CN113259404B - 基于tcp/ip协议的工业通信中间件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件及其使用方法，包括：主控制系统：将通讯中间件运行过程中的所有运行日志，输入到日志模块；检索XML配置文件，获取通讯参数配置信息，并根据配置列表，逐条启动通讯链路；Socket通讯模块：实现底层的网络通讯接口；XML配置文件：存储通讯回线的配置信息，可通过通讯管理画面，修改通讯回线的参数配置信息。本发明专注于底层通信技术的具体实现，并且可以方便地将业务功能与通信功能结合起来，业务开发人员可以更多的关注业务功能开发，提高应用系统开发的效率。

Description

基于TCP/IP协议的工业通信中间件及其使用方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件及其使用方法。尤其地，涉及一种TCom通信中间件。

背景技术

TCom通信中间件是基于TCP/IP协议开发的用于过程控制系统与其它系统之间进行Socket通讯的中间件软件。该中间件专注于底层通信技术的具体实现，并且可以方便地将业务功能与通信功能结合起来，业务开发人员可以更多的关注业务功能开发，提高应用系统开发的效率。

通讯中间件是位于系统平台和硬件设备(通讯介质/协议)之间解决系统网络互连的中间适配层，负责不通计算机系统之间的数据交互、传输的通讯软件，常规使用最广的形式有3种：远程过程调用(RPC)，会话编程(TCP/IP的Socket)以及消息队列中间件。

远程过程调用(RPC)：

RPC的全称是Remote Procedure Call是一种进程间通信方式。它允许程序调用另一个地址空间(通常是共享网络的另一台机器上)的过程或函数，而不用程序员显式编码这个远程调用的细节。即程序员无论是调用本地的还是远程的，本质上编写的调用代码基本相同。

通过TCP/IP协议，建立Scoket连接建立通讯：

通过建立Scoket连接实现不同的系统之间或者应用程序间实现数据传输，一般需要在通讯的两端都开发一部分程序，双方约定好要传送的数据进行数据传输，开发过程也比较复杂。

消息队列(MQ)：

“消息队列”是在消息的传输过程中保存消息的容器。消息队列管理器在将消息从它的源中继到它的目标时充当中间人。队列的主要目的是提供路由并保证消息的传递；如果发送消息时接收者不可用，消息队列会保留消息，直到可以成功地传递它。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件。

根据本发明提供的一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件，包括：

主控制系统：将通讯中间件运行过程中的所有运行日志，输入到日志模块；检索XML配置文件，获取通讯参数配置信息，并根据配置列表，逐条启动通讯链路；

Socket通讯模块：实现底层的网络通讯接口；

XML配置文件：存储通讯回线的配置信息，可通过通讯管理画面，修改通讯回线的参数配置信息；

通讯外部接口：管理一组用于快速交换数据的共享内存，当外部程序调用通讯外部接口时，将需要处理的数据存入共享内存中，并通知Socket通讯模块，启动数据处理进程。

日志模块：记录运行过程中的通讯数据、通讯状态改变，将运行日志划分优先级使其可以面向程序的全生命周期；选择将信息输出到屏幕、文件，从而追踪数据交互的详细过程；

数据库接口：处理慢速的数据处理通道；

通讯回线管理模块：接收用户对通讯回线的配置参数修改，并通知主控制系统更新参数信息及重启通讯链路。

优选地，所述日志模块可根据用户的参数配置信息，将日志信息分类存储进日志文件，用于快速排查定位一些系统运行问题。

优选地，所述数据库接口：

当通讯的双方对传递的消息提高安全等级，所有的通讯数据必须确保传递给对方时，Socket通讯模块通过数据库接口，将需要传递的数据保存到数据库中，在确认数据的所有处理过程完成后，才将数据从数据库中删除。

优选地，所述Socket通讯模块：

考虑多用户、高并发的使用场景，使用线程池、消息异步通讯技术，同时为不同的通讯协议封装相同的用户接口，方便外部接口调用。

根据本发明提供的一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件的使用方法，使用上述所述基于TCP/IP协议的工业通信中间件的步骤包括：

启动TCOM通讯主服务，建立各服务器之间的数据通道；

打开中间件配置工具，配置通讯回线参数；

启动相应的通讯回线；

通讯建立后，各通讯对象间可稳定的实现数据交换，收发的数据都保存到相应的数据缓冲区；

通讯过程中的数据自动记录到日志系统，方便监控系统运行状态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明配置简单、无需编写复杂的SOCKET底层通讯，及数据传递机制的程序；开发人员在需要关注具体的通讯数据内容即可，无需过多的关注协议层的处理。

