文及链路检测回应报文，用以相邻两个节点设备完成一次链路检测握手；

链路断路通知报文，用以某节点设备告诉主站设备发生断路的环网位置，包含发生断路位置等信息；

链路断路通知回应报文，用以告诉发送链路断路通知报文的节点设备，主站设备已经收到链路断路通知报文；

链路恢复通知报文，用以某节点设备告诉主站设备断路恢复环网位置，包含断路恢复信息等信息；

链路恢复通知回应报文，用以告诉发送链路恢复通知报文的节点设备，主站设备已经收到链路恢复通知报文；

节点控制命令报文，所述报文为上层控制设备向环网系统中节点设备下发控制命令的报文。

如图1、5、6所示，本发明实施例还提供一种基于工业控制环网系统的环网控制协议实现方法，包括如下步骤：

步骤一：S01主站设备从主数据收发端口给节点设备发送IP地址扫描报文；各节点设备收到该报文后将各自的IP地址按照收到报文的顺序依次填充到该报文对应位置并转发给下一个节点设备，该报文经过环网一圈后会回传给主站设备的从数据收发端口，如果一定时间内主站设备的从数据收发端口没有收到环网上从节点设备发过来的IP扫描报文则视为环网故障，主站设备继续从主数据收发端口给节点设备发送IP地址扫描报文，直到主站设备的从数据收发端口收到IP地址扫描报文为止；主站设备的从数据收发端口接收到IP地址扫描报文后对其进行解析，根据解析到的IP地址先后顺序，建立节点IP和节点顺序序号的关联映射表，并将该关联映射存储在内存中；

步骤二：S02主站设备根据节点IP和节点顺序序号从主数据收发端口依次给各节点设备以点对点的方式发送链路建立报文，该链路建立报文用以告诉该节点设备的上一个节点设备和下一个节点设备的IP地址是多少以及当前节点设备是否为链路的终点等信息；节点设备收到该报文首先根据IP地址判断是否为发送给自己的链路建立报文，如果是则将上一个节点和下一个节点的IP地址是多少以及当前节点是否为链路的终点等信息存储下来，并向主站设备发送链路建立回应报文用以告诉主站设备节点设备已收到链路建立报文，形成一次握手；如果不是则该报文直接转发给下一个节点设备；

步骤三：S03当所有节点设备的链路关系都建立后，主站设备从主数据收发端口给节点设备发送数据扫描报文，各节点设备收到数据扫描报文后，节点设备按照收到报文的顺序依次将需要上送的结果数据填充到该报文对应位置，并将填充后的数据扫描报文发送给下一个节点设备；该数据扫描报文经过环网一圈后发送给主站设备的从数据收发端口，主站设备对该报文进行解析以获得各节点设备的结果数据并将其根据IP地址分别存储在不同的存储区中，等待上层控制设备从存储区获取各节点设备的结果数据；主站设备等待一定时间重复发送数据扫描报文；节点设备在需要主动上送结果数据时，其会向主站设备发送数据主动上送报文，主站设备收到后对其进行解析并根据IP地址存储在对应的存储区中；

步骤四：S04在链路关系建立之后，各节点设备之间间隔一定时间互相发送链路检测报文，当某一节点设备收到上一节点设备发送过来的链路检测报文后马上返回一条链路检测回应报文，该上一节点设备收到链路检测回应报文后算是完成一次链路检测握手；若上一节点设备在一定时间内未收到链路检测回应报文则表示链路检测确认失败，并继续发送链路检测报文，当连续一定次数的链路建立失败后，该上一节点设备标记该链路为断路状态；同时该上一节点设备向主站设备发送链路断路通知报文，所述报文用以通知主站设备发生断路的位置；

步骤五：S05当主站设备收到该上一节点设备发送过来的链路断路通知报文后立即返回一条链路断路通知回应报文，同时主站设备根据从链路断路通知报文解析到的断路位置重新对各节点设备进行链路建立；

