（检测技术与自动化装置专业论文）基于rcm3010的高性能rtu的设计开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 r t u 是s c a d a 系统监控中心与工业现场之间负责数据采集、上传和指令下达的核 心设备。为了适应s c a d a 系统应用领域距离远、分布范围大、位置分散且自然、电气 环境恶劣的特点，r t u 必须具有可以适应特殊应用环境的综合功能和可靠性能，满足在 s c a d a 系统应用中的远程和分布式应用要求。 本文从r t u 在s c a d a 系统应用领域中的适应性( 远程通讯功能、i o 接口功能) 和经济性( 软硬件模块化及可定制功能、兼容性开放性) 两个方面对现有r t u 进行分 析，针对现有r t u 的缺点提出了有效解决方案： ( 1 ) r t u 可根据应用环境的网络条件灵活地提供远程通讯接口： ( 2 ) r t u 提供新型的i o 接口解决方案一分布式i o 接口； ( 3 ) 设计开发高度模块化的软硬件系统； ( 4 ) r t u 提供标准化、开放化的通讯接口、协议接口、软件接口和数据接口； r t u 灵活的远程通讯接口方案和分布式i o 接口方案使r t u 可以充分适应s c a d a 系统应用领域中的网络条件和i o 点环境。同时，r t u 的模块化、标准化、开放化功能 可提高r t u 的可定制度和兼容性，节约用户成本，令r t u 具有明显的市场竞争优势。 本文以r c m 3 0 1 0 为主控制器、c 8 0 5 1 f 0 4 0 和c c 2 4 8 0 为辅控制器搭建硬件平台， 扩展远程通讯接口( 以太网接口、g p r s 接口) 和分布式i o 节点通讯接口( r s 4 8 5 、 c a n 、z i g b e e ) 。在r c m 3 0 10 控制器上搭建基于“c o s i i 嵌入式实时操作系统的软件 平台，并根据s c a d a 系统实际应用需求设计开发以下应用功能：( 1 ) m o d b u s 网关功 能； ( 2 ) 数据透明传输功能；( 3 ) c a ni o 节点网络扩展功能； ( 4 ) z i g b e ei o 节点 网络扩展功能。 本文提出的r t u 解决方案满足在s c a d a 系统应用领域中的适应性和经济性要求， 具有重要的应用价值和显著的经济效益。 关键词：r t u ；以太网；m o d b u s ；c a n ；z i g b e e 基于r c m 3 0 1 0 的高性能r t u 的设计开发 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f h i g h p e r f b m a n c er 1 m b a s e do nr c m 3o1o a b s t r a c t r mi st l l ec o r ed e v i c ei nc h a r g eo fd a t aa c q u i s i t i o n ，u p l o a d i n g 锄dc o m m a n de x e c u t i n g b c m e e ns u n ，e i l l a n c ec e n t e ro fs c a d as v s t e m 锄di n d u s t r i a lf i e l d 王h un e e d st oh a v et l l e i n t e 伊a t e d 劬c t i o n sa n dr e l i a b i l i t ) ，t om e e tt h en e e 4 so fr e m o t ea n dd i s 仃i b u t e d 印p l i c a t i o n ，f o r t 1 1 ep u r p o s eo fa d a m i n gt o 廿l ef e a t u r e so fs c a d a 印p l i c a t i o nf i e l ds u c h 嬲l o n gd i s t a n c e ， l a 唱et e 币t 硎a 1s c o p e ，p o s i t i o nd i s p e r s e d ，r u g g e dn 删a n d e l e c t r i c a le n v i r o 砌e n t 1 1 1 i sp a p 竹m a l ( e sa i l a l y s i so nt 1 1 ee x i s t i n gi u u 舶mt l l ea n g l e so f 印p l i c a t i o ns u i t a b i l i 锣 a i l de c o n o m i c a le 衢c i e n c y ，a 1 1 dp r o v i d e se 旋c t i v es o l u t i o nt ot 1 1 ed i s a d v a l l t a g e so fe x i s t i n g r t u ： ( 1 ) r t uc a ns m a