2、TCom是一款具备工业级处理性能、运行稳定可靠的跨平台软件，可以实现与过程控制系统相关的基础自动化系统、信息管理系统、过程控制系统之间的通信，在降低socket通讯开发复杂度、提高项目可移植性的同时，还能大大降低企业后期的维护成本。

3、本发明专注于底层通信技术的具体实现，并且可以方便地将业务功能与通信功能结合起来，业务开发人员可以更多的关注业务功能开发，提高应用系统开发的效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的结构组成示意图。

图2为本发明提供的中间件功能架构示意图。

图3为本发明提供的环境变量配置示意图。

图4为本发明提供的TCOM服务进程启动界面示意图。

图5为本发明提供的TCOM通信管理界面示意图。

图6为本发明提供的TCOM通信管理界面示意图。

图7为本发明提供的TCOM通信管理界面示意图。

图8为本发明提供的TCOM通信管理界面示意图。

图9为本发明提供的运行时组件流程示意图。

图10为本发明提供的服务端及客户端连接示意图。

图11为本发明提供的通信握手概要示意图。

图12为本发明提供的超时监测流程示意图。

图13为本发明提供的超监测流程示意图。

图14为本发明提供的应用实例架构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件，包括：

主控制系统：将通讯中间件运行过程中的所有运行日志，输入到日志模块；检索XML配置文件，获取通讯参数配置信息，并根据配置列表，逐条启动通讯链路；

Socket通讯模块：实现底层的网络通讯接口；

XML配置文件：存储通讯回线的配置信息，可通过通讯管理画面，修改通讯回线的参数配置信息；

通讯外部接口：管理一组用于快速交换数据的共享内存，当外部程序调用通讯外部接口时，将需要处理的数据存入共享内存中，并通知Socket通讯模块，启动数据处理进程。

日志模块：记录运行过程中的通讯数据、通讯状态改变，将运行日志划分优先级使其可以面向程序的全生命周期；选择将信息输出到屏幕、文件，从而追踪数据交互的详细过程；

数据库接口：处理慢速的数据处理通道；

通讯回线管理模块：接收用户对通讯回线的配置参数修改，并通知主控制系统更新参数信息及重启通讯链路。

具体地，所述日志模块可根据用户的参数配置信息，将日志信息分类存储进日志文件，用于快速排查定位一些系统运行问题。

具体地，所述数据库接口：

当通讯的双方对传递的消息提高安全等级，所有的通讯数据必须确保传递给对方时，Socket通讯模块通过数据库接口，将需要传递的数据保存到数据库中，在确认数据的所有处理过程完成后，才将数据从数据库中删除。

具体地，所述Socket通讯模块：

考虑多用户、高并发的使用场景，使用线程池、消息异步通讯技术，同时为不同的通讯协议封装相同的用户接口，方便外部接口调用。

根据本发明提供的一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件的使用方法，使用上述所述基于TCP/IP协议的工业通信中间件的步骤包括：

启动TCOM通讯主服务，建立各服务器之间的数据通道；

打开中间件配置工具，配置通讯回线参数；

启动相应的通讯回线；

通讯建立后，各通讯对象间可稳定的实现数据交换，收发的数据都保存到相应的数据缓冲区；

通讯过程中的数据自动记录到日志系统，方便监控系统运行状态。

下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。

优选例1：

本专利的方案主要是基于TCP/IP协议开发的用于过程控制系统与其它系统之间进行Socket通讯的中间件软件。中间件基于TCP/IP协议开发的外部通信中间件平台，通过它可以实现网络上不同终端之间的数据通信，本平台内置了多种常用的通信规约。

1、系统组成结构

平台的主要组成部分如图1所示：

系统组成结构如下：

后台进程管理服务：通过监看后台服务的状态来保证后台服务的可靠运行。

通信核心服务：为应用提供实时可靠的数据传输服务。

远程管理服务：为分布式操作提供了实现途径。

后台控制工具：控制通信核心服务中的各回线的启停。

前台控制工具：可以在异地对平台进行控制。

应用：这里的应用泛指所有和平台打交道的外部服务，包括应用开发人员编写的应用服务等。

2、中间件系统功能架构设计

本中间件的功能组件包括日志模块、XML配置文件、通讯回线管理模块、Socket通讯模块、通讯外部接口、数据库接口模块等。

日志模块，对于很多通讯相关的软件来说，运行过程中的通讯数据，通讯状态改变的记录就非常重要。通过将运行日志划分优先级使其可以面向程序调试、运行、测试、和维护等全生命周期，也可以选择将信息输出到屏幕、文件，从而可以清楚的追踪数据交互的详细过程。主控制系统将通讯中间件运行过程中的所有运行日志，输入到日志模块，日志模块可根据用户的参数配置信息，将日志信息分类存储进日志文件，主要用于快速排查定位一些系统运行问题；