步骤六：S06当链路重新建立后，主站设备从主数据收发端口和从数据收发端口依次根据各节点设备的IP给各节点设备发送点对点获取数据报文，所述报文为点对点报文，用以获取节点设备的结果数据；当节点设备收到该报文后先根据报文里的IP地址与自身IP地址是否一致判断是否为给当前节点设备，如果是则该节点设备将自身的结果数据填充到该报文相应位置中，并将填充后的报文按原路发送给主站设备，如果不是则将该报文转发给下一个节点设备；主站设备收到点对点获取数据报文后对其进行解析，并将解析获得的结果数据存储到对应IP的结果数据存储区中；

步骤七：S07当发生断路的两个节点设备之间再次连续互相多次完成链路检测确认之后，该节点设备标记该链路为恢复状态，同时该节点设备向主站设备发送链路恢复通知报文，所述报文用以通知主站设备链路恢复的位置；主站设备收到节点设备发来的链路恢复通知报文后马上返回一条链路恢复通知回应报文；主站设备重新从步骤一开始执行后续步骤；

步骤八：S08当上层控制设备需要通过主站设备给工业控制环网中节点设备下发命令数据时，主站设备在接收到上层控制设备下发的节点控制命令报文后，根据控制流程实时将该报文转发到环网系统中；所述报文为广播报文，当工业控制环网处于环网状态时，主站设备从主数据收发端口下发节点控制命令报文，当环网处于断网状态时，主站设备从数据收发主端口和从数据收发端口分别下发节点控制命令报文；节点设备在收到该报文后对其进行解析，同时将该报文转发给下一个节点设备；节点设备根据解析到的结果判断该条节点控制命令报文是否有发送给自己的报文命令，如果有则根据命令来对IO设备执行控制命令，如果没有则将该条命令丢弃。

所述步骤一通过以下子步骤实现：

步骤1.1主站设备发出IP地址扫描报文时，只包含报文头部，数据区等待每个节点设备填充各自的结果数据，所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，其中起始节点设备个数，数据区长度初始值均为0；

步骤1.2节点设备在接收到IP地址扫描报文后对其进行处理的步骤包括：报文头部的节点设备个数进行加1操作；对数据区长度值进行加4操作；将本地IP地址添加到数据区中；将处理后的IP地址扫描报文发送给下一个节点设备；

步骤1.3主站设备的从数据收发端口接收到IP地址扫描报文后对其进行解析，根据从数据区解析到的各节点设备IP地址先后顺序，建立节点设备IP地址和节点设备顺序序号的关联映射表，第1个节点设备IP地址对应节点设备序号1，第N个节点设备IP地址对应节点设备序号N，所述的关联映射表包含节点设备IP地址与节点设备相对于主站设备在工业控制环网上的顺序序号之间的对应关系；

步骤1.4主站设备在发送IP地址扫描报文后开始计时，如果一定时间内主站设备的从数据收发端口没有收到环网上从节点设备发过来的IP地址扫描报文则视为环网故障，主站设备继续从主数据收发端口给节点设备发送IP地址扫描报文，直到主站设备的从数据收发端口收到IP地址扫描报文为止。

所述步骤二通过以下子步骤实现：

步骤2.1主站设备准备向序号为N的节点设备发送链路建立报文前，先根据序号为N从所述节点设备IP地址和节点设备顺序序号的关联映射表中遍历出序号N节点设备的IP地址以及序号N-1和序号N+1节点设备的IP地址；

步骤2.2主站设备根据节点IP和节点顺序序号从主数据收发端口依次给各节点设备点对点发送链路建立报文；

步骤2.3节点设备收到链路建立报文后，节点设备对该报文进行解析，根据解析到的目的IP地址判断与自身本地的IP地址是否一致，如果不一致则将该条报文转发给下一个节点设备，如果一致则将报文中的上一节点设备和下一节点设备IP地址以及当前节点是否为链路的终点等信息存储下来，同时节点设备向主站设备发送一条链路建立回应报文用以完成一次握手。

