WO2015000230A1 - 一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法 - Google Patents

一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法 Download PDF

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文杰
曾铁军
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Wen Jie
Zeng Tiejun
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/24—Testing correct operation

Definitions

  • the invention relates to the field of industrial Ethernet communication, in particular to an industrial Ethernet packet loss detection method based on a heartbeat signal. Background technique
  • Industrial Ethernet is a powerful regional and cell network based on IEEE 802. 3 (Ethernet).
  • Siemens' ProfiNet combines the original Prof ibus with Internet technology based on Industrial Ethernet to form a ProfiNet network solution. At present, it has been widely used in China.
  • ProfiNet uses standard TCP/IP ten Ethernet as the connection medium, and uses standard TCP/IP protocol plus application layer RPC/DC0M to complete communication and network addressing between nodes.
  • Traditional Profibus systems and new intelligent field devices can be attached at the same time. This makes it both inexpensive, stable and reliable, with high communication speed, rich hardware and software products, wide application and mature support technology, and compatible with Siemens' profibus-based devices.
  • Siemens' ProfiNet network is not compatible with non-Siemens devices.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide an industrial Ethernet packet loss detection method based on a heartbeat signal, which can not only reduce the packet loss phenomenon, but also the PLC does not need to detect whether there is a packet loss every time a data packet is received. Therefore, the network load of the PLC is greatly reduced.
  • the technical solution of the present invention is: A method for detecting an Ethernet packet loss based on a heartbeat signal, comprising the following steps:
  • the embedded device sends a data packet containing a heartbeat signal to the PLC, and the data packet includes test data for detecting whether the data packet is lost.
  • the test data is not fixed, and the heartbeat packet is sent each time. Periodically and sequentially select a water from a continuous set of data sequences
  • the data packet is designed based on the heartbeat signal, and the heartbeat packet is transmitted in each device of the system to detect whether the data packet of the other party is lost, so as to take corresponding measures to ensure that the PLC does not lose the key data uploaded by the embedded device when the data packet is lost.
  • the entire heartbeat-based data frame is as follows: Data Bit Device Number Heartbeat Test Bit
  • the data bit length is indeterminate and is used to indicate real-time data that needs to be transmitted to the far end. And the length; the device number is mostly used in the heartbeat packet sent by the embedded device to the PLC, used to represent the ID of the embedded device, here is represented by 2 bytes; the heartbeat test bit is the specific information used to detect the connection, the heartbeat
  • the test bits use a set of sequence data, here the data sequence 0 ⁇ N.
  • the packet loss rate is detected.
  • the packet loss rate reaches a preset limit value, the connection is re-established.
  • the data message between the PLC and the embedded controller is based on Siemens' Write message and Fetch message.
  • the PLC only needs to create a Write server and a Fetch server to receive the Write ⁇ Fetch ⁇ .
  • the heartbeat frame includes: a data bit, a device number, and a heartbeat test bit.
  • the data packet is designed based on the heartbeat signal, and the heartbeat packet is transmitted in each device of the system to detect whether the data packet of the other party is lost, so as to take corresponding measures to ensure that the PLC does not lose the key data uploaded by the embedded device when the data packet is lost.
  • This method can not only reduce the packet loss phenomenon, but also eliminates the network load of the PLC because it does not need to detect whether there is any packet loss every time the data message is received.
  • the data packet protocol based on this model has a good The scalability, therefore, the method can not only reduce the packet loss problem in the network, but also has a small amount of data transmitted by the communication, high reliability, and no invalid transmission data is generated between the monitoring terminal and the monitored terminal.
  • Figure 1 is a block diagram of a ProfiNet system based on a PLC as a server.
  • FIG. 2 is a flow chart of implementing network packet loss detection based on heartbeat signal according to the present invention. detailed description
  • An industrial Ethernet packet loss detection method based on a heartbeat signal includes the following steps: (1) First, design the heartbeat model and set the communication status of the access Prof iNet embedded device to:
  • the embedded device sends a data packet containing a heartbeat signal to the PLC, and the data packet includes test data for detecting whether the data packet is lost.
  • the data message is based on the Siemens Write and Fetch messages;
  • the PLC When the PLC receives the data message, it will take out the heartbeat signal and store it in a special data area. After receiving the N data messages, check whether the heart signals are corresponding to the N data messages. Heartbeat signal; PLC only needs to establish a Write server and Fetch server to receive Write messages and Fetch messages;
  • the data packet is designed based on the heartbeat signal, and the heartbeat packet is transmitted in each device of the system to detect whether the other party's data packet is lost, so as to take corresponding measures to ensure that the PLC does not lose the key data uploaded by the embedded device when the data packet is lost.
  • the entire heartbeat-based data frame is as follows: Data bit device number heartbeat test bit
  • the data bit length is indefinite, used to indicate the real-time data and length that needs to be transmitted to the far end;
  • the device number is mostly used in the heartbeat data packet sent by the embedded device to the PLC to indicate the ID of the embedded device. This is represented by 2 bytes;
  • the heartbeat test bit is specific information for detecting the connection, and the heartbeat test bit uses a set of sequence data, where the data sequence 0 ⁇ N is used.
  • the Prof iNet system with PLC as the server side adopts the C/S mode to construct the network structure of the system.
  • valve controllers based on embedded systems on the site. On the one hand, they need to control the valves according to the production process requirements.
  • the equipment needs to transmit real-time sampling equipment through the industry to the remote end, and the receiving data is sent from the PLC.
  • the Fetch and Write messages based on Siemens' S5 protocol are mainly used. This method can directly access the PLC's memory through the network. Therefore, the PLC side does not need to be programmed.
  • Its data frame structure is as follows:
  • 0, 1 byte is the asci i code of s and 5, and the others are hexadecimal numbers.
  • the eighth byte represents the data that reads the memory block of the PLC (including DB block, M module, etc.).
  • the ninth byte represents the name of the read DB block.
  • the 10th, 11th byte accesses the starting address of the memory, and the twelfth and thirteenth bytes are the length.
  • adding a heartbeat signal to the data sent to the PLC can detect whether the network data is dropped during the transmission process, as shown in Figure 2, the specific process: After the parameter initialization is completed, the embedded system starts the cycle. Sexually send the Fetch and Write messages containing the heartbeat signal to the PLC, and store the data to be transmitted to the PLC and the corresponding heartbeat signal in a pre-divided buffer. Each time the PLC receives a Write data message, it will correspond. The heartbeat signal is stored in the DB block of length N, and after receiving the Nth write message, check whether the heartbeat signals corresponding to the N data are received, if any, in the return message of the Fetch message.
  • the corresponding byte is written to a set value to indicate normal, otherwise the lost message heartbeat signal is written.
  • the embedded system finds the corresponding data in the buffer and resends it to the PLC. When the entire data sequence is sent and there is packet loss, the embedded system checks the packet loss rate. If the packet loss rate is higher than the set value, it is embedded. System reconnection.

