CN115037568A - 基于io映射的工业总线传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于IO映射的工业总线传输方法，设置输入区和输出区‑在控制模块和通信模块的地址区域均设置输入区和输出区；建立地址映射‑在控制器模块的输入区和通信模块的输出区相连，控制器模块的输出区与通信模块的输入区相连；在控制器模块和通信模块设置输出区更新计时器。本发明工业总线可靠传输方法为低带宽开销；采用I/O映射的方式交互数据，为用户提供友好的通信接口，减少学习门槛；为控制器模块与通信模块提供统一框架，可采用增量部署的方式进行部署，便于推广应用；可靠性机制实现比较简单。
Description
技术领域
本发明涉及工业网络技术领域，具体涉及一种基于IO映射的工业总线传输方法。
背景技术
工业网络用于工业设备之间的数据交换，为工业应用的稳定运行提供基础支撑。工业网络中传输的数据主要是开关量、模拟量信号、控制指令等，数据长度短但通信的节点多，且对可靠性、实时性有着严格的要求。早期，工业设备使用模拟量通信进行数据交换，控制器通过电缆与传感器或者执行器直接相连。这种通信方式简洁、高效，可以为用户提供友好的数据访问接口，但是扩展性差，易受环境干扰。为提升扩展性和环境适应性，工业界和学术界设计了一系列工业总线技术，比如Profibus、CAN、Modbus等，有效改善了远程I/O控制和网络传输可靠性差等问题。但传统工业总线技术的带宽较低，不能满足工业现场急剧增长的大数据量传输需求。工业以太网总线是以传统以太网为基础，通过修改传统以太网的硬件或者软件结构，针对实时性、对短报文传输效率等工业需求进行深度优化，比如，EtherCAT、Ethernet/IP等。工业以太网总线具备开放架构的总线网络，相比于传统工业总线，具有高带宽、可扩展性强等特点。
随着工业4.0时代的到来，工业网络与信息网络将得到深度融合，工业网络的特点也发生了一些变化。第一，工业网络需要支持更大规模和更大维度的远程I/O控制。为更全面的描表征工业现场物理信息和实现精细化操作，需要部署大量传感器和执行器。传感器和执行器数量增加的同时，分布的空间范围也更加的广泛。第二，工业网络呈现强异构化特点，不同工业总线想要实现互联互通，通常需要借助专用网关。现有的工业总线有几十种，如FF、CAN、Profibus、EtherCAT等。不同的设备厂家对工业总线的支持不同，甚至一些设备厂家制定了专用的私有工业总线协议，并为了保证市场占有率，将私有协议与硬件设备进行了绑定。比如西门子支持Profibus、Profinet等协议，但不支持CAN总线。西门子的PLC如果需要访问CAN总线，只能通过专用网关才能实现互联互通。
为适应工业网络的新变化，工业现场引入了新的网络架构。当前的“二级网络架构”，即控制器(可编程控制器等)直接通过工业总线与I/O通信，会给控制器造成过大的通信开销，且不能较好的支持异构网络。需要将网络分层，划分为不同的子网，形成“三级网络架构”，即控制器到通信模块再到I/O节点的网络架构。这种网络架构下，传感器的数据首先汇聚到通信模块，再由通信模块发送给控制器；同样，控制器发往执行器的控制指令也由通信模块转发。此外，控制器与通信模块之间交互配置信息、状态信息等数据。因此，控制器与通信模块之间的数据传输，同时具有商业网络中报文数据长和工业网络中对可靠性要求高的特点。
现有的工业总线针对短报文进行了优化，比如Modbus/TCP、CANopen等，不适合长报文传输。而商业网络中的协议，如FTP、HTTP等，报文头开销大，不适合工业网络应用。此外，按照OSI七层协议模型，工业总线只定义了物理层、链路层和应用层，没有给出传输层的可靠传输方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种支持长报文、高可靠性的基于IO映射的工业总线传输方法。
为实现上述目的，本发明所设计的基于IO映射的工业总线传输方法具体过程为：
S01：设置输入区和输出区
在控制模块和通信模块的地址区域均设置输入区和输出区，控制器模块与多个通信模块相连时控制器模块建立多个不同的输入区和输出区分别与多个通信模块的输入区和输出区呈一一对应设置；