XML配置文件，用于存储通讯回线的配置信息，用户可通过通讯管理画面，手工修改通讯回线的参数配置信息，xml的存储结构详见通讯回线XML配置参数表。主控制系统启动后，检索XML配置文件，获取通讯参数配置信息，并根据配置列表，逐条启动通讯链路。

Socket通讯模块，该模块属于本中间件的核心模块，主要实现底层的网络通讯接口，考虑了多用户，高并发的使用场景，使用了线程池、消息异步通讯等技术，同时为不同的通讯协议封装了相同的用户接口，方便外部接口调用。

通讯外部接口,主要为了方便外部的程序使用本中间件，该模块管理了一组用于快速交换数据的共享内存，当外部程序调用通讯外部接口时，该模块将需要处理的数据存入共享内存中，并通知核心模块，启动数据处理进程。该模块线程安全，确保多用户同时调用时，系统对于数据的处理能力(每秒>500行)。

数据库接口，该模块主要用于处理慢速的数据处理通道，当通讯的双方对传递的消息提高安全等级，所有的通讯数据必须确保传递给给对方，不因通讯状态的改变或者其他异常而丢失数据。在这种情况下，核心模块通过数据库接口，将需要传递的数据保存到数据库中，只有在确认数据的所有处理过程完成后，才能将数据从数据库中删除，确保了数据的高可靠安全性。

通讯回线管理模块，该模块可使用户方便的管理通讯回线列表，及每条通讯链路的配置参数。该模块接收用户对通讯回线的配置参数修改，并通知主控制系统更新参数信息，及重启通讯链路。

中间件的功能架构如图2所示。

3、主要功能模块说明

3.1、核心通讯程序启动

TCOM程序支持ICE接口方式调用，系统运行启动前需要配置ICE环境变量

ICE_HOME:C:\Program Files(x86)\ZeroC\Ice-3.5.1\

TCOM控制台画面的主要功能为通讯中间件主服务进程，程序根据配置的通讯回线信息，自动启动相应的通讯链路。启动后画面如图4所示。

3.2、通讯回线管理模块

TcomAssist工具提供界面可用于管理、配置回线，等，可以远程连接到装有TCOM的服务器

TcomAssist管理配置主要有以下功能：

查看回线状态

管理回线启停

管理回线配置

增加删除回线

3.2.1通信管理主界面

双击“TCOMAssist.exe”启动通讯管理应用软件。

3.2.2通信连接服务端

点击按钮，在弹出的对话框中输入服务器的IP地址及端口号(系统默认为：12100)，点击确定，如下图5的TCOM通信管理界面示意图所示。

3.2.3连接TCOM服务端后主界面介绍

如下图6的TCOM通信管理界面示意图所示左侧区域为通讯回线列表，显示包括：回线号、回线名称、通讯状态等信息。

右侧区域为回线配置详细信息。

3.2.4增加回线

如下图7的TCOM通信管理界面示意图所示，点击按钮，新增一条通讯回线，系统自动生成回线号及名称。

3.2.5删除回线

如下图8的TCOM通信管理界面示意图所示，在左侧的列表中，选择需要删除的通讯回线，点击鼠标“右键”，在弹出的菜单中选择删除按钮。

3.3、XML配置文件

TCOM通讯中间件提供的配置文件放在安装目录的Config目录下。

配置文件	说明
		TComConfig.xml	配置回线和电文信息
App4Log.cfg	配置日志格式等

TComConfig.xml文件主要是用于存储通讯回线的配置信息，存储结构为：

表-2通讯回线XML配置参数表

可以通过TCOMAssist配置界面，配置通讯回线的详细参数。

3.5、核心通讯服务

主通讯组件是根据通讯配置信息，启动所有通讯进程。主通讯组件的程序流程如图9示。

核心通讯服务(Tom-Socket)实现了TCP协议层的数据交换，具有高可靠、高数据吞吐量、高速数据交换等特点，是整个通讯中间件的底层核心。对接外部的每个通讯链接都依赖于核心通讯服务，继承核心通讯服务的所有功能，且根据外部接口的通讯要求，进行业务层的数据封装，以满足外部通讯接口的需求。

