工業(yè)無線短程監(jiān)控網(wǎng)的接入方式研究

王秉臣 王海寬 費敏銳

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院1，上海 200072;上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室2，上海 200072)

0 引言

近年來，隨著短程無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用成為一個新的趨勢，無線網(wǎng)絡(luò)無疑會在下一代的工業(yè)自動化系統(tǒng)中扮演重要的角色。但是許多經(jīng)驗和實例表明，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，無線通信無法完全取代在現(xiàn)有的許多工業(yè)控制系統(tǒng)中采用的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng);相反，無線通信不得不與現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)共存于工業(yè)自動化系統(tǒng)中。因此，如何將無線網(wǎng)絡(luò)接入現(xiàn)有有線系統(tǒng)是一個需要認真研究的問題［1－2］。

本文在介紹了幾種典型的無線網(wǎng)絡(luò)接入有線系統(tǒng)的方式后，提出了一種新的無線網(wǎng)絡(luò)接入有線系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)模型。該網(wǎng)關(guān)模型借鑒對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的思想，試圖建立一種在保持有線與無線協(xié)議各自完整與自主的前提下，能有效地將無線數(shù)據(jù)上傳到有線網(wǎng)絡(luò)中的機制。

1 無線網(wǎng)接入方式

一般來說，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)接入有線系統(tǒng)主要有基于OPC的應(yīng)用層集成、網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)3種方式。

①基于OPC的應(yīng)用層集成方式，OPC客戶端/服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)映射方式通常被用來集成不同協(xié)議之間的信息。這種方式的優(yōu)點主要在于易于實現(xiàn)、易于配置和無需改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。然而，這種方式無法保證系統(tǒng)的實時性［3－4］。

②網(wǎng)橋方式，網(wǎng)橋通常工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它能以較快的速度和較短的響應(yīng)時間轉(zhuǎn)發(fā)不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)。但這種方式實現(xiàn)的前提條件是不同協(xié)議之間需要具有較高的相似性［5］。

③網(wǎng)關(guān)方式，網(wǎng)關(guān)通常又被稱作協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可以工作于OSI網(wǎng)絡(luò)七層模型的任意一層，甚至可進行跨層轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)在不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中都作為網(wǎng)絡(luò)中的一個站點，在通信過程中通過運行專用的應(yīng)用軟件在不同的協(xié)議棧之間完成數(shù)據(jù)交換任務(wù)［6－7］。顯然，網(wǎng)關(guān)方式能獲得一定程度的實時性，同時又能處理協(xié)議之間的較大差異性。所以本文介紹的無線接入有線的方式基于協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。

2 工業(yè)有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

2.1 Profibus-DP和無線令牌環(huán)

本文介紹的工業(yè)有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在有線段遵循Profibus-DP協(xié)議，而無線網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE 802.15.4a的工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(wireless industrial control networts，WICN)無線令牌環(huán)網(wǎng)。

Profibus-DP是Profibus協(xié)議的一部分，主要用于現(xiàn)場分散的外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。Profibus-DP協(xié)議模型主要由物理層(physical layer，PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層(fieldbus data link，F(xiàn)DL)和應(yīng)用層(application layer，APL)構(gòu)成，以滿足工業(yè)控制對實時性的要求。Profibus-DP使用主站/從站的通信機制并將輪詢方式作為它的媒體訪問層(media access layer，MAC)協(xié)議方式，以提供確定性的通信服務(wù)。一個連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上的站點不是主站就是從站，兩者居其一。主站作為中心控制器，以預(yù)定的輪詢時間周期性地讀取從站的輸入信息，并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，通常只有被主站要求時從站才能被動地加入到通信過程中。