r t l yp r 0 v i d er e m o t ec o m m u l l i c a t i o nh n e r f - a c e sa c c o r d i n gt ot l l en e t 、) ，o r k c o n d i t i o no ft h ea p p l i c a t i o nf i e l d ； ( 2 ) r t uo f f e r sn e w s o l u t i o n0 ni oi n t e r f a c e _ d i s 仃i b u t e di oi n t e r f l a c e ； ( 3 ) h i 曲l y m o d u l 撕z e d h a r d w a r ea l l ds o 觚a r es y s t e m ； ( 4 ) r 1 uo f f e r ss t a n d a r da i l do p e nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，p r o t o c o l i n t e r f a c e ，s o f 时a r e i n t e r f a c ea n dd a t ai n t e r f - a c e r t uc a l lm l l ya d a p tt ot 1 1 en e t w o r ka n di oc o n d i t i o l l si 1 1s c a d a a p p l i c a t i o nf i e l d 谢t 1 1 t l l en e x i b l er e m o t ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f k e sa n dd i s t r i b u t e di oi m e r f a c e s m e a n w 量l i l e ， r t u sf e a t l l r e so fm o d u l a r i z a t i o n ，s 切n 出l r d i z a t i o na i l do p e m n gc a l li m p f o v ei t sc u s t o m i z a t i o n a l l dc o m p a t i b i l i t ) rs o 嬲t 0s a v ec u s t o m e r s c o s ta n dm a l 【ei th a v es 仃o n gm a r k e tc o m p e t i t i v e a d v a n t a g e t h i sp 印e rb u i l d sr t u sh a r d 、张r ep l a t f o 册l i s i n gr c m 3 0 10a sm a s t e rm c u ， c 8 0 51f 0 4 0 a n dc c 2 4 8 0a ss u b m a s t e rm c u ss 0a st 0e x p a n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e s ( e t h e m e t ，g p r s ) a n dc o m m u i l i c a t i o ni n t e r f a c e sf o rd i s t r i b u t e di on o d e s ( r s 一4 8 5 ， c a n ，z i g b e e ) r c m 3 0 1 ob u i l d s u ps o f 陬m ep l a t f 0 册b 2 l s e do ne m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i i ，a n dd e v e l o p sf o l l o w i n g 印p l i c a t i o nf m l c t i o n s t 0m e e tt 1 1 e s c a d a sa p p l i c a t i o nd e m a n d s ：( 1 ) m o d b u sg a t e w a y ；( 2 ) t r a n s p a r e n td a t at r a i l s m i s s i o n ；( 3 ) n e t l r o r ke x t e n d i n go fc a ni on o d e s ；( 4 ) n e t 、o r ke x t e n d i n go fz i g b e ei on o d e s 1 k sp a p e r sr t us o l u t i o nm e e t sm ed e m a n d so f 印p l i c a t i o ns u i t a b i l i 够a n de c o n o m i c a l e f j f i c i e n c yi ns c a d aa p p l i c a t i o nf i e