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Abstract

一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，首先要定义网络节点状态、然后以基于西门子工业以太网的Write报文和Fetch报文为基础，构建包含心跳信号的数据报文，嵌入式设备采用主动发送方式，每发送一次数据报文，心跳信号按照数据序列的顺序变化一次；PLC在接收到N个心跳信号后，要检查是否漏接心跳信号，如果有漏接将其通过Fetch报文返回给嵌入式设备，通过该模式在PLC与嵌入式设备间传递心跳包，判断双方在通信时是否丢包，然后，根据返回的心跳信号查找丢失的数据并重发。该方法不但可以减少丢包现象，而且PLC由于不需用每次接收到数据报文都检测是否存在丢包，所以大大降低了PLC的网络负担。

Description

一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法 技术领域
本发明涉及工业以太网通信领域， 尤其是一种基于心跳信号的工业以 太网丢包检测方法。 背景技术
工业以太网是基于 IEEE 802. 3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。 西门子公司的 ProfiNet就是以工业以太网为基础， 将原有的 Prof ibus与 互联网技术结合， 形成了 ProfiNet的网络方案。 目前， 已经在国内经过了 广泛的应用。 ProfiNet采用标准 TCP/IP十以太网作为连接介质， 采用标 准 TCP/IP协议加上应用层的 RPC/DC0M来完成节点间的通信和网络寻址。 可以同时挂接传统 Profibus系统和新型的智能现场设备。这使其既具有具 有价格低廉、 稳定可靠、 通信速率高、 软硬件产品丰富、 应用广泛以及支 持技术成熟等优点， 又能兼容西门子公司基于 profibus总线的设备。但是 西门子公司的 ProfiNet网络对非西门子公司的设备兼容性不好，其它嵌入 式设备很难通过标准的 TCP/IP协议与连接在 ProfiNet中的 PLC通信。 为 解决这个问题， 通过使用西门子公司基于以太网的 S5协议中的 Fetch和 Write报文， 实现对 PLC中 RAM的直接读写。 但在实际使用中， 发现数据 在传输中掉包明显， 急需一种算法解决这些问题。 发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于心跳信号的工业以太网 丢包检测方法， 不但可以减少丢包现象， 而且 PLC 由于不需用每次接收到 数据报文都检测是否存在丢包， 所以大大降低了 PLC的网络负担。 为解决上述技术问题， 本发明的技术方案是： 一种基于心跳信号的工 以太网丢包检测方法， 包括以下步骤：
( 1 )首先， 设计心跳模型， 将接入 Prof iNet嵌入式设备的通信状态设 定为：
"通信中断"， 表示未建立连接链路；
"通信丢包"， 表示发现丢包正在重发；
"通信正常"， 表示链路正常， 心跳包收发正常；
(2 ) 然后， 由嵌入式设备向 PLC发送含有心跳信号的数据报文， 这个 数据报文中包含用于检测数据报文是否丢包的测试数据，测试数据并不 固定， 每次发送心跳包时从一组连续数据序列中循环地、顺序地选取一 水
(3 ) 当 PLC收到数据报文后会将心跳信号取出存储在一个专门的数据 区中， 当接收到的 N个数据报文后， 检测这些心信号是否是这 N个数据 报文对应的心跳信号；
(4)如果有问题就把掉包的数据报文发回给嵌入式设备， 要求其重发， 否则， 不做任何操作。 基于心跳信号设计数据报文， 并在系统各个设备中传递心跳包， 检测 对方数据报文是否丢失， 以便在丢失数据报文时采取相应措施保证 PLC不 会丢失嵌入式设备上传的关键数据。 整个基于心跳机制的数据帧如下表所 数据位 设备编号 心跳测试位
在该协议中： 数据位长度不定， 用于表示需要传送到远端的实时数据 和长度； 设备编号多用于在嵌入式设备向 PLC发送的心跳数据包中， 用于 表示嵌入式设备的 ID, 这里用 2个字节表示； 心跳测试位是用于检测连接 的特定信息， 心跳测试位采用了一组序列数据， 这里采用数据序列 0~N。
作为改进， 当系统存在掉包现象， 并且发送的数据报文个数达到整个 数据序列个数时， 要检测丢包率， 当丢包率达到预先设定的限值时， 要重 新建立连接。
作为改进， PLC 与嵌入式控制器之间的数据报文是基于西门子公司的 Write报文和 Fetch报文为基础的。
作为改进， PLC 只需要建立一个 Write 服务器和 Fetch 服务器接收 Write 艮文禾卩 Fetch 艮文。
作为改进， 所述心跳帧包含： 数据位、 设备编号、 心跳测试位。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
