摘 要：針對工業(yè)控制系統(tǒng)實際問題，使用列表的方法總結了通訊協議所涉及的內容，討論了由阻塞和干擾引起的異常情況以及處理辦法，給出了工業(yè)控制系統(tǒng)通訊協議的基本規(guī)范和縱向描述表。

關鍵詞：工業(yè)控制，通信協議，描述表

0.引言

通訊協議在工業(yè)控制系統(tǒng)中十分重要[1]。一般來說網絡協議有7層。其中第1部分由硬件完成，稱為物理層。第2部分由操作系統(tǒng)完成，包括鏈路層、網絡層、傳輸層。第3部分包括會話層、表示層和應用層,一般在應用軟件里實現[2]。所謂在工業(yè)控制系統(tǒng)中的通訊協議均指會話協議。

合理的會話協議能夠大幅度提高硬件的操作效率，準確的描述能提高程序員之間的協作效率。如何設計出高效的通訊協議并使用準確的語言描述，對每個系統(tǒng)分析者以及軟件設計者來說必不可少。

筆者通過總結多年的設計工業(yè)控制系統(tǒng)的經驗，得到了關于工業(yè)控制系統(tǒng)通訊協議的一些描述方法。希望能夠給廣大設計工業(yè)控制系統(tǒng)的同行予以借鑒。

1.工業(yè)控制系統(tǒng)的基本模型

圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)的信號傳送過程

一般情況下，工業(yè)控制系統(tǒng)涉及上位機、控制柜、傳感器與控制器四大部分。如圖1所示上位機主要指的是計算機，控制系統(tǒng)在這里安裝?？刂乒袷沁B接計算機、PLC（可編程控制器）、傳感器與控制器的設備，PLC是其中的主要部件。其實PLC也是計算機，在測量時，它的作用是把傳感器送來的電流或電壓信號轉化為數字信號，稱為A/D轉換，并將這些數字信號送給計算機。在控制時，它的作用是把計算機送來的數字信號轉化為電流或電壓信號，稱為D/A轉換，并將這些數字信號送給控制器。一般來說，PLC是計算機與傳感器和控制器之間的橋梁。PLC的功能在不斷完善，現代的PLC完全可以替代計算機。在絕大多數情況下，人們仍需要在計算機上運行控制系統(tǒng)，這時便需要在PLC和計算機之間進行通訊。我們所說的通訊協議主要是指計算機與PLC的通訊協議[3] [4]。

2.客戶與服務器

網絡通訊總是以客戶（Client）與服務器（Server）方式進行的。所謂服務器是指，它總是處于被動狀態(tài)，等待客戶的詢問，負責應答。而客戶總是處于主動地位，在啟動時客戶總是首先向服務器發(fā)出聯絡信號，然后等待服務器的回答。在設計程序時，到底誰作客戶，誰作服務器要看具體的情況而定。一般來說，上位機是客戶，PLC是服務器，為上位機提供各種測量數據并負責向控制器傳送控制信號[5]。

工業(yè)控制數據可分為目標值（Target）、設定值（Setpoint）、測量值（Measure）、操作狀態(tài)（Status）、閥門位置（Valve value）等，這是按照縱向控制界面來劃分的。如果要按照網絡傳輸方式來劃分，可分為：一般運行數據（Data）、參數（Parameter）、命令（Command）、出錯信息（Error）、消息（Message），如表1。

表1 工業(yè)控制數據通訊讀寫分類表

3.網絡通訊的數據

一般來說，網絡通訊協議主要描述客戶如何與服務器進行對話，所以下面的描述總是以客戶身份表現的。對于客戶來說有：①請求運行數據、②請求參數、③寫參數、④寫命令，服務器應答后便相應的有：⑤讀數據、⑥讀參數、⑦讀錯誤信息、⑧讀消息。這些操作之間的對應關系與它們的具體含義請看表2。

數據傳送過程必須由發(fā)送方和接收方共同完成。發(fā)送方收集數據并打包然后發(fā)送，接收方則在收到數據后按照協議（protocol）進行解包后分發(fā)到各個位置上。

所謂的協議就是一種描述規(guī)范，首先必須使得接收方明確：哪一路的數據，讀還是寫，具體內容是什么。如果要讓接收方準確無誤的接收，還必須考慮到工業(yè)控制的具體情況，如阻塞和干擾。