l d ，s 0i th a si m p o r t a i l ta p p l i c a t i o nv a l u e sa n dg o o d e c o n o m i cb e n e f j t s k e yw o r d s ：r t u ：e t h e r n e t ：m o d b u s ：c a n ：z i g b e e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：薹重尽幽至里丝殓壹螳壁旦 丛酏垫必笪 作者签名： 趣j 墨缸日期：丑年三月j 生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：基要星塑至望2 砬壶生壁垒童尽工幺殓丝丑丑鲨 作者签名：砬j 苎世日期：兰盟年j 王月上厶日 导师签名：墨盈趁 日期：上璺墅_ 年卫月堕日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 r t u 发展现状及趋势 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o 船o la n d d a ：t aa c q u i s i t i o n ：数据采集与监视控制系统) 系统是 以计算机技术、通讯技术、检测技术和自动控制技术为基础的工业监控自动化系统。 s c a d a 系统采集工业现场信息实现对工业现场的监视，并利用工业现场信息及自动控 制技术对工业现场进行控制。 s c a d a 系统自上而下包含三个部分：监控中心、远程通讯网络、r t u ( r e m o t e t e 肌i n 甜u 1 1 i t ：远程终端单元) 。r 1 m 直接面对工业现场，它采集工业现场信息，通过 远程通讯网络传输给监控中心。监控中心对工业现场信息进行存储、分析、显示，同时， 监控中心还根据工业现场信息及工业现场的控制方法生成控制指令，并传输给r t u ，由 i 删完成控制指令的执行。 由此可见，r t u 是s c a d a 系统的核心设备之一，它位于s c a d a 系统监控中心与 工业现场之间，完成工业现场信息的采集、上传、转发以及监控中心控制指令的执行。 s c a d a 系统主要应用领域是距离远、分布范围大、位置分散的工业现场，如：工 厂企业、油田、管网( 供水、供热、煤气、天然气、石油) 、电网、铁道、气象环境监 测、水情旱情监测等。s c a d a 应用领域不仅具有距离远、分布范围大、位置分散的特 点，而且工业现场的自然环境、电气环境恶劣，这些应用环境决定了运行在工业现场的 r t u 必须具有可以适应特殊应用环境的综合功能和可靠性能，基本要求包括：远程通讯 功能、i o 接口功能、配置功能、高可靠软硬件抗干扰性能等，除此之外，还有软硬件 模块化及可定制功能、兼容性开放性等等。川【2 【3 】【4 】 在远程通讯功能方面，现有r t u 有的支持以太网通讯接口，有的支持移动通讯接 口等，而大多数r t u 均是支持单一的远程通讯接口，这使得r t u 的应用范围受到限制， 不能根据不同的应用环境选择不同的远程通讯接口，如：在具有以太网、a d s l 网络条 件的应用环境中可以使用以太网接口，而在没有这些网络条件的应用环境中可以换用移 动通讯接口。这显然是r t u 不能够充分适应s c a d a 系统应用环境的问题，因为s c a d a 系统应用领域广泛，不同应用领域的网络条件也不同，如果r t u 不能根据应用环境网 络条件的不同而灵活提供远程通讯接口，那必将大大影响r t u 在s c a d a 系统应用中 的表现。1 5 j 【6 j 在i o 接口功能方面，市场上r t u 的接口形式有两种：固定、可扩展。固定形 式i o 接口具有固定的i o 类型和数量；可扩展形式i 0 接口的i o 类型和数量可以根 基于r c m 3 0 1o 的高性能r t u 的设计开发 据应用需求配置。在s c a d a 系统中，如果使用固定形式接口的r t u ，r t u 数量与 应用需求的i o 点数量成正比，系统成本也会因此增加；如果使用扩展形式i o 接口的 r 1 m ，可以避免r t u 数量及成本增加的问题，其经济性优于固定形式。再者，两种形 式的i o 接口都是r t u 本地i o 接口，因此，现场i o 点都要连接到r t u 上。对于i o 点集中且数量少的应用环境，i o 点与r t u 的连接比较简单，反之，对于i o 点分散且 数量多的应用环境，i o 点与r t u 的连接将需要大量的信号线及进行复杂的连线工作， 而且这可能会出现连线错误，或通过信号线引入干扰等问题。而事实上，在s c a d a 系 统的很多应用领域，不仅r t u 相对于s c a d a 系统监控中心是远程的和分散的，而且 工业现场i o 点相对于r t u 也是分散的和距离较远的。因此，r t u 传统的本地i o 接 口形式在s c a d a 系统的应用中存在着与工业现场i o 连接不便和引起干扰等弊病。