面向工業(yè)現(xiàn)場的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)WICN協(xié)議是一個基于 IEEE 802.15.4a的無線令牌環(huán)協(xié)議。IEEE 802.15.4a協(xié)議是對 IEEE 802.15.4 協(xié)議物理層的修訂，采用了切普擴頻技術(shù)(chirp spread spectrum，CSS)，能十分有效地抑制環(huán)境中的各種噪聲和多徑干擾，在工業(yè)領(lǐng)域中有較為廣闊的應(yīng)用前景［8］。WICN協(xié)議是一個基于令牌控制無線信道獨占性的協(xié)議，每個站點只有得到令牌后才能進行數(shù)據(jù)傳輸。WICN令牌環(huán)網(wǎng)中只有唯一一個具有管理功能的主站，它負責(zé)邏輯令牌環(huán)的建立與維護。而其他站點作為從站存在于網(wǎng)絡(luò)中，知道其前趨站和后繼站，并依次得到令牌，獨占無線信道，在一定的時間段后放棄令牌傳遞給下一個站點［9－10］。

2.2 工業(yè)有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個異構(gòu)系統(tǒng)由Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、WICN無線令牌環(huán)網(wǎng)和接入網(wǎng)關(guān)三部分組成。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)為整個系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，而WICN無線令牌環(huán)網(wǎng)作為擴展網(wǎng)絡(luò)通過接入網(wǎng)關(guān)接入有線系統(tǒng)中。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。接入網(wǎng)關(guān)在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中作為Profibus-DP的一個從站，同時作為WICN無線令牌環(huán)網(wǎng)中的主站，對虛擬令牌進行控制，完成WICN協(xié)議中規(guī)定的各項管理任務(wù)。在接入網(wǎng)關(guān)上并發(fā)運行著Profibus-DP協(xié)議棧和WICN協(xié)議棧，并通過專有的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序完成無線數(shù)據(jù)向有線系統(tǒng)的接入。

圖1 有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Architecture of wired/wireless hybrid network

3 無線網(wǎng)絡(luò)接入機制設(shè)計

從工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的描述中可知，網(wǎng)關(guān)作為無線網(wǎng)絡(luò)接入有線網(wǎng)絡(luò)的接入點，在其中必須同時運行無線端與有線端的兩種協(xié)議，即 IEEE 802.15.4a的WICN協(xié)議和Profibus-DP協(xié)議。由于不同協(xié)議對于各自的數(shù)據(jù)管理方式的不同，因此，在將無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入有線系統(tǒng)中時，必然要經(jīng)過數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方式較多，其中一種方法是以構(gòu)建中間層來處理協(xié)議及數(shù)據(jù)格式的不同［7］;而本文借鑒了對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的映射表的方法，設(shè)計出一種在充分保持不同協(xié)議自治性的前提下，通過映射表機制來完成無線數(shù)據(jù)向有線系統(tǒng)的接入方法。

3.1 對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一種適用于異構(gòu)分散數(shù)據(jù)源間共享數(shù)據(jù)的P2P(peer to peer)體系結(jié)構(gòu)［11］。在對等網(wǎng)絡(luò)(P2P網(wǎng)絡(luò))中，每一個對等點都具有高度的自治性。所謂自治性，就是指對等點對于自己的數(shù)據(jù)具有自己的管理方式和獨特的存儲方式。由于對等點的自治性造成的數(shù)據(jù)源之間的異構(gòu)性，為語義上相關(guān)或相等的數(shù)據(jù)的共享和查詢帶來了困難，因此，映射表被引入對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。映射表是對等節(jié)點之間進行信息交換的基礎(chǔ)工具［12］。映射表將不同數(shù)據(jù)源中語義或邏輯上存在關(guān)系但表現(xiàn)形式上存在異構(gòu)的數(shù)據(jù)以映射對的方式聯(lián)系起來。如表1所示為基因與蛋白質(zhì)映射表。

表1 基因與蛋白質(zhì)映射表Tab.1 Mapping table of gene and protein

將基因數(shù)據(jù)庫GDB_id中的g1與SwissProt數(shù)據(jù)庫中的p2相聯(lián)系，以表示用g1基因來編碼p2蛋白質(zhì)［13］，但并不關(guān)注這兩個信息在他們各自的數(shù)據(jù)庫中是如何被表示或存儲的。通過映射表可以在保持對等節(jié)點自治性的前提下完成對等節(jié)點間異構(gòu)數(shù)據(jù)某種程度上的集成與共享［13］。