所述步骤三通过以下子步骤实现：

步骤3.1主站设备从主数据收发端口给节点设备发送数据扫描报文，所述报文为广播报文，该报文从主站设备发出时，只包含报文头部，数据区等待每个节点设备填充各自的结果数据，所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，其中起始节点设备个数，数据区长度初始值均为0；

步骤3.2节点设备在收到数据扫描报文后对其进行处理的步骤包括：报文头部的节点设备个数进行加1操作；根据自身需要上送的结果数据长度对数据区长度值进行累加；将需要上送的结果数据添加到数据区中；所述的结果数据包含数据头和节点设备数据区，数据头包含节点设备IP地址，节点设备数据区长度等信息，节点设备数据区为自定义数据格式；将处理后的数据扫描报文发送给下一个节点设备；

步骤3.3主站设备的从数据收发端口收到经过环网一圈的数据扫描报文后对其进行解析，根据数据扫描报文格式将每个节点设备上传的结果数据取出，并将每个节点设备上传的结果数据与节点设备IP地址进行关联存储；

步骤3.4主站设备每隔一定时间从主数据收发端口给节点设备发送一次数据扫描报文；

步骤3.5节点设备根据运行情况可以主动向主站设备发送数据主动上送报文，所述报文包含报文头部和数据区，所述报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，节点设备个数为1；主站设备在收到数据主动上送报文后对其进行解析并根据IP地址存储在对应的存储区中。

所述步骤四通过以下子步骤实现：

步骤4.1节点设备之间间隔一定时间相互发送链路检测报文，当序号为N(第一个节点设备序号为1，最后一个节点设备序号为M，M>=N) 节点设备在向序号为N+1的节点设备发出链路检测报文后，在一定时间内未收到链路检测回应报文则视为这次链路检测失败，该序号为N节点设备继续发送链路检测报文，当链路检测失败次数z经过累加后达到系统预设的链路断路阈值Z后，则表示序号为N与序号为N+1的节点设备之间链路异常，序号为N的节点设备向主站设备发送链路断路通知报文；所述的链路断路通知报文格式中包含报文命令和发生链路断路的位置序号N等信息；节点序号为M的节点设备(最后一个节点设备)会给主站设备发送链路检测报文，主站设备收到后会返回链路检测回应报文；

步骤4.2序号为N的节点设备在向主站设备发送链路断路通知报文后开始计时，当经过一定时间后未收到链路断路通知回应报文后继续向主站设备发送链路断路通知报文；

步骤4.3主站设备也会从主数据收发端口给第1个节点设备定时发送链路检测报文，在一定时间内未收到链路检测回应报文则视为这次链路检测失败，当链路检测失败次数z达到系统预设的链路断路阈值Z后，则表示主站设备与第1个节点设备之间链路异常；主站会直接进入断路模式，即主站设备从从数据收发端口给序号为M至1的节点设备发送链路建立报文。

所述步骤六通过以下子步骤实现：

步骤6.1主站设备从主数据收发端口依次给序号为1个至N的节点设备发送点对点获取数据报文，从从数据收发端口依次给序号为M至N+1的节点设备发送点对点获取数据报文；该报文从主站设备发出时，只包含报文头部，数据区等待目的节点设备填充其结果数据，所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，其中节点设备个数，数据区长度初始值均为0；

步骤6.2序号N的节点设备在收到点对点获取数据报文后对其进行处理的步骤包括：根据解析到的目的IP地址判断与自身本地的IP地址是否一致，如果不一致则将该条直接报文转发给下一个节点设备，如果一致则将报文头部的节点设备个数进行加1操作；根据自身需要上送的结果数据长度对数据区长度进行累加；将需要上送的结果数据添加到数据区中；将处理后的点对点获取数据报文发送给主站设备。