【7 】 在软硬件模块化及可定制功能方面，除了一些高端r t u ( 如：北京安控s u p e re 4 0 r t u ) 外，现有r t u 的软硬模块化程度较低，这直接制约了r t u 的可定制度，导致 r t u 在s c a d a 系统应用中不可以根据应用需求灵活定制软硬件功能，如：远程通讯 接口、i o 接口、现场通讯接口等。这会增加r t u 的选型难度，使选型者不能选择到恰 到好处的i u u ，避而选择性能高于实际需要的r t u ，增加s c a d a 系统成本。另外， 在兼容性开放性方面，由于市场竞争和经济利益等原因，各企业生产的r t u 存在兼容 性问题，也就是说，在s c a d a 系统应用中如果选用了企业a 的r t u ，则只能配合企 业a 的s c a d a 软件构建s c a d a 系统，而不能用于其它企业的s c a d a 软件。从经济 角度上说，这属于企业的捆绑销售行为，目的是提高企业的利润。但是，这反而增加了 用户的成本，因为这种捆绑销售行为限制了用户在现有s c a d a 系统中集成其他企业 r t u 的灵活性，而且，用户可能只希望在购买r t u 的基础上，自行开发灵活而基于特 殊应用需求的s c a d a 软件。i 7 j r 1 m 是s c a d a 系统的核心设备，它在s c a d a 系统应用中必须满足远程和分布式 应用要求。而随着以太网技术、移动通讯技术、现场总线技术、射频技术等通讯技术的 发展，r t u 也将共享通讯技术的成果，开发出更能满足远程和分布式要求的通讯功能， 使r 1 u 在远程通讯组网和现场通讯组网方面能提供更多灵活实用的方案。 1 2 课题研究内容及意义 根据前一节的叙述，r t u 运行在距离远、分布范围大、位置分散且自然电气环境 恶劣的工业现场，这些应用环境决定了r t u 在s c a d a 系统应用中必须满足远程和分 布式应用要求，而正是由于现有i u u 在远程通讯功能及i o 接口功能方面存在的弊端 影响了r t u 对这些应用环境的适应性，以及以r t u 为核心的工业现场测控系统的构建。 大连理工大学硕士学位论文 因此，本文将以上述问题为主要研究对象，并提出一种新型的r t u 解决方案： ( 1 ) r t u 可根据应用环境的网络条件灵活提供远程通讯接口( 以太网接口、移动 通讯接口) ，提高r 哪对应用环境网络条件的适应性； ( 2 ) i u u 提供新型的i o 接口解决方案一分布式i o 接口。分布式i o 接口区别于 r t u 本地i o 接口，它由分布式i o 节点提供，而分布式i o 节点类型( 按通讯接口分： r s 4 8 5 、c a n 、z i g b e e ) 、数量、安装位置及其i o 接口类型和数量由工业现场i o 点 环境决定。i 删则根据工业现场应用环境灵活提供分布式i o 节点通讯接口( r s 4 8 5 、 c a n 、z i g b e e ) 与分布式i o 节点构建工业现场网络测控系统。分布式i o 接口方案不 仅可以减少r t u 使用数量，节约用户成本，而且可以充分适应工业现场i o 点环境， 分布式i o 节点可以根据工业现场i o 点分布情况就近选择安装位置，减少信号线用量 及避免信号线干扰，分布式i o 节点的i o 类型和数量也可以灵活选择。还有一个重要 方面是，分布式i o 接口方案是一种开放的、可扩展方案，完全支持用户对现有应用的 升级改造。 其次，现有r t u 在软硬件模块化及可定制功能、兼容性开放性方面亦存在弊端， 由此导致r t u 选型困难、兼容性差等问题，使得r t u 经济性不佳，失去市场竞争优势。 为此，本文还针对这些问题提出提高r t u 经济性的解决方案： ( 1 ) 设计开发高度模块化的软硬件系统。硬件模块按功能划分，如：远程通讯接 口模块、分布式i o 节点通讯接口模块、本地i o 接口模块；在硬件模块基础上，软件 模块按完整的应用功能划分。用户可以根据应用需求选择硬件配置和应用功能，满足用 户对r t u 个性化的定制要求，提高r t u 的选型效率并节约成本。 ( 2 ) r t u 提供标准化开放化的通讯接口、协议接口、软件接口和数据接口。基于 r t u 的标准化开放化功能，r t u 可轻松地与s c a d a 系统监控中心建立有效通讯及与 分布式i o 节点共同构建工业现场分布式网络测控系统，用户可灵活的将r t u 集成在 s c a d a 系统中，也可开发基于该r t u 解决方案的s c a d a 系统。 r t u 是s c a d a 系统的核心设备，本文以r t u 在s c a d a 系统应用领域中的适应 性和经济性为研究内容，并提出一系列有效实用的解决方案，具有重要的应用价值和显 著的经济效益。 基于r c m 3 0 1o 的高性能r t u 的设计开发 2 r t u 整体方案设计 本章2 1 节根据绪论一章提出的r u 解决方案及s c a d a 系统实际应用需求进行 r t u 具体应用功能设计： ( 1 ) m o d b u s 网关功能； ( 2 ) 数据透明传输功能； ( 3 ) c a ni o 节点网络扩展功能； ( 4 ) z i g b e ei o 节点网络扩展功能： 2 2 节根据r t u 解决方案及2 1 节设计的r t u 具体应用功能进行r t u 硬件系统设 计，采用高度模块化、多控制器、积木式结构设计方案，使r t u 符合整体解决方案的 要求及具备实现相应应用功能的硬件支持。 