基于PK體系的工業信息網關采集系統的設計與實現

兌志魁，焦 點，鄭自菲，王志遠

（鄭州軌道交通信息技術研究院，鄭州 450066）

智慧工廠的概念在10年前就已經出現，它是繼電氣化、信息化之后更高層次的工業建設目標，即智能化。2011年德國也已提出工業4.0；2015年《中國制造2025》更是明確指出，要顯著提升制造業重點領域智能化水平，降低運營成本、縮短生產周期、降低不良品率；到2025年，制造業重點領域全面實現智能化。

智慧工廠建設必須有充足的工業現場數據的支撐，實現對不同位置的各類信息的采集與控制。然而現場設備不僅種類多、數量多，而且涉及不同廠商、不同通信協議，另外傳統的工業現場基本采用單獨線路控制，不能及時共享信息，不利于綜合決策控制，仍然需要大量人工干預，這時就需要用到智能網關。類似的，在銀行交易系統上已有相似產品的應用，用于不同系統的通信協議轉換以及網絡隔離；在軌道交通控制系統中也有近似概念的產品應用。但是，針對智慧工廠建設的智能網關應用還不是很廣泛，尤其是基于自主國產化處理器平臺的產品更為稀缺。國產化軟硬件的搭建也能夠有效打破國外的技術封鎖，實現國內關鍵技術的重大提升。

在此，本文以FT 2000A/2 芯片為主控芯片，以麒麟V4 操作系統[1]作為網關平臺使用的操作系統，結合工業現場常用的工業協議，實現了支持包括Modbus[2]（一種工業電子設備間常用的串行通信協議）、OPC[3]（OLE for process control，一種工業過程控制標準協議）、IEC104[4]和一種由國際電工委員會制定的電力規約，電表645 （一種常用電表通訊規約）協議等現場設備信息采集處理，并能夠對采集的數據進行協議轉換，建立起智慧工廠平臺和現場設備信息交互的橋梁。

1 網關組成及工作原理

智能網關分為硬件設計、軟件設計及網關配套調試軟件簇三大部分。硬件部分包含設計的主控芯片最小系統，外接RS232/485 串口、千兆/百兆網口和支持寬電壓輸入的電源；軟件設計包含網關主程序、各采集轉發子協議程序和調試服務程序；網關配套調試軟件簇包含協議文件編輯、生成、遠程終端調試及生產燒錄等程序。三個部分相輔相成，共同實現智能網關的功能。

2 系統的硬件設計

2.1 網關硬件總體設計

硬件總體設計主要是指采集開發板的設計，它用于負責工業現場信息的采集處理和協議轉發。采集開發板被設計為一個最小主控芯片系統，使用FT 2000A/2 芯片[5]為主控芯片，外接存儲、電源和接口等模塊，具體組成如圖1所示。智能網關的硬件技術參數如表1所示。

圖1 采集開發板組成Fig.1 Composition of acquisition development board

表1 智能網關硬件技術參數Tab.1 Technical parameters of smart gateway hardware

2.2 寬電壓電源模塊電路

由于工業現場環境復雜，現場對于設備運行環境沖擊性較大，為了增加系統的安全性和魯棒性，網關采用寬電壓供電設計。電源模塊的電路如圖2所示。

圖2 寬電壓電源模塊電路Fig.2 Circuit design of wide-voltage power module

2.3 網口自適應模塊電路

工業現場設備存在不少網絡設備，這些設備往往接口復雜，網絡傳輸通訊傳輸速率不一，在此設計自適應以太網，設計的網絡自適應模塊電路[6]如圖3所示。

圖3 網口自適應模塊電路Fig.3 Circuit of network port adaptive module

2.4 RS232/485 串口模塊電路

工業現場設備存在不少串口設備，串口設備支持不同的串口協議，往往存在需要232 和485 之間的串口轉換[7]，為了便于現場設備安裝，減少串口轉換電路帶來的問題，設計了RS232/485 便攜調整串口通訊模塊，所設計的電路如圖4和圖5所示。

圖4 輸入參數設置Fig.4 Input parameter setting

圖4 RS232 模塊電路Fig.4 Circuit design of RS232 module

圖5 Modbus RTU 通信設備整體程序調用Fig.5 Modbus RTU communication equipment overall program call

圖5 RS485 模塊電路Fig.5 Circuit design of RS485 module

2.5 硬件電路PCB

最終設計的硬件電路PCB 如圖6所示。

圖6 硬件電路PCBFig.6 Hardware circuit PCB

3 網關的軟件設計

3.1 智能網關配置協議設計

工業現場的設備往往采用不同的協議設備、設備的數量和種類繁多，并且存在后期維護更換及調整帶來的變化，智能網關需要靈活配置以適應復雜的工業現場環境。因此，設計環境配置協議來方便網關獲取現場工業環境配置，實時靈活的對運行狀況進行調整，提高設備的兼容性、可靠性，以便于實際應用環境的搭建。