基于心跳信号设计数据报文， 并在系统各个设备中传递心跳包， 检测 对方数据报文是否丢失， 以便在丢失数据报文时采取相应措施保证 PLC不 会丢失嵌入式设备上传的关键数据。 这种方式不但可以减少丢包现象， 而 且 PLC 由于不需用每次接收到数据报文都检测是否存在丢包， 所以大大降 低了 PLC的网络负担； 而且基于这种模型数据包协议具有很好的扩展性， 所以该方法不但可以减少网络中的丢包问题， 而且， 通信传输的数据量小， 可靠性高， 监控端和被监控端之间不会产生无效发送数据的现象。 附图说明
图 1是本发明基于以 PLC为服务器端的 ProfiNet系统结构图。
图 2是本发明基于心跳信号的网络丢包检测的实现流程图。 具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法， 包括以下步骤： ( 1 )首先， 设计心跳模型， 将接入 Prof iNet嵌入式设备的通信状态设 定为：
"通信中断"， 表示未建立连接链路；
"通信丢包"， 表示发现丢包正在重发；
"通信正常"， 表示链路正常， 心跳包收发正常；
(2 ) 然后， 由嵌入式设备向 PLC发送含有心跳信号的数据报文， 这个 数据报文中包含用于检测数据报文是否丢包的测试数据， 测试数据并不固 定， 每次发送心跳包时从一组连续数据序列中循环地、 顺序地选取一位同 时存储这次发送的数据； 存储的总量不超过 N个， N〈=数据序列个数； PLC 与嵌入式控制器之间的数据报文是基于西门子公司的 Write报文和 Fetch 报文为基础的；
(3 ) 当 PLC收到数据报文后会将心跳信号取出存储在一个专门的数据 区中， 当接收到的 N个数据报文后， 检测这些心信号是否是这 N个数据报 文对应的心跳信号； PLC只需要建立一个 Write服务器和 Fetch服务器接 收 Write报文和 Fetch报文；
(4)如果有问题就把掉包的数据报文发回给嵌入式设备， 要求其重发， 否则， 不做任何操作；
(5 ) 当系统存在掉包现象， 并且发送的数据报文个数达到整个数据序 列个数时， 要检测丢包率， 当丢包率达到预先设定的限值时， 要重新建立 连接。
基于心跳信号设计数据报文， 并在系统各个设备中传递心跳包， 检测 对方数据报文是否丢失， 以便在丢失数据报文时采取相应措施保证 PLC不 会丢失嵌入式设备上传的关键数据。 整个基于心跳机制的数据帧如下表所 数据位 设备编号 心跳测试位
在该协议中： 数据位长度不定， 用于表示需要传送到远端的实时数据和 长度； 设备编号多用于在嵌入式设备向 PLC发送的心跳数据包中， 用于表 示嵌入式设备的 ID, 这里用 2个字节表示； 心跳测试位是用于检测连接的 特定信息， 心跳测试位采用了一组序列数据， 这里采用数据序列 0~N。
对上述方法进行举例说明，如图 1所示，以 PLC为服务器端的 Prof iNet 系统， 采用 C/S模式构建系统的网络结构。 现场存在多个基于嵌入式系统 的阀门控制器， 它们一方面需用根据生产工艺要求对阀门进行控制， 同时 作为客户端要通过工业往远端传送实时采样的设备运行数据， 以及接收从 PLC发送的各种设置信息。 在这个系统中， 主要采用基于西门子公司的 S5 协议中的 Fetch和 Write报文，该方式可以通过网络直接访问 PLC的内存， 因此， PLC侧无需编程。 其数据帧结构如下：
0 System ID ，
1
2 Length of header 16
3 ID OP code 01
4 Length OP code 03
5 OP code 05
6 ORG field 03
7 Length ORG field 08
8 ORG ID
9 DBNR
A. Start address High byte
B Low byte c Length High byte
D Low byte
E Empty field FF
F Length empty field 02
表 2 Fetch报文格式
如该表所示， 0、 1字节是 s和 5的 asci i码， 其它是 16进制数。 第八个 字节代表是读取 PLC那个内存块的数据 （包括 DB块、 M模块等） 第九个字 节代表读取 DB块的名称。 第 10、 11字节访问内存的起始地址， 第十二、 十三字节是长度。 通过发送 Fetch报文， 嵌入式系统通过 PLC返回的报文 可以得到 PLC想要发送给它的数据。 Write报文就是在这个基础上加上传 送给 PLC的数据。 在这个报文的基础上， 在发送给 PLC的数据中加入心跳 信号就可以检测网络数据在传送过程中是否掉包， 如图 2所示， 具体过程: 在参数初始化完成后，嵌入式系统开始周期性地发送含有心跳信号的 Fetch 和 Write报文给 PLC, 同时将要传输给 PLC的数据与对应的心跳信号存入 预先划分好的缓冲区中， PLC每接收到一个 Write数据报文就将对应的心 跳信号存入长度为 N的 DB块中， 而当接收到第 N个 Write报文后， 检查 这 N个数据对应的心跳信号是否都接收到， 如果有就在 Fetch报文的返回 报文中的对应字节写入一个设定好的值表示正常， 反之则把丢失的报文心 跳信号写入， 嵌入式系统接收到这个信号后， 在缓冲区中查找到对应的数 据重发给 PLC, 当完成整个数据序列的发送完， 并存在丢包现象， 嵌入式 系统要检查丢包率， 如果丢包率高于设定值， 则嵌入式系统进行重连。