输入区用于缓存从工业总线中接收的数据，输出区用于缓存发送到工业总线中的数据；
S02：建立地址映射
在控制器模块的输入区和通信模块的输出区相连，控制器模块的输出区与通信模块的输入区相连；控制器模块输出区的数据经过工业总线定时发送到通信模块中，由此建立控制模块的输出区和通信模块的输入区的地址映射；通信模块输出区的数据经过工业总线定时发送到控制器模块输入区中，由此建立通信模块输出区和控制模块输入区的地址映射；
S03：在控制器模块和通信模块设置输出区更新计时器，每次输出区更新数据开始计时，记为T1，每次输出区写入数据时清零。
进一步地，所述步骤S02中，控制器模块与通信模块通过以太网工作总线相连接，控制器模块通过定时发送以太网帧，将通信模块输出区的数据写入控制器模块对应的输入区，并将控制器模块输出区的数据写到对应通信模块的输入区。
进一步地，所述步骤S02中，定时发送的周期为数据传输的最大时延。
进一步地，所述控制器模块和通信模块数据发送的步骤相同，具体过程如下：
S11：检查控制器模块或通信模块输入区的握手编号与输出区的报文编号是否相同；如果不同，转到步骤S12；如果相同，则直接转到步骤S14；
S12：读取输出区更新计时器的当前值T1，检查T1是否大于数据失效时间阈值T2；如果T1<T2，转到步骤S13，否则转到步骤S14；
S13：等待时间t，跳转到S11；
S14：将新的报文编号和待发送数据写入输出区；
S15：重置输出区更新计时器的值。
进一步地，所述报文编号为标识当前数据编号的字段，握手编号为标识已读数据标号的字段；所述输出区的报文编号为待发送数据的报文编号、握手编号是本地已读取的输入区的报文编号；所述输入区的报文编号为接收到数据的报文编号、握手编号是发送方已读的报文编号。
进一步地，所述控制器模块和通信模块数据接收的步骤相同，具体过程如下：
S21：读取输入区的数据和报文编号；
S22：将输出区握手编号的值更新为输入区报文编号的值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)本发明工业总线可靠传输方法为低带宽开销；2)采用I/O映射的方式交互数据，为用户提供友好的通信接口，减少学习门槛；3)为控制器模块与通信模块提供统一框架，可采用增量部署的方式进行部署，便于推广应用；
4)可靠性机制实现比较简单，便于软、硬件实现。
附图说明
图1为本发明基于工业总线的IO映射机制示意图；
图2为本发明输入区和输出区的字段定义示意图；
图3为本发明数据发送和接收过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
在一个工业现场控制网络中，传感器和执行器通过输入模块/输出模块与通信模块连接，再通过通信模块与控制器模块通信。为阐述本发明的发明内容，先介绍本发明使用的几个术语：
控制器模块：指具备逻辑运算、数据存储和通信功能的模块，用于处理和运行用户程序，控制整个系统协调工作，典型的工业现场控制器模块有：现场可编程控制器(PLC的中央控制器单元)、嵌入式控制器模块等。通信模块：通信模块用于控制器模块对外通信的扩展功能。通信模块与控制器模块之间使用统一的工业总线接口，比如EtherCAT、ProfiNET等，对外可实现与上位机的通信功能、与现场I/O设备的通信功能以及与其他异构网络的通信功能。一个通信模块对外可支持一种或多种通信接口，比如CAN、Profibus、Ethernet等。
输入模块：输入模块主要完成数据的采集功能。可以使用电缆直接连接到传感器等检测元器件，通过数字量/模拟量信号获取采集信号；并支持通过工业总线完成数据的上报。
输出模块：输出模块主要完成控制指令的输出功能。可接收来自工业总线接口发送的控制指令，并通过电缆直接与被控设备相连，指导被控设备完成既定的动作，比如电磁阀输出、继电器输出等。
为实现数据的可靠传输的同时提供用户友好的数据传输接口，首先需要在控制器模块与通信模块之间建立IO地址映射。建立IO地址映射后，控制器模块或通信模块只需对其特定的地址区域(记作输出区)进行写操作，即完成控制模块向通信模块或通信模块向控制器模块发送数据。控制器模块或通信模块对其特定的地址区域(记作输入区)的读操作，即完成控制器模块接收来自通信模块或通信模块接收来自控制器模块的数据。这种IO地址映射的方式，可以为工业应用提供简洁、直观的通信接口。