2 3 节根据具体应用功能及2 2 节r t u 硬件系统结构构建基于p c o s i i 嵌入式实时 操作系统平台，且操作系统任务按照应用功能划分，提高软件开发效率及运行可靠性。 2 1r t u 应用功能设计 本节根据第一章绪论提出的r t l j 解决方案及s c a d a 系统实际应用需求进行r t u 应用功能设计。 r t u 在s c a d a 系统应用中需要满足远程和分布式应用要求，为此，r t u 需要远 程通讯接口及分布式i o 节点通讯接口的支持。 在远程通讯网络中，t c p i p 网络无疑是s c a d a 系统应用的必然选择。t c p i p 网 络有各种各样的网络形式( 以太网、v p n 、因特网等) 及接入方式( 局域网、a d s l 、 w i f i 、移动通讯网络等) 。为使r t u 远程通讯功能充分适应s c a d a 应用领域的网络 条件，本文使用以太网接口及g p r s 移动通讯接口作为r t u 的远程通讯接口。f 8 】1 9 】1 1 o 】 在工业现场，r s 4 8 5 和c a n 是现在及未来很长时间内主流的总线通讯接口，而 z i g b e e 则是逐渐发展并即将成为未来主流趋势的无线射频通讯接口，因此，本文以这些 接口作为r t u 的分布式i o 节点通讯接口，使r t u 可以根据工业现场i o 点环境灵活 提供通讯接口与分布式i o 节点共同构建有线或无线的工业现场测控网络系统，同时， 也保证了r t u 的技术先进性和市场竞争优势。【l l 】f 1 2 】【1 3 】【1 4 】 r t u 远程通讯接口用于与s c a d a 系统监控中心可靠通讯，分布式i o 节点通讯接 口用于构建工业现场分布式测控网络系统，因此，r t u 需要实现两种接口的无缝连接。 在r t u 的实际应用中，需要根据s c a d a 系统实际应用需求设计开发具体的实用 的应用功能，这样才可以真正的将本文r t u 解决方案运用到实际应用中。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 1 m o d b u s 网关功能 m o d b u s 协议是标准的开放的协议，由于其简单性和灵活性，该协议已经在工业领 域得到了广泛应用，也得到了众多厂商的支持。m o d b u s 协议分为两部分，一部分是应 用在串行线路上的m o d b u sa s c i i 和m o d b u sr t u 协议( 本文讨论应用在r s - 4 8 5 总线上 的m o d b u sr t u 协议) ，一部分是应用在t c p 】r p 网络上m o d b u st c p 协议。需要注意 的是，m o d b u sr t u 从站和m o d b u st c p 从站均属于本文的分布式i o 节点的范畴。 m o d b u sr t u 协议在工业应用中基本上是以r s 4 8 5 总线方式来构建m o d b u s 系统 的，然而，由于应用规模过大或系统升级、扩展等原因，m o d b u sr t u 从站个数可能会 超出m o d b u s 协议规定的独立从站地址范围( 1 2 4 7 ) ，达到成百上千个。在这种情况下， 所有的m o d b u sr t u 从站实际上并不构成统一的m o d b u s 系统，而是多个独立系统，系 统间不能互联。1 1 5 j 上述情况在m o d b u sr t u 协议的发展和应用过程中大量存在，而且会继续存在和出 现：一方面，在工业现场，现场总线依然是设备互联和系统集成的主要通讯方式之一； 另外，对于现场的m o d b u sr t u 从站而言，其基本上都是挂接在r s 4 8 5 总线上的。然 而，受m o d b u sr t u 协议的限制，每条r s 4 8 5 总线上最多只能连接2 4 7 个独立从站和 1 个主站，这已经是建立在r s 4 8 5 总线方式下的最大的m o d b u s 系统了。当然，可以再 建立这样的系统以增加m o d b u sr t u 从站，但是，这些系统依然是基于r s 4 8 5 总线的， 而这也决定了各个系统之间不能互联。f 】6 】 综上所述，基于r s 4 8 5 总线的m o d b u sr t u 系统在应用中具有以下弊端：( 1 ) 系 统间不能互联，各个系统的从站信息只能由本系统的唯一主站获得；( 2 ) 各系统信息 独立、互不共享，破坏了系统的统一性和完整性；( 3 ) 破坏了系统的扩展性，限制了 系统的规模( 从站数量) 。 因此，寻求一种技术手段使工业现场所有m o d b u sr t u 从站真正地整合到一个系统 中，实现所有m o d b u sr t u 从站信息( i o 点信息) 的共享是m o d b u s 协议在应用中面 临的重要问题，也是迫切的实际应用需求。 