Claims

权利 要 求 书
1. 一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法， 其特征在于， 包括以下 步骤：
( 1 )首先， 设计心跳模型， 将接入 Prof iNet嵌入式设备的通信状态设 定为：
"通信中断"， 表示未建立连接链路；
"通信丢包"， 表示发现丢包正在重发；
"通信正常"， 表示链路正常， 心跳包收发正常；
(2 ) 然后， 由嵌入式设备向 PLC发送含有心跳信号的数据报文， 这个 数据报文中包含用于检测数据报文是否丢包的测试数据，测试数据并不 固定， 每次发送心跳包时从一组连续数据序列中循环地、顺序地选取一 位同时存储这次发送的数据； 存储的总量不超过 N个， N〈=数据序列个 数；
(3 ) 当 PLC收到数据报文后会将心跳信号取出存储在一个专门的数据 区中， 当接收到的 N个数据报文后， 检测这些心信号是否是这 N个数据 报文对应的心跳信号；
(4)如果有问题就把掉包的数据报文发回给嵌入式设备， 要求其重发， 否则， 不做任何操作。
2. 根据权利要求 1所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法， 其特征在于： 当系统存在掉包现象， 并且发送的数据报文个数达到整个 数据序列个数时， 要检测丢包率， 当丢包率达到预先设定的限值时， 要 重新建立连接。
3. 根据权利要求 1所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法， 其特征在于： PLC与嵌入式控制器之间的数据报文是基于西门子公司的 Write报文和 Fetch报文为基础的。
4. 根据权利要求 3所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法， 其特征在于： PLC只需要建立一个 Write服务器和 Fetch服务器接收 Write 艮文禾口 Fetch 艮文。
5. 根据权利要求 1所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法， 其特征在于： 所述心跳帧包含： 数据位、 设备编号、 心跳测试位。
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