所述步骤七通过以下子步骤实现：

步骤7.1发生断路的序号为N(第一个节点设备序号为1，最后一个节点设备序号为M，M>=N)节点设备在向序号为N+1的节点设备发出链路检测报文后，在一定时间内收到链路检测回应报文则视为这次链路检测恢复，该节点设备继续发送链路检测报文，当链路检测恢复次数r经过累加后达到系统预设的链路恢复阈值R后，则表示序号为N与序号为N+1的节点设备之间链路恢复，序号为N的节点设备向主站设备发送链路恢复通知报文；所述的链路断路通知报文格式中包含报文命令和发生链路恢复的位置序号N等信息。

所述步骤八通过以下子步骤实现：

步骤8.1主站设备在收到上层控制设备下发的节点控制命令报文后，先将其缓存起来，同时根据控制流程实时将该报文转发到环网系统中；所述报文包括报文头部和数据区两部分；所述的报文头部包含报文命令，节点设备个数，数据区长度等信息，数据区为包含一个或者多个节点控制数据，所述的节点控制数据包含控制数据报文头部和控制数据区两部分，控制数据报文头部包含节点设备IP地址，节点设备数据区长度等信息，控制数据区为自定义数据格式；

步骤8.2当工业控制环网处于环网状态时，主站设备从主数据收发端口下发节点控制命令报文，当环网处于断网状态时，主站设备从主数据端口和从数据端口分别下发节点控制命令报文；

步骤8.3节点设备在收到该报文后对其进行解析，同时将该报文转发给下一个节点设备；节点设备根据解析节点控制数据报文头部中的IP地址与本地IP地址是否匹配来判断该条节点控制命令报文是否有发送给自己的报文命令，如果有则根据命令来对IO设备执行控制命令，如果没有则将该条命令丢弃。

Claims (8)

1.一种基于工业控制环网系统的实现方法，所述工业控制环网系统，包括：一套主站设备和若干套节点设备，主站设备和节点设备均包含一个主数据收发端口和一个从数据收发端口，所述主站设备的主数据收发端口通过通信介质与第一套节点设备（1）的主数据收发端口相连，第一套节点设备（1）的从数据收发端口与第二套节点设备（2）的主数据收发端口相连，如此顺序相连，形成一个闭合的环形网络系统结构；主站设备还设有一个上层控制设备数据收发端口，用于接收上层控制设备给工业控制环网系统下发的控制数据以及工业控制环网系统给上层控制设备发送结果数据；

所述主站设备和节点设备内部均包含报文管理模块，报文打包模块，报文解析模块，报文接收模块，报文发送模块；

报文管理模块，用于对来自工业控制环网系统中的各种报文进行管理与处理，并产生相应的命令，以及控制报文发送的方向；

报文打包模块，用于将报文管理模块产生的命令按照一定的格式打包成不同的报文；

报文发送模块，用于将报文打包模块产生的报文从相应的端口发送出去；

报文接收模块，用于从端口上接收报文，并将报文完整的发送给报文解析模块；

报文解析模块，用于解析从报文接收模块接收到的报文，并将解析出的报文命令发送给报文管理模块；

所述主站设备内部还包含节点设备结果数据存储模块，用于存储从工业控制环网系统中的节点设备获取到的各节点设备结果数据；

所述节点设备内部还包含IO设备数据收发模块，用于节点设备与IO设备之间的数据交互；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：主站设备从主数据收发端口给节点设备发送IP地址扫描报文；各节点设备收到该报文后将各自的IP地址按照收到报文的顺序依次填充到该报文对应位置并转发给下一个节点设备，该报文经过环网一圈后回传给主站设备的从数据收发端口，若一定时间内主站设备的从数据收发端口没有收到环网上从节点设备发过来的IP地址扫描报文则视为环网故障，主站设备继续从主数据收发端口给节点设备发送IP地址扫描报文，直到主站设备的从数据收发端口收到IP地址扫描报文为止；主站设备的从数据收发端口接收到IP地址扫描报文后对其进行解析，根据解析到的IP地址先后顺序，建立节点设备IP和节点设备顺序序号的关联映射表，并将该关联映射表存储在内存中；