在t c p i p 网络上，m o d b u s 协议以m o d b u st c p 协议的形式应用，m o d b u st c p 协 议以t c p i p 协议为基础，分布在t c p i p 网络上的m o d b u st c p 从站数量理论上等于 t c p i p 网络的容量，由此看来，m o d b u st c p 协议似乎可以为解决工业现场m o d b u sr t u 系统的整合问题提供技术基础。然而，这里的意思不是要将m o d b u sr t u 从站改为 m o d b u st c p 从站，将m o d b u s 系统的构建方式由r s 4 8 5 总线改为t c p i p 网络，或者 说将基于r s 4 8 5 总线的m o d b u sr 1 u 系统直接替换为基于t c p i p 网络的m o d b u st c p 系统。当然，使用m o d b u st c p 系统解决m o d b u sr t u 系统整合问题的方案在技术层面 基于r c m 3 0 1 0 的高性能r t u 的设计开发 上是可行的，然而，m o d b u sr t u 和m o d b u st c p 两种系统在技术性能、经济成本、应 用需求等方面各不相同，在实际应用中，两者各有优缺点，谁也取代不了谁，所以，不 能只考虑技术上的可行性而简单地通过将m o d b u st c p 系统取代m o d b u sr 1 u 系统的方 式去解决m o d b u sr t u 系统的整合问题。 根据m o d b u sr t u 协议在应用中面临的问题及m o d b u st c p 协议的技术特点，本文 提出一个解决m o d b u sr t u 系统整合问题的方案m o d b u s 网关。如果设计开发出一种 可实现m o d b u st c p 协议与m o d b i l sr t u 协议相互转换的m o d b u s 网关，工业现场的 m o d b u sr t u 从站通过r s 4 8 5 总线与m o d b l l s 网关连接( 每个m o d b u s 网关最多连接2 4 7 个下行m o d b u sr t u 从站) ，m o d b u sr t u 主站转移到t c p 】 p 网络上变成m o d b u st c p 主站，m o d b u st c p 主站通过m o d b u s 网关的i p 和端口与m o d b u s 网关建立通讯连接， 并在m o d b u s 指令里指定要操作的从站，这样，m o d b u st c p 主站就可以获得m o d b u s 网关下行任意m o d b u sr t u 从站的信息。另外，如果m o d b u s 网关支持多m o d b u st c p 主站的连接，就可以实现多m o d b u st c p 主站对m o d b u s 网关下行任意m o d b u sr t u 从 站的数据共享。因此，使用一个或多个m o d b u s 网关即可将工业现场所有的m o d b u sr t u 从站整合到统一的m o d b u st c p 系统中，实现多m o d b u st c p 主站对所有m o d b u sr t u 从站信息的共享，且整个m o d b u s 系统具有良好的扩展性。f 1 7 】【1 8 】【1 9 】m o d b u s 网关功能的 具体实现见第4 章。 2 1 2 数据透明传输功能 在工业现场，很多智能设备和仪器一旦脱离了开发环境、调试环境、配置环境就像 电动轨道玩具车一样只能在现场按照预定的程序和配置独立的运行，其运行状态、运行 程序及配置信息无法通过远程、实时的方式获取并根据实际需要修改，而只能派相关的 工作人员到设备现场检查其运行状态、重新调整其运行程序或者设定其配置信息。更有 甚者，一旦这些设备仪器出现现场维护人员无法解决的问题，则只能要求设备仪器的生 产厂家派技术支持人员到现场检查及处理问题，这一过程是耗钱耗时耗力的，而且可能 是反反复复的。因此，寻求一种可靠、低成本的技术手段来解决这个问题是具有实际应 用价值和需求市场的。 上述问题同样属于s c a d a 系统应用范围，只不过监控对象是工业现场设备，因此 本文根据这一需求分析，设计r t u 数据透明传输功能，以有效解决该问题。 数据透明传输功能的作用是将现场设备仪器的编程调试接口( 一般为串行接口) 通 过有线或无线的方式扩展为远程监控计算机上的虚拟串口，数据在实际串口和虚拟串口 之间采用透明方式进行传输，这样，在远程监控计算机上就可以通过虚拟串口与远程现 大连理工大学硕士学位论文 场的设备仪器建立透明连接，设备仪器生产厂家的技术支持人员或者用户就可以使用专 用的调试软件、配置软件远程、实时的对现场设备仪器进行状态检查、程序调整及重新 配置。数据透明传输功能的具体实现见第5 章。 