3.2 接入機制的設(shè)計

如圖2所示為在網(wǎng)關(guān)中不同協(xié)議對于本地數(shù)據(jù)存儲模式的抽象。

圖2 數(shù)據(jù)區(qū)儲存模型Fig.2 Storage model for data area

圖2左半部分代表的是WICN協(xié)議中對于其數(shù)據(jù)的管理方式。網(wǎng)關(guān)在無線網(wǎng)絡(luò)中作為主站節(jié)點，其數(shù)據(jù)區(qū)即為從無線從站節(jié)點中讀入的數(shù)據(jù)。圖2所示數(shù)據(jù)區(qū)分為m個獨立的數(shù)據(jù)塊，對應(yīng)于m個無線從站節(jié)點;同時，獨立的數(shù)據(jù)塊又分為輸入數(shù)據(jù)(R)和輸出數(shù)據(jù)(W)兩部分。輸入數(shù)據(jù)存儲的是無線節(jié)點上傳到控制器中的傳感數(shù)據(jù)，而輸出數(shù)據(jù)存儲的是由控制器發(fā)出的控制信息數(shù)據(jù)。

圖2的右半部分代表的是作為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中從站的網(wǎng)關(guān)所具有的數(shù)據(jù)存儲模型。由圖2可知，其數(shù)據(jù)儲存將輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)分為兩大部分并以數(shù)組的方式分別存儲，而不像無線部分按節(jié)點分數(shù)據(jù)塊分別存儲。由此可見，由于協(xié)議的不同導(dǎo)致了數(shù)據(jù)在儲存方式上的異構(gòu)。兩者存儲方式上的不同可描述為對于無線區(qū)的數(shù)據(jù)，由于其數(shù)據(jù)塊以節(jié)點號來區(qū)分，采用“{節(jié)點號，讀/寫屬性}”來描述;而對于Profibus-DP從站的數(shù)據(jù)區(qū)，由于其數(shù)組的特性，采用“{讀/寫屬性，順序號}”來描述。

圖2的中間部分為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，是為了保持不同協(xié)議數(shù)據(jù)之間的獨立性與分離性而引入的，協(xié)議數(shù)據(jù)只與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換，而不直接與不同協(xié)議的數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)生關(guān)系。緩沖區(qū)采用不分讀寫屬性的數(shù)組方式來表示，其描述為“{順序號}”。

在對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，當(dāng)兩個對等點的內(nèi)容具有語義或邏輯上的關(guān)系時，雖然他們的數(shù)據(jù)存儲方式或管理方式存在不一致(即數(shù)據(jù)源的異構(gòu)性)，但可通過映射表將兩者相互聯(lián)系起來，從而達到數(shù)據(jù)共享與集成的目的。

而在本文所描述的系統(tǒng)中，我們可以將具有不同數(shù)據(jù)存儲模式的協(xié)議數(shù)據(jù)區(qū)看成具有異構(gòu)數(shù)據(jù)源的對等點，通過映射表的構(gòu)建，使不同協(xié)議的數(shù)據(jù)區(qū)在語義或邏輯上發(fā)生聯(lián)系。結(jié)合數(shù)據(jù)區(qū)描述方式構(gòu)建映射表，如表2所示。無線從節(jié)點1的輸入數(shù)據(jù)區(qū)(R)與Profibus-DP協(xié)議的輸入數(shù)據(jù)區(qū)(R)的第一項同時表示了無線從節(jié)點1的采樣值，而Profibus-DP協(xié)議的輸出數(shù)據(jù)區(qū)(W)的第一項與無線從節(jié)點1的輸出數(shù)據(jù)區(qū)(W)同時表示了控制器對于無線從節(jié)點1的控制數(shù)據(jù)。這樣雖然協(xié)議在數(shù)據(jù)的管理與存儲上存在異構(gòu)，但通過映射表，可使不同的協(xié)議數(shù)據(jù)在語義上發(fā)生聯(lián)系，從而在尊重不同協(xié)議的自治的前提下，使協(xié)議之間共享數(shù)據(jù)，以此達到數(shù)據(jù)上傳或下發(fā)的目的。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)映射表Tab.2 Mapping table of data area

3.3 接入機制的實現(xiàn)