步骤二：主站设备根据节点设备IP地址和节点设备顺序序号从主数据收发端口依次给各节点设备以点对点的方式发送链路建立报文，该链路建立报文用以告诉该节点设备的上一个节点设备和下一个节点设备的IP地址以及当前节点设备是否为链路的终点；节点设备收到该报文首先根据IP地址判断是否为发送给自己的链路建立报文，若是则将上一个节点设备和下一个节点设备的IP地址以及当前节点设备是否为链路的终点存储下来，并向主站设备发送链路建立回应报文用以告诉主站设备，节点设备已收到链路建立报文，形成一次握手；若不是则将该报文直接转发给下一个节点设备；

步骤三：当所有节点设备的链路关系都建立后，主站设备从主数据收发端口给节点设备发送数据扫描报文，各节点设备收到数据扫描报文后，节点设备按照收到报文的顺序依次将需要上送的结果数据填充到该报文对应位置，并将填充后的数据扫描报文发送给下一个节点设备；该数据扫描报文经过环网一圈后发送给主站设备的从数据收发端口，主站设备对该报文进行解析以获得各节点设备的结果数据并将其根据IP地址分别存储在不同的存储区中，等待上层控制设备从存储区获取各节点设备的结果数据；主站设备等待一定时间重复发送数据扫描报文；节点设备在需要主动上送结果数据时，其向主站设备发送数据主动上送报文，主站设备收到后对其进行解析并根据IP地址存储在对应的存储区中；

步骤四：在链路关系建立之后，各节点设备之间间隔一定时间互相发送链路检测报文，当某一节点设备收到上一节点设备发送过来的链路检测报文后马上返回一条链路检测回应报文，该上一节点设备收到链路检测回应报文后算是完成一次链路检测握手；若上一节点设备在一定时间内未收到链路检测回应报文则表示链路检测确认失败，并继续发送链路检测报文，当连续一定次数的链路检测确认失败后，该上一节点设备标记该链路为断路状态；同时该上一节点设备向主站设备发送链路断路通知报文，所述报文用以通知主站设备发生断路的位置；

步骤五：当主站设备收到该上一节点设备发送过来的链路断路通知报文后立即返回一条链路断路通知回应报文，同时主站设备根据从链路断路通知报文解析到的断路位置重新对各节点设备进行链路建立；

步骤六：当链路重新建立后，主站设备从主数据收发端口和从数据收发端口依次根据各节点设备的IP地址给各节点设备发送点对点获取数据报文，所述报文为点对点报文，用以获取节点设备的结果数据；当节点设备收到该报文后先根据报文里的IP地址与自身IP地址是否一致判断是否为给当前节点设备，若是则该节点设备将自身的结果数据填充到该报文相应位置中，并将填充后的报文按原路发送给主站设备，若不是则将该报文转发给下一个节点设备；主站设备收到点对点获取数据报文后对其进行解析，并将解析获得的结果数据存储到对应IP地址的存储区中；

步骤七：当发生断路的两个节点设备之间再次连续互相多次完成链路检测确认之后，该节点设备标记该链路为恢复状态，同时该节点设备向主站设备发送链路恢复通知报文，所述报文用以通知主站设备链路恢复的位置；主站设备收到节点设备发来的链路恢复通知报文后马上返回一条链路恢复通知回应报文；主站设备重新从步骤一开始执行后续步骤；

步骤八：当上层控制设备需要通过主站设备给工业控制环网中节点设备下发命令数据时，主站设备在接收到上层控制设备下发的节点控制命令报文后，根据控制流程实时将该报文转发到环网系统中；所述报文为广播报文，当工业控制环网处于环网状态时，主站设备从主数据收发端口下发节点控制命令报文，当环网处于断网状态时，主站设备从主数据收发端口和从数据收发端口分别下发节点控制命令报文；节点设备在收到该报文后对其进行解析，同时将该报文转发给下一个节点设备；节点设备根据解析到的结果判断该条节点控制命令报文是否有发送给自己的报文命令，若有则根据命令来对IO设备执行控制命令，若没有则将该条命令丢弃。