2 1 3c a ni 0 节点网络扩展功能 采用分布式i o 接口是本文r t u 的解决方案之一，它在r t u 应用可充分适应工业 现场i o 点环境，并具有抗干扰特性，具体优点如下： ( 1 ) 选型方便：根据应用需求选择类型和数量； ( 2 ) 安装灵活：根据i o 点分布灵活选择安装地点； ( 3 ) 减少信号线用量：分布式i o 节点可就近安装在i o 点附近，减少信号线用量 及测控干扰，降低i o 连线的复杂度； ( 4 ) 减少r t u 用量：r t u 本地i o 接口有限，使用分布式i o 接口可任意扩展i o 接口类型和数量，减少r t u 用量，节约用户成本； ( 5 ) 组网方式灵活简单：r t u 与分布式i 0 节点可采用总线方式或无线方式构建 工业现场测控网络系统； 本文r t ui o 接口功能以分布式i o 接口功能为主，同时兼顾本地i o 接口。r t u 的本地i o 接口采用模块化结构设计，可根据用户需要配置，但i o 类型和数量有限。 由于c a n 总线具有低成本、总线利用率高( c s m c d 一载波监听多路访问冲突检 测、无损的逐位仲裁) 、传输距离长( 最远1 0 l m l ) 、传输速率高( 最高1 mb i t s ) 、可 靠错误检测和处理机制等方面的优势，使c a n 总线早已成为工业现场主流的总线技术 之一，并成为现有系统升级的方向及未来系统开发的主要选择之一。因此，本文将c a n 接口作为r t u 分布式i o 节点通讯接口，以保证r t u 的技术领先性，拓展r t u 的应 用领域，且适应广泛的市场需求。f 2 0 】【2 l 】 本文r t u 通过c a n 接口与分布式i o 节点连接，构建灵活高效的基于c a n 总线 的工业现场分布式测控网络系统。同时，r t u 实现c a n 接口与以太网接口的无缝连接， 使工业现场c a n 总线分布式测控网络扩展为t c p i p 网络上的一个子网，以此构建c a n 总线测控网络与t c p i p 网络高效融合的s c a d a 系统。c a ni o 节点网络扩展功能的 具体实现见第6 章。 2 1 4z i g b e ei 0 节点网络扩展功能 相对于c a n 总线技术，z i g b e e 技术具有更符合未来工业现场测控网络系统发展的 优良特性。 基于r c m 3 0 1o 的高性能r t u 的设计开发 z i g b e e 技术是一种短距离、低功耗的无线通讯技术，其特点是短距离、低功耗、低 速率、低复杂度、低成本，主要适合用于传感、自动控制和远程监控领域，如：传感器 的无线数据采集和监控，油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。 z i g b e e 与蓝牙技术类似，是一种新兴的短距离无线技术。但是对于工业、家庭自动 化控制和工业遥测遥控等领域而言，蓝牙显得太复杂、功耗太大、距离太近、组网规模 太小等等。长期以来，工业领域短距离、低功耗、低速率、低成本的无线通讯市场一直 存在着，工业自动化领域对无线数据通信的需求越来越强烈，且要求也越来越高，即要 求无线数据通讯必须是高可靠的、能抵抗工业现场各种自然电气环境干扰的。为了解决 上述问题， i e e e8 0 2 1 5 工作组和z i g b e ea 1 l i a n c e 组织经过长期努力于2 0 0 3 年正式发 布z i g b e e 协议，且不断完善和发展。【2 2 】【2 3 】【2 4 1 【2 5 】 z i g b e e 技术具有巨大的技术优势及性能优势，使得z i g b e e 技术必将成为未来工业 现场无线测控领域中的佼佼者，推动工业技术的又一次大步前行：【2 6 】f 2 7 】 ( 1 ) 自组织网通信方式 z i g b e e 各节点只要在彼此的通信范围内，通过彼此自动寻找很快就可以形成一个互 相连通的z i g b e e 无线网络。而且，即使由于节点的移动导致彼此间的联络发生变化， 节点还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就是 自组织网。z i g b e e 这种无线网络通讯方式可以取代传统的布线方式，提高构建分布式测 控网络的灵活性，节约工程施工时间，且提供安全可靠的无线数据传输。 ( 2 ) 动态路由方式。 z i g b e e 网络中数据传输的路径不是预先设定的，而是在节点传输数据前，通过对当 时网络中可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择一条路 径进行数据传输，如果在此路径上传输数据失败，再选择另一条路径进行传输，以此类 推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生 变化，路径也可能因各种原因被中断或者因路径过于繁忙而不能及时传送数据。z i g b e e 网络动态路由方式并结合网状网拓扑结构可以很好解决此问题，保证数据的可靠传输。 ( 3 ) 低功耗 低功耗特性是z i g b e e 技术的突出优势。通常z i 曲e e 节点所承载的应用数据速率低， 在不需要通信时节点可进入功耗极低的休眠状态，此时功耗只有工作状态下的千分之一 左右，且休眠时间一般占总运行时间的大部分，因此节能效果极佳。