如图1所示建立IO地址映射的具体步骤为：
S01：设置输入区和输出区。在控制模块和通信模块的地址区域均设置输入区和输出区，控制器模块与多个通信模块相连时控制器模块建立多个不同的输入区和输出区分别与多个通信模块的输入区和输出区呈一一对应设置。
本实施例中，输出区和输入区的大小按照需求设置，输入区用于缓存从工业总线中接收的数据，输出区用于缓存发送到工业总线中的数据。控制器模块与通信模块对各自的输出区具有读写权限，对各自的输入区有只读权限。
S02：建立地址映射。在控制器模块的输入区和通信模块的输出区相连，控制器模块的输出区与通信模块的输入区相连；控制器模块输出区的数据经过工业总线定时发送到通信模块中，由此建立控制模块的输出区和通信模块的输入区的地址映射；通信模块输出区的数据经过工业总线定时发送到控制器模块输入区中，由此建立通信模块输出区和控制模块输入区的地址映射。
本实施例中，控制器模块与通信模块通过以太网工作总线如EtherCAT相连接，控制器模块通过定时发送以太网帧，将通信模块输出区的数据写入控制器模块对应的输入区，并将控制器模块输出区的数据写到对应通信模块的输入区。定时发送的周期为数据传输的最大时延，根据实际需求设定。
S03：在控制器模块和通信模块设置输出区更新计时器，每次输出区更新数据开始计时，记为T1，每次输出区写入数据时清零。
本实施例中，控制器模块和通信模块中通常支持定时器，使用单独的定时器从输出区数据更新开始计时，也可以通过记录主循环次数的方式充当输出区更新计时器的角色。
建立IO地址映射之后，控制器模块和通信模块都可以通过读取输入区数据的方式完成数据接收操作，通过向其输出区写入数据的方式完成数据发送操作。但是工业总线的应用层并不知道数据是否发送成功，也不知道接收的数据是最新的数据。因此，在输入区和输出区设立特定的字段，用于完成协议的握手，保证数据的可靠传输。这里，将标识当前数据编号的字段称为报文编号，将标识已读数据标号的字段称为握手编号。输出区的报文编号为待发送数据的报文编号，握手编号是本地已读取的输入区的报文编号。输入区的报文编号为接收到数据的报文编号，握手编号是发送方已读的报文编号。在发送报文之前，应当确定本地输出区的报文接收者是否已经接收，如果没有接收就发送新的数据则会造成传输数据的丢失。
对于控制器模块和通信模块，数据发送的步骤相同，具体过程如下：
S11：检查控制器模块或通信模块输入区的握手编号与输出区的报文编号是否相同；如果不同，转到步骤S12；如果相同，则直接转到步骤S14。
S12：读取输出区更新计时器的当前值T1，检查T1是否大于数据失效时间阈值T2。如果T1<T2，转到步骤S13，否则转到步骤S14。
S13：等待时间t，跳转到S11。
S14：将新的报文编号和待发送数据写入输出区。
S15：重置输出区更新计时器的值。
在接收输入区的数据时，需要在读取数据之后，将读取的报文编号更新到输出区的握手编号中，以告知对方其发送的数据已经接收完成，从而实现数据交互的确认操作。
对于控制器模块和通信模块，数据接收的步骤相同，具体过程如下：
S21：读取输入区的数据和报文编号；
S22：将输出区握手编号的值更新为输入区报文编号的值。
结合图2、图3所示，本实施例中图2为控制器模块和通信模块输入区和输出区的字段定义示意图。报文编号和握手编号都使用2个比特来表示，其他区域用于传输应用层数据。每次发送新的数据，输出区的报文编号自动加1。图3为控制器模块与通信模块之间数据发送和接收过程示意图。假设，在初始化阶段，控制器模块和通信模块的输出区均初始化为0，相应的，IO映射机制会将两个模块的输入区更新为0。
在时刻t1，控制器模块发送数据给通信模块，同时通信模块也发送数据给通信模块。对于控制器模块：步骤S11，检查输入区的握手编号和输出区的报文编号是否相同，编号均为0，相同，可直接跳转到步骤S14；步骤S14，将待发送数据更新到数据区，并将报文编号更新为1；步骤S15，将输出区更新计时器置0。与此同时，IO映射机制会自动的将控制器模块输出区的数据更新到对应通信模块的输入区。同理，通信模块的输出区也可以写入数据并将数据更新到控制器模块的输出区。