設計的網關配置協議由通道、設備及采集轉發數據標簽3 部分：

（1）通道：通道跟配置的具體的采集轉發協議具體相關，通道配置告訴網關應該調用什么子協議進行通訊，通訊的具體參數是什么。

（2）設備：設備包含了支持此種通訊協議設備內部的配置參數，方便子協議根據設備地址等參數連接通訊設備。

（3）采集轉發數據標簽：包含了需要具體采集轉發的具體數據標簽參數、數據類型等，子協議據此進行數據解析。

通道、設備和采集轉發數據標簽和網關通訊之間的關系如圖7所示。

圖7 配置協議設計框架Fig.7 Design framework of configuration protocols

3.2 智能網關系統軟件設計

智能網關系統軟件用于實現智能網關基本的數據采集和轉發功能，并用于和調試軟件交互，實現故障查找、設備授權、現場環境配置等功能。所設計的系統軟件框架如圖8所示。智能網關系統軟件組成如表2所示。

圖8 系統軟件框架Fig.8 System software framework

表2 智能網關系統軟件組成Tab.2 Software composition of smart gateway system

3.2.1 網關主程序

網關主程序用于根據網關配置協議文件進行子協議通訊的協調調度，網關運行后，主程序首先檢測設備加密授權狀態，若未通過，則直接結束，拒絕工作，驗證通過后解析協議配置文件，解析到需要進行對應的子程序通訊后，就會根據配置好的子協議名稱進行對應程序的調度，并把對應子協議需要的配置信息打包傳遞給對應的子協議程序。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程Fig.9 Main program flow chart

3.2.2 子協議通訊程序

子協議通訊程序和主程序配合，最終具體負責和設備交互進行數據的采集和轉發。子協議程序被主程序調用后，首先解析同步發送給自己的協議配置軟件，然后根據設備和數據標簽的配置信息和設備建立通訊，完成數據采集或轉發。子協議通訊程序流程如圖10所示。

圖10 子協議通訊程序流程Fig.10 Flow chart of sub-protocol communication program

3.2.3 網關調試接口軟件

網關接口調試軟件用于和上層調試軟件進行交互，實現網關的加密授權、程序迭代及轉發重要的調試信息方便網關調試。在上層調試軟件和網關建立連接后，根據上層調試軟件的指令進行對應的功能操作，程序流程如圖11所示。

圖11 調試接口程序流程Fig.11 Flow chart of debugging interface program

4 網關配套調試軟件

為了便于網關的生產及日常應用調試，開發了網關配套的軟件，具體的模塊功能如表3所示。

表3 智能網關調試軟件組成Tab.3 Composition of smart gateway debugging software

5 網關的實驗與驗證

本文結合實驗室環境對智能網關進行了相應的實驗驗證，首先通過購買材料和開發套件完成網關PK 體系[8]平臺部分的制作，將網關應用程序通過交叉編譯下載到智能網關平臺上，最終得到組裝后的智能網關如圖12所示。

圖12 智能網關Fig.12 Intelligent Gateway

本文根據實際模擬搭建的實驗環境，對5 個支持Modbus-RTU 協議的智能電表進行信息采集。通過配套的調試軟件根據實際環境配置通道、設備和采集標簽，構造成配置文件，通過軟件下載到網關中進行實際測試驗證。通過軟件得到的日志流式數據[9]可以看出，網關已經能夠正常進行數據采集并進行協議轉換和數據轉發。通過調試軟件得到的日志報文信息如圖13所示。

圖13 日志報文信息Fig.13 Information of log message

將配置好的網關接入實際的智慧工廠平臺環境，測試環境使用5 路智能電表，配置采集5 路的電表電壓和溫度等數據，上層的空調監控平臺接收網關通過Modbus-TCP 進行匯總轉發的數據，最終通過平臺界面可以看出能夠正常的獲取設備環境數據。實際驗證環境如圖14所示。

圖14 驗證測試環境及結果Fig.14 Verification test environment and results

6 結語

本文所介紹的智能網關以PK 體系作為應用平臺，支持Modbus，OPC，IEC104 和645 等多種工業現場設備協議[10]，網關系統程序及對應的配套調試軟件，經過實驗室及實際環境驗證，表現出高可靠性、穩定性強等優點。本文探索了國產PK 體系在智能網關領域的應用，為網關領域的國產化核心技術的突破提供了新的方向。經過功能驗證，該網關可以滿足設計和用戶的要求，具有良好的兼容性和擴展性。