消息序列圖(message sequence chart，MSC)顯示了數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間上傳與下發(fā)的重要步驟，如圖3所示。

圖3(a)描述了無線從節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至接入網(wǎng)關(guān)的重要步驟。當(dāng)無線從節(jié)點獲得令牌后，它即獲得了獨占信道的時間，此時，它可以將數(shù)據(jù)傳送至與它地位平等的其他無線從站節(jié)點，同時也可以將數(shù)據(jù)上傳至無線主節(jié)點。由于無線主節(jié)點即為接入網(wǎng)關(guān)，則從節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)不僅會依照協(xié)議的特有方式存儲在無線數(shù)據(jù)區(qū)，同時映射表處理模塊會根據(jù)映射表1將數(shù)據(jù)共享至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)無線從節(jié)點上傳完數(shù)據(jù)后即會釋放令牌給下一個節(jié)點。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交互Fig.3 Data exchange between wireless network and gateway

圖3(b)描述了接入網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)下發(fā)至無線從節(jié)點的重要步驟。由于令牌的存在，接入網(wǎng)關(guān)只有當(dāng)獲得令牌后才有機會獨占信道并進行數(shù)據(jù)的下發(fā)。又由于需將有線網(wǎng)絡(luò)中的最新數(shù)據(jù)下發(fā)至無線從節(jié)點，因此，接入網(wǎng)關(guān)首先需要通過映射表處理模塊，依據(jù)映射表1將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)共享至無線數(shù)據(jù)區(qū)，再根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的配置，將數(shù)據(jù)發(fā)送至相應(yīng)的無線從節(jié)點。

圖4描述了接入網(wǎng)關(guān)與有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互。

圖4 有線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交互Fig.4 Data exchange between wired network and gateway

由于接入網(wǎng)關(guān)是作為Profibus從站接入有線網(wǎng)絡(luò)的，所以通信過程由Profibus主站發(fā)起。在每次與從站的交互過程中，Profibus主站都要完成對從站數(shù)據(jù)的一次讀入與一次寫出。當(dāng)接入網(wǎng)關(guān)收到輸出數(shù)據(jù)后，它會根據(jù)自己的數(shù)據(jù)存儲方式更新本地數(shù)據(jù)區(qū)，并通過映射表處理模塊和映射表2將數(shù)據(jù)共享至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

同時，為了響應(yīng)Profibus主站的讀數(shù)據(jù)要求，映射表處理模塊會將輸入數(shù)據(jù)共享至Profibus從站數(shù)據(jù)區(qū)，此時接入網(wǎng)關(guān)便可響應(yīng)主站的讀數(shù)據(jù)要求，完成一次與有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。

3.4 試驗驗證

實驗室中已搭建了采用上述接入方式的有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并針對實驗室中的蒸汽透平發(fā)電實驗平臺進行了數(shù)據(jù)采集。在采集過程中針對同一個測量值分別通過工業(yè)以太網(wǎng)Modbus/TCP節(jié)點和無線節(jié)點進行采樣，而無線節(jié)點的采樣值通過由上述方法構(gòu)建的協(xié)議接入網(wǎng)關(guān)，接入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中并最終上傳到上位機監(jiān)控界面。如圖5所示為上位機保存的歷史數(shù)據(jù)。可以看到，通過采用本文提出的無線接入有線系統(tǒng)的方式，使有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能準(zhǔn)確地對現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)進行采集。

圖5 歷史數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Historical data curves

4 結(jié)束語

無線通信技術(shù)無疑將在工業(yè)領(lǐng)域中得到越來越多的廣泛應(yīng)用，本文提供了一種能使工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接入現(xiàn)有有線測控系統(tǒng)的方案。該方案采用網(wǎng)關(guān)模型，借鑒對等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中映射表的思想，建立了一種在保持有線與無線協(xié)議各自完整與自主的前提下，能將無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)上傳到有線網(wǎng)絡(luò)中的機制。在實驗室中采用上述接入方式有效地將無線監(jiān)控網(wǎng)WICN與現(xiàn)場總線Profibus-DP進行了集成，形成了有線/無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。

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