2.如权利要求1所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤一通过以下子步骤实现：

步骤1.1主站设备发出IP地址扫描报文时，只包含报文头部、数据区，等待每个节点设备填充各自的结果数据，所述的报文头部包含报文命令、节点设备个数、数据区长度，其中起始节点设备个数、数据区长度初始值均为0；

步骤1.2节点设备在接收到IP地址扫描报文后对其进行处理的步骤包括：报文头部的节点设备个数进行加1操作；对数据区长度值进行加4操作；将本地IP地址添加到数据区中；将处理后的IP地址扫描报文发送给下一个节点设备；

步骤1.3主站设备的从数据收发端口接收到IP地址扫描报文后对其进行解析，根据从数据区解析到的各节点设备IP地址先后顺序，建立节点设备IP地址和节点设备顺序序号的关联映射表，第一套节点设备IP地址对应节点设备序号1，第N套节点设备IP地址对应节点设备序号N，所述的关联映射表包含节点设备IP地址与节点设备相对于主站设备在工业控制环网上的顺序序号之间的对应关系；

步骤1.4主站设备在发送IP地址扫描报文后开始计时，若一定时间内主站设备的从数据收发端口没有收到环网上从节点设备发过来的IP地址扫描报文则视为环网故障，主站设备继续从主数据收发端口给节点设备发送IP地址扫描报文，直到主站设备的从数据收发端口收到IP地址扫描报文为止。

3.如权利要求2所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤二通过以下子步骤实现：

步骤2.1主站设备准备向序号为N的节点设备发送链路建立报文前，先根据序号为N从所述节点设备IP地址和节点设备顺序序号的关联映射表中遍历出序号N节点设备的IP地址以及序号N-1和序号N+1节点设备的IP地址；

步骤2.2主站设备根据节点设备IP地址和节点设备顺序序号从主数据收发端口依次给各节点设备点对点发送链路建立报文；

步骤2.3节点设备收到链路建立报文后，节点设备对该报文进行解析，根据解析到的目的IP地址判断与自身本地的IP地址是否一致，若不一致则将该条报文转发给下一个节点设备，若一致则将报文中的上一节点设备和下一节点设备IP地址以及当前节点是否为链路的终点存储下来，同时节点设备向主站设备发送一条链路建立回应报文用以完成一次握手。

4.如权利要求1所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤三通过以下子步骤实现：

步骤3.1主站设备从主数据收发端口给节点设备发送数据扫描报文，所述报文为广播报文，该报文从主站设备发出时，只包含报文头部、数据区，等待每个节点设备填充各自的结果数据，所述的报文头部包含报文命令、节点设备个数、数据区长度，其中起始节点设备个数、数据区长度初始值均为0；

步骤3.2节点设备在收到数据扫描报文后对其进行处理的步骤包括：报文头部的节点设备个数进行加1操作；根据自身需要上送的结果数据长度对数据区长度值进行累加；将需要上送的结果数据添加到数据区中；所述的结果数据包含数据头和节点设备数据区，数据头包含节点设备IP地址、节点设备数据区长度，节点设备数据区为自定义数据格式；将处理后的数据扫描报文发送给下一个节点设备；

步骤3.3主站设备的从数据收发端口收到经过环网一圈的数据扫描报文后对其进行解析，根据数据扫描报文格式将每个节点设备上传的结果数据取出，并将每个节点设备上传的结果数据与节点设备IP地址进行关联存储；

步骤3.4主站设备每隔一定时间从主数据收发端口给节点设备发送一次数据扫描报文；

步骤3.5节点设备根据运行情况可以主动向主站设备发送数据主动上送报文，所述报文包含报文头部和数据区，所述报文头部包含报文命令、节点设备个数、数据区长度，节点设备个数为1；主站设备在收到数据主动上送报文后对其进行解析并根据IP地址存储在对应的存储区中。