表2 工業(yè)控制數據通訊讀寫關系說明表

4.阻塞與干擾

傳送數據的方式一般有兩種格式，即2進制模式或文本字符模式。對于這兩種截然不同的格式來說，編寫協議的方法也大不相同。2進制模式下整數和浮點數所占用的空間與數值的大小沒有關系，文本字符模式下則大不相同，必須充分考慮數值的取值范圍與小數點的位置。一般來說，2進制模式傳送數據的效率要高的多，而文本字符模式下的糾錯能力更強，而且所得到的數據可以直接顯示。在工業(yè)控制條件下，由于考慮到糾錯方法的容易實現，采用文本字符模式的居多。

在不考慮阻塞（block）的情況下，接收方所得到的數據塊與發(fā)送方所發(fā)送的數據塊完全一樣，這時不必考慮起始符與結束符。但是在工業(yè)控制環(huán)境下，連續(xù)不斷地、大批量地傳送數據阻塞是不可避免的，于是像圖2所示的情況常常會發(fā)生。接收方某次所讀到的并不是發(fā)送方某一次所送來的，而是發(fā)送方第n-1塊數據的后半部分與發(fā)送方第n塊數據的前半部分，這樣如果簡單的以順序解讀就必然會造成誤會。如表3中的起始符與結束符就是為了克服受阻塞條件下的接收數據的起始位值的偏移。應該說明的是，起始符中使用過的字符不應該在其它地方再使用。

圖2 受阻塞條件下的數據接收情況

另外，在工業(yè)現場，許多金屬設備及電動機的高速運轉，強烈電磁干擾也是不可避免。本來在實驗室里能正常傳送的網絡數據，到了工業(yè)現場卻不能正常運行。本來的正常的數據會變得不可思議。排除那些因受現場干擾（interfere）而變得不可使用的數據是非常有必要的。對付這些異常數據的辦法就是丟棄它們。這時，如何辨別它們是錯誤的就變得非常重要。

校驗碼（verify code）的作用就是讓接收方知道自己所接收到的數據是否受過干擾。所謂校驗碼就是在數據塊的固定位置放置若干字符，如表3。這些字符可以是固定字符、求和（sum）或異或（Xor）求和。固定字符容易實現，但是難以知道其它位置的數據是否受到干擾。求和或異或求和是常用的校驗方法，這種方法通常把求和結果轉換成兩位16進制的文本字符碼，這兩位16進值符號就能表示出一個字節(jié)的數據。

5. 協議描述方法

表3是筆者在設計網絡會話通訊協議時常用的描述方法，稱為縱向描述方法。這種方法的優(yōu)點是能夠將所要傳送的每個字段進行詳細的描述。在這里將每個所要描述的字段分為：起始位置、名稱、字節(jié)數、數據類型、數據內容等5項說明。

表3 工業(yè)控制數據通訊協議的格式

顯然這是一種適用于文本字符描述的協議，2進制協議也可以參照這種方法。由于2進制協議的任意位置可以取任何值，所以在2進制協議中無法起始符與結束符。

6.結束語

上述的表3中描述的主要是針對串口通訊，在以太網環(huán)境下當然也是可以的。一般來說，糾錯功能在傳輸層進行，但是由于在以太網環(huán)境下，傳輸層協議是由操作系統(tǒng)完成的，如TCP協議[3]，糾錯功能自然包含在內，所以表3中的校驗碼可以不予考慮。

在串口通訊模式下，操作系統(tǒng)（Windows）僅僅為串口通訊建立了緩沖區(qū)，大部分傳輸層功能需要由編程者來完成，所以表3中的校驗碼是絕對不可以缺少的。

以上的通訊協議設計方法筆者已在許多地方，如山東臨清、廣西荔浦、內蒙河套等的抄紙過程控制系統(tǒng)中廣泛使用，效果良好。

參考文獻

[1] 紀玉波. 造紙系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)[J].微計算機信息，2000.16（2）:26-27,70

[2] 魯士文編著.計算機網絡原理與網絡技術[M], 機械工業(yè)出版社,1996. 2-6,296-316

[3] 王志堅,陳松喬,蔡自興,彭世鐸,周昊, ABB工業(yè)控制系統(tǒng)與外部計算機通訊軟件設計[J], 微計算機信息 1998.14（2） 54-57

[4] 楊武,田偉, 可編程控制器與工業(yè)控制計算機通訊方法的研究[J], 包裝工程 1999.20（4）, 44-45

[5] 王存, 用串行通訊構成工業(yè)控制小型集散系統(tǒng)[J] , 內蒙古大學學報（自然科學版） 2000.31（4）,385-387

[6] 王思明,S5-115U PLC 與工業(yè)控制計算機的通信[J],蘭州鐵道學院學報,1998.17（4）,92-97