3.5.1通讯连接方式

通讯的连接方式，分为接收端和发送端两种类型。常规数据的传输使用两种逻辑连接。每个通讯逻辑连接也被成称为回线，每个逻辑连接运用Server/Client模式，即服务端/客户端模式。

在TCP/IP的socket接口中，Server/Client模式是最为常见的一种连接方式。

Server/Client模式决定如何建立逻辑连接，但在建立连接后并不确定通信规约。在规约中，发送数据的主动方和接收数据的被动方都是提前确定的。

如图10所示的服务端，客户端连接示意图，主动方类似Server/Client模式中的client端，直到逻辑连接建立后，主动方总是发起通信连接。被动方类似Server/Client模式中的Server端，直到通信连接建立后，被动方等待来自主动方的电文，并且发送应答电文(可选项)。

该通信规约约定此处建立的两条回线必须都是静态socket。即通信双方建立的session一直保持连接的状态，直到通信程序被关闭或异常情况发生。

3.5.2连接建立

一个发送系统(进程)被定义为生成普通或测试电文的系统(进程)。一个接收系统(进程)被定义为接收普通或测试电文的系统(进程)。通常，发送系统负责维持它的out-going连接。一个连接被定义为一个TCP/IP套接字，并且该连接能够被视为一条回线。因而，如果一个系统给邻居系统发送并接收普通电文，那么会建立两个端口，一个端口发送数据，一个端口接收数据。

接收进程将通过接收普通电文的同一个套接字，给发送进程发送确认电文。当计算机的数据传输进程开始时，发送进程将试图与所有要传送数据的计算机建立连接，并且接收进程会等待来自其它计算机发送进程的连接请求。其它的计算机必须处于合适的状态去等待接收连接请求或者发送数据。

一旦连接建立，在正常的操作过程中，它将保持连接状态。然而，当异常情况发生时，或者发送，或者接收，或者所有的进程可能通过发送关闭信号从而执行断开连接过程。每条回线均可独立地执行发送进程，接收进程，模式控制，状态检查和超时监控进程。

3.5.3断开和重连

在以下情况下，连接将被释放：

对于发送进程

发送进程监测到超时信号

发送进程调用发送系统时失败

对于接收进程

接收到来自发送进程的断开请求(或者接收到0字节数据域长度的数据时)

检测到心跳超时(可选项)

如果遇到上述任何一种情况，通信进程就会主动断开与其它计算机的连接，并且立即执行重新连接对方的操作。

3.5.4通信握手概要

如图11所示，当通信的应用程序发送一条电文后，它不能从网络中得到任何结果。因而，我们有必要对每个通信程序做相关约定：

(a)发送进程

发送进程发送普通电文

1.给其它计算机发送一条普通电文

2.等待一条确认电文(ACK)

(b)接收进程

接收进程接收普通电文

1.接收一条普通电文

2.检查电文的有效性

3.返回确认电文(ACK)给发送进程

(c)检查电文的有效性

当接收进程收到一条电文时，将检查它的有效性。

1.电文号和实体数据大小是一致的

2.数据限制检查(max,min,well-code)

所有以上检查是正常结束，那接收进程就是正确的。

3.5.5超时监测

如图12、13所示，发送电文成功与否是根据能否收到对方的应答电文来做出判断的。因此，如果对等端计算机中的接收进程因为异常情况无法对发送进程做出回复的话，那发送进程将永远等待确认电文。

为避免这种情况，发送进程使用一个定时器，用于生成超时事件。

当发送进程发送一条普通电文时，它会生成超时监控功能。如果发送进程没有在超时阶段内收到确认电文，它会通告传输错误管理进程。

3.5.6重传

当发送进程发送一条普通电文时，它将等待一条确认电文。

若发送进程在超时时间段内收不到确认电文，它将再次重传一条普通电文。

若接收进程对重传电文不作出应答，则发送进程会通告传输错误管理进程。

一般情况下，重传的次数是可以由配置文件中指定的。

优选例2：

本发明应用在高频度、高可靠的过程控制系统间的数据交换场景中，通讯双方的只需通过简单的配置，即可实现高速、可高的数据交换。

分布式通信链路监控：

可以方便地查看通讯链路状态、控制通讯链路状态；

便捷地动态加载通讯链路、调整通讯链路配置。

提供多种数据发送策略：

可以选择高速接口、高可靠接口、数据库表、外部扩展接口等方式。

提供多种数据接收策略：

可以选择主动接口、被动通知、远程接收、数据库表、外部扩展接口等方式。

1、应用实例架构

在使用此中间件实现过程控制系统间的数据通讯，应用实例的架构如图14示：

2、实例描述

在此实例中，通过交换机连接5个通讯对象，分别为：辊道控制器、加热炉服务器、轧线服务器、卷取服务器，以及通讯服务器。这5个通讯对象之间需要实时进行交换数据，以便于完成整个生产过程控制流程。