5.如权利要求1所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤四通过以下子步骤实现：

步骤4.1节点设备之间间隔一定时间相互发送链路检测报文，当序号为N节点设备在向序号为N+1的节点设备发出链路检测报文后，在一定时间内未收到链路检测回应报文则视为这次链路检测失败，该序号为N节点设备继续发送链路检测报文，当链路检测失败次数z经过累加后达到系统预设的链路断路阈值Z后，则表示序号为N与序号为N+1的节点设备之间链路异常，序号为N的节点设备向主站设备发送链路断路通知报文；所述的链路断路通知报文格式中包含报文命令和发生链路断路的位置序号N；最后一个节点序号为M的节点设备会给主站设备发送链路检测报文，主站设备收到后会返回链路检测回应报文；

步骤4.2序号为N的节点设备在向主站设备发送链路断路通知报文后开始计时，当经过一定时间后未收到链路断路通知回应报文后继续向主站设备发送链路断路通知报文；

步骤4.3主站设备也会从主数据收发端口给第一套节点设备定时发送链路检测报文，在一定时间内未收到链路检测回应报文则视为这次链路检测失败，当链路检测失败次数z达到系统预设的链路断路阈值Z后，则表示主站设备与第一套节点设备之间链路异常；主站会直接进入断路模式，即主站设备从从数据收发端口给序号为M至1的节点设备发送链路建立报文。

6.如权利要求1所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤六通过以下子步骤实现：

步骤6.1主站设备从主数据收发端口依次给序号为1至N的节点设备发送点对点获取数据报文，从从数据收发端口依次给序号为M至N+1的节点设备发送点对点获取数据报文；该报文从主站设备发出时，只包含报文头部、数据区，等待目的节点设备填充其结果数据，所述的报文头部包含报文命令、节点设备个数、数据区长度，其中节点设备个数、数据区长度初始值均为0；

步骤6.2序号N的节点设备在收到点对点获取数据报文后对其进行处理的步骤包括：根据解析到的目的IP地址判断与自身本地的IP地址是否一致，若不一致则将该条报文直接转发给下一个节点设备，若一致则将报文头部的节点设备个数进行加1操作；根据自身需要上送的结果数据长度对数据区长度进行累加；将需要上送的结果数据添加到数据区中；将处理后的点对点获取数据报文发送给主站设备。

7.如权利要求1所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤七通过以下子步骤实现：

步骤7.1发生断路的序号为N节点设备在向序号为N+1的节点设备发出链路检测报文后，在一定时间内收到链路检测回应报文则视为这次链路检测恢复，该节点设备继续发送链路检测报文，当链路检测恢复次数r经过累加后达到系统预设的链路恢复阈值R后，则表示序号为N与序号为N+1的节点设备之间链路恢复，序号为N的节点设备向主站设备发送链路恢复通知报文；所述的链路恢复通知报文格式中包含报文命令和发生链路恢复的位置序号N。

8.如权利要求1所述的基于工业控制环网系统的实现方法，其特征在于：所述步骤八通过以下子步骤实现：

步骤8.1主站设备在收到上层控制设备下发的节点控制命令报文后，先将其缓存起来，同时根据控制流程实时将该报文转发到环网系统中；所述报文包括报文头部和数据区两部分；所述的报文头部包含报文命令、节点设备个数、数据区长度，数据区为包含一个或者多个节点控制数据，所述的节点控制数据包含控制数据报文头部和控制数据区两部分，控制数据报文头部包含节点设备IP地址、节点设备数据区长度，控制数据区为自定义数据格式；

步骤8.2当工业控制环网处于环网状态时，主站设备从主数据收发端口下发节点控制命令报文，当环网处于断网状态时，主站设备从主数据收发端口和从数据收发端口分别下发节点控制命令报文；

步骤8.3节点设备在收到该报文后对其进行解析，同时将该报文转发给下一个节点设备；节点设备根据解析节点控制命令报文头部中的IP地址与本地IP地址是否匹配来判断该条节点控制命令报文是否有发送给自己的报文命令，若有则根据命令来对IO设备执行控制命令，若没有则将该条命令丢弃。

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