在时刻t2，控制器模块读取输入区的数据，读取完成后，其输入区的报文编号更新到输出区的握手编号，编号均为1。
在时刻t3，控制器模块与通信模块之间都有数据给对方发送。对于通信模块：步骤S11，检查输入区握手编号和输出区的报文编号是否相同，编号均为1，相同，转到步骤S14；步骤S14，将发送数据更新到数据区，将报文编号更新为2；步骤S15，将其输出区更新计时器置0。对于控制器模块：步骤S11，检查输入区握手编号和输出区的报文编号是否相同，分别为0和1，不同；转到步骤S12，检查输出区更新计时器值T1＝t3-t1，小于阈值T2，继续等待。
在时刻t4，控制器模块再次尝试发送数据给通信模块。在控制器模块中执行：步骤S11，检查输入区握手编号和输出区的报文编号是否相同，分别为0和1，不同；转到步骤S12，检查输出区定时器的值T1＝t4-t1，大于阈值T2；转到步骤S14，更新数据和报文编号，此时报文编号为2，报文编号1的数据已超时无效。
在时刻t5，通信模块读取其输入区的数据，读取完成后，其输出区的握手编号值更新为输入区报文编号的值，编号为2。
Claims (6)
1.一种基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述传输方法具体过程为：
S01：设置输入区和输出区
在控制模块和通信模块的地址区域均设置输入区和输出区，控制器模块与多个通信模块相连时控制器模块建立多个不同的输入区和输出区分别与多个通信模块的输入区和输出区呈一一对应设置；
输入区用于缓存从工业总线中接收的数据，输出区用于缓存发送到工业总线中的数据；
S02：建立地址映射
在控制器模块的输入区和通信模块的输出区相连，控制器模块的输出区与通信模块的输入区相连；控制器模块输出区的数据经过工业总线定时发送到通信模块中，由此建立控制模块的输出区和通信模块的输入区的地址映射；通信模块输出区的数据经过工业总线定时发送到控制器模块输入区中，由此建立通信模块输出区和控制模块输入区的地址映射；
S03：在控制器模块和通信模块设置输出区更新计时器，每次输出区更新数据开始计时，记为T1，每次输出区写入数据时清零。
2.根据权利要求1所述基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述步骤S02中，控制器模块与通信模块通过以太网工作总线相连接，控制器模块通过定时发送以太网帧，将通信模块输出区的数据写入控制器模块对应的输入区，并将控制器模块输出区的数据写到对应通信模块的输入区。
3.根据权利要求1所述基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述步骤S02中，定时发送的周期为数据传输的最大时延。
4.根据权利要求1所述基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述控制器模块和通信模块数据发送的步骤相同，具体过程如下：
S11：检查控制器模块或通信模块输入区的握手编号与输出区的报文编号是否相同；如果不同，转到步骤S12；如果相同，则直接转到步骤S14；
S12：读取输出区更新计时器的当前值T1，检查T1是否大于数据失效时间阈值T2；如果T1<T2，转到步骤S13，否则转到步骤S14；
S13：等待时间t，跳转到S11；
S14：将新的报文编号和待发送数据写入输出区；
S15：重置输出区更新计时器的值。
5.根据权利要求4所述基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述报文编号为标识当前数据编号的字段，握手编号为标识已读数据标号的字段；所述输出区的报文编号为待发送数据的报文编号、握手编号是本地已读取的输入区的报文编号；所述输入区的报文编号为接收到数据的报文编号、握手编号是发送方已读的报文编号。
6.根据权利要求1所述基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述控制器模块和通信模块数据接收的步骤相同，具体过程如下：
S21：读取输入区的数据和报文编号；
S22：将输出区握手编号的值更新为输入区报文编号的值。
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