2.1通讯方案设计

在每台服务器上，部署TCOM通讯中间件，分别在各自的TCOM中配置通讯回线，用于实现数据链路的互联，这样可以降低整个系统的开发难度及时间，同时中间件可以屏蔽各个服务器之间，操作系统的差异、运行环境的差异、开发语言的差异，极大的方便整个系统的部署及调试。

同时各系统之间使用统一的通讯技术，也可进一步降低后期项目运维的难度。

3、中间件使用步骤

使用此中间件的步骤为：

a)启动TCOM通讯主服务，建立各服务器之间的数据通道；

b)打开中间件配置工具，进行参数配置菜单，通讯回线配置参数；

c)启动相应的通讯回线。

d)通讯建立后，各通讯对象间可稳定的实现数据交换，收发的数据都保存到相应的数据缓冲区。

e)通讯过程中的数据自动记录到日志系统，方便监控系统运行状态。

优选例3：

一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件。主要是根据工业过程控制系统与其他系统的通讯要求，注于底层通信技术的具体实现，并且可以方便地将业务功能与通信功能结合起来。中间件基于TCP/IP协议开发的外部通信中间件平台，通过它可以实现网络上不同终端之间的数据通信，本平台内置了多种常用的通信规约。

该通讯软件可以通过可视化界面配置通讯回线，支持多条通讯回线配置，具备分布式通信链路监控：可以方便地查看通讯链路状态、控制通讯链路状态；能够便捷地动态加载通讯链路、调整通讯链路配置，提供多种数据发送策略，可以选择高速接口、高可靠接口、数据库表、外部扩展接口等方式。提供多种数据接收策略，可以选择主动接口、被动通知、远程接收、数据库表、外部扩展接口等方式。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件，其特征在于，包括：

主控制系统：将通讯中间件运行过程中的所有运行日志，输入到日志模块；检索XML配置文件，获取通讯回线参数配置信息，并根据配置列表，逐条启动通讯回线；

Socket通讯模块：实现底层的网络通讯接口；

XML配置文件：存储通讯回线的配置信息，用户通过通讯管理画面，修改通讯回线的参数配置信息；

通讯外部接口：管理一组用于快速交换数据的共享内存，当外部程序调用通讯外部接口时，将需要处理的数据存入共享内存中，并通知Socket通讯模块，启动数据处理进程；

日志模块：记录运行过程中的通讯数据、通讯状态改变，将运行日志划分优先级使其可以面向程序的全生命周期；选择将信息输出到屏幕、文件，从而追踪数据交互的详细过程；

数据库接口：处理慢速的数据处理通道；

通讯回线管理模块：接收用户对通讯回线的配置参数修改，并通知主控制系统更新参数信息及重启通讯链路。

2.根据权利要求1所述的基于TCP/IP协议的工业通信中间件，其特征在于，所述日志模块根据用户的参数配置信息，将日志信息分类存储进日志文件，用于快速排查定位一些系统运行问题。

3.根据权利要求1所述的基于TCP/IP协议的工业通信中间件，其特征在于，所述数据库接口：

当通讯的双方对传递的消息提高安全等级，所有的通讯数据必须确保传递给对方时，Socket通讯模块通过数据库接口，将需要传递的数据保存到数据库中，在确认数据的所有处理过程完成后，才将数据从数据库中删除。

4.根据权利要求1所述的基于TCP/IP协议的工业通信中间件，其特征在于，所述Socket通讯模块：

考虑多用户、高并发的使用场景，使用线程池、消息异步通讯技术，同时为不同的通讯协议封装相同的用户接口，方便外部接口调用。

5.一种基于TCP/IP协议的工业通信中间件的使用方法，其特征在于，使用权利要求1所述基于TCP/IP协议的工业通信中间件的步骤包括：

启动TCOM通讯主服务，建立各服务器之间的数据通道；

打开中间件配置工具，配置通讯回线参数；

启动相应的通讯回线；

通讯建立后，各通讯对象间可稳定的实现数据交换，收发的数据都保存到相应的数据缓冲区；

通讯过程中的数据自动记录到日志系统，方便监控系统运行状态。

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