在低功耗休眠模式 下，2 节5 号干电池可支持1 个终端设备类型节点工作6 至2 4 个月。 ( 4 ) 低成本 z i 曲e e 协议免专利费，且z i g b e e 通讯利用免执照频段。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 短时延。 z i g b e e 响应速度较快，节点加入网络只需3 0m s ，从休眠转入工作状态只需1 5m s 。 ( 6 ) 高容量 z i g b e e 网络可采用星状、簇状和网状拓扑结构，最多可组成6 5 5 3 5 个节点的网络。 ( 7 ) 高安全性 z i g b e e 提供了三级安全模式( 无安全设定、使用接入控制清单( a c l ) 防止非法获 取数据、采用高级加密标准( a e s 1 2 8 ) 的对称密码) 以灵活确定其安全属性。 由此可见，z i g b e e 技术满足s c a d a 系统应用现场建筑地理结构复杂、i o 点数量 大、分散且距离远、自然电气环境恶劣的应用要求，在构建s c a d a 系统工业现场分布 式无线测控网络中具有巨大优势：分布式i 0 节点可大范围分布，分布式测控网络布线 简单灵活、测控数据无线传输且安全可靠等等。s c a d a 系统工业现场的工业系统架构 也将会随着z i g b e e 技术的发展应用产生巨大的变化和进步。【2 8 】【2 9 】【3 0 】 因此，本文将z i g b e e 接口作为r t u 的分布式i o 节点通讯接口，在i o 点数量大、 分散且距离远的工业现场中应用z i g b e e 技术构建分布式无线测控网络，可适应特殊工 业现场i o 环境的应用要求，保持r t u 在技术和市场两方面的竞争优势。同时，r t u 实现以太网接口与z i g b e e 接口的无缝连接，为构建t c p i p 网络与工业现场分布式无线 测控网络相结合的高性能s c a d a 系统提供先进的技术支持。z i g b e ei o 节点网络扩展 功能的具体实现见第7 章。 2 2r t u 硬件系统设计 2 2 1 r t u 硬件系统设计思想 硬件系统设计方案很大程度上决定了r t u 整体方案的可行性、整体性能、成本、 软件开发简易性高效性等方面，因此，要从各方面因素综合考虑。 本文r t u 硬件系统采用积木式结构设计思想，这是由以市场、用户需求为导向的 产品设计原则决定的。积木式结构的基本含义是按功能划分将产品分为若干功能模块， 将功能模块以简单的物理方式组装起来就可以构成完整的产品，而用户可以根据需要定 制不同的模块组合，为用户选型提供便利，并节约用户成本。积木式结构主要优点如下： ( 1 ) 符合模块化的设计、开发及测试思想； ( 2 ) 便于维护； ( 3 ) 提高产品可定制度和用户选型效率，节约用户成本； ( 4 ) 增加使用灵活性、适用性； 基于r c m 3 0 1 0 的高性能r t u 的设计开发 在积木式结构的基础上，本文将采用多控制器的硬件系统结构。根据2 1 节关于i u u 应用功能设计的内容可知，本文r t u 应具有多种通讯接口( e t h e m e t 、g p r s 、u a r t 、 c a n 、z i g b e e ) ，而在现有市场上是无法找到集成所有这些通讯接口的控制器的，因为， 一般情况下，一个控制器只针对某种或某类应用集成一、两种通讯接口，这是为了便于 用户根据需要选择具有某些接口的控制器，也是为了方便用户灵活的扩展通讯接口，提 高系统紧凑性并节约成本。因此，本文采用多控制器的硬件系统结构，各控制器集成不 同的通讯接口，其中一个是主控制器，主控制器和其他控制器之间采用s p i 、并行接口 方式连接。采用多控制器结构可以分散通讯任务，减少主控制器的运行压力，各控制器 完成各自的本地通讯任务及与主控制器的通讯，主控制器负责内外整体通讯的管理。 2 2 2r t u 硬件系统平台选型 综上所述，本文将采用积木式、多控制器的硬件系统结构，而在进行硬件系统框架 和电路设计前，完成硬件系统平台各控制器的选型是非常重要的工作。本文进行控制器 选型时主要从r t u 应用功能、软硬件系统开发可行性高效性、软件开发平台支持、成 本等方面考虑，为叙述简便，本文直接给出选型结果及选型理由，不对选型过程详细叙 述。 ( 1 ) 采用r c m 3 0 1 0 模块提供以太网接口和通用异步串行接口 硬件方面，r c m 3 0 1 0 是z w o r l d 公司目前功能最为强大的r a b b i t c o r e 微处理器核 心模块之一。r c m 3 0 1 0 由e m i 指数极低的r a b b i t3 0 0 0 芯片进行驱动。r c m 3 0 1 0 带1 个l o b a s e t 以太网口，6 个串口，5 2 个数字i o ( 与6 个串口共用) ，2 5 6 k 的f l a s h 和1 2 8 k 的s r a m ( 可扩展) 。r c m 3 0 1 0 对于那些需要进行快速开发的设计者以及需要实现具 有完全以太网接入功能的嵌入式系统设计者来说是非常理想的。因此，r c m 3 0 1 0 可以 满足r t u 应用功能对通讯接口的需求，而且