工业以太网专栏——扩展连接性

工业以太网专栏——扩展连接性 工业以太网专栏——扩展连接性 国两机电一一-体佑筱 工业灏 OPC简介 OPC提供以标准化的方法在应用之问交换数 据的机制.这允许硬件和软件供应商得以将精力聚 焦在其产品的核心能力.因而,用户将得益于模块 化的结构,跨越制造商之间的兼容性以及对开发集 成制造系统有宽范围的选择余地. 原始的OPC技术是通过众多在世界上领 先的自动化硬件和软件供应商的紧密协作而建立 的.最初的OPC技术规范(版本1.0)发表于1996 年,并在其下半年即有初始的商业化产品问世.到 1998年后期,支持OPC的自动化系统供应商大幅 度地增加,推动OPC从一个技术规范而成为一个工 业标准. 建立在Microsoft的OLE/COM技术的顶部, OPC使用客户机/服务器的结构.在这样的布局中, 客户机应用(例如HMI和SCADA)从一个中心源 (或OPC服务器)请求数据交换.OPC服务器负责提 供来自被连接设备的数据,这些设备的范围从过程 控制器到RTU,PLC,AC/DC驱动器,电力监控装置 和其它类型的工业自动化装置.在客户机和服务器 之间的连接并不是排它的,可允许多个客户机同时 存取单一的服务器. 当几个OPC服务器专用于一个特定的过程控 制设备时,大多数情况使用一个DeviceDriver(设 备驱动器)以处理低层通信和接口到基层通信适配 器或串行口.对最终用户而言,这种模块化的结构 . 48.2002年第五期 使得连接一个新设备的过程如同安装一台新的打 印机到台式计算机那样的简单. 连接OPC到您的装置 DeviceDriver是连接OPC服务器到过程设备 的链路.它是设备接口的软件部件并依赖一个通信 适配器以建立设备的物理连接.取决于应用,适配 器可以是一个标准的串行口(RS一232),一个专用的 串行适配器(RS422/485),一个多口串行适配器或 一 个工业网络适配器(例如DeviceNet,PROFIBUS, FOUNDATIONFieldbus). 工业网络的连接是方便易行的,因为一个简单 的网络适配器就可连接PC到成打的装置,遗憾的 是所需要的网络适配器的价格十分昂贵.当网络用 于在不同装置之间的协调运行则直接的网络连接 还是个难.此外,联网系统通常是高度优化的,所 以处理额外数据交通量的能力十分有限,因而不可 能连接到商业系统. 可喜的是,大多数设备具有一个或多个串行 口,由于它们存在的共性,通常被选用为将PC连接 到过程控制设备的端口.这是普遍为人们所熟悉的 技术.它有足够的灵活性,因而能满足宽范围各种 不同应用的要求.大多数PC配置有作为标准硬件 的串行口.典型地,已安装的传统的装置也只能提 供串行接口.但在本质上这些串行接口是受到限制 的,即当连接一定数量的设备时,或当设备所在位 置距离PC超过100英尺(3O.5米)时. 国两~~otl-筱 如需连接一定数量的串行设备,通常要求附加 的硬件.为了满足这种要求,多端口串行适配器可 提供多达l6个端口/适配器.对多于l6个端口的 应用,只要PC能提供插槽,则增加补充的适配器就 可扩展容量.某些适配器需要专用的驱动器.对有 些情况,只要能实现和处理所有从PC扇出的电缆 的管理问题,则这样的结构看起来是相当方便的. 正因为如此,一些多端口串行适配器,随同发运的 还有一个'octopus'(章鱼式)电缆以帮助连接不同 的设备到一个插卡. 接线电缆的问题并不仅仅限于到PC的连接; 它的本质问题是在一个长距离内连接串行设备.通 常RS一232接线电缆的距离限制为约lO0英尺 (30.5米),并由于使用共地信号而降低抗干扰度. RS_422和RS一485通过在双绞线电缆上使用差分 信号来改善抗干扰度,其适用的距离是4000英尺 (1219.2米).这两种串行接口,均可通过中继器和 调制解调器以克服噪声和距离限制,但带来附加的 成本开销.与此类似,当只提供RS一232端口时,如 需使用RS一422和RS一485设备,则应在PC上配置 信号转换器. 当连接串行口设备时,另一个限制因素可能是 DeviceDriver本身.一些DeviceDriver只支持有限 数量的C0M,事实上往往小于PC机本身能支持的 最大数量的串行口. 在已普遍应用串行连接处理控制设备这个既 定事实和串行口本质上的局限性的约束下,如何 将基于串行口的过程控制设备更容易地集成到PC 为基的HMI,SCADA和其它基于PC的应用呢? 远不止是连接 利用已出现的技术作为动力来延伸串行连接的 距离,从分散于多个位置的连接设备中存取数据. 这种技术是将PC的串行口取出并将它放置在紧邻 使用开放标准以太网联网的过程控制设备.这种技 术的核心是DeviceServer(设备服务器). DeviceServer是一台专用计算机,包括一个 CPU,实时操作系统(RTOS),TCP/IP栈和一个以太 网连接,它提供一个带RS一232,RS一422和RS一485 连接的桥路到串行设备.通过将串行数据封装于网 络包中并在以太网上传送,DeviceServer允许在延 伸的距离建立虚拟的串行链路. 这种在以太网上传送串行数据的过程就是人 们常说的SerialTunneling(串行隧道),这是模拟通 过邮政服务发送信件.在此,信件就是串行数据,信 封就是在网络上发送的一束信息(或TCP/IP包), 而邮政服务就是以太网网络.信件写的什么内容是 无关重要的——一旦这些内容置于信封中并邮 寄——在接收终端的一方就会打开信封,取出信件 和阅读在信件上的信息.见图1. 图1 通过,SerialTunnelling对应用软件和被连 接设备双方都是透明的,通常不需要更改软件或设 备的配置. 使用以太网作为连接媒介将具有以太网的优 点.标准10Mbps以太网(10Base—T)有足够能力同 时处理数以百计的串行设备数据的通信量.以太网 还给您留有发展余地和容易扩展波特率到lOOMbps 快速以太网(1OOBase—TX)和1000Mbps千兆以太网 (1O00Base—TX).后者已能提供商业产品.以太网还 能提供宽范围选择的拓扑结构(设备在网络上的布 局)和介质类型(同轴,双绞线和光缆),允许为您手 头的工作项目选择正确的结构. 不同于大多数工业网络和现场总线,以太网 能在普通媒介上支持多种.因而用户能自由 选择他需要应用的协议,并利用相同的基础结构 作为新投入协议的基础结构.在已建立局域网或 宽域网(LAN或WAN)的地方,DeviceServer可 利用这些基础结构为杠杆以建立和远程串行设备 的联接. 最基本的结构是跨越以太网上的2个Device Server背对背的安装以形成串行信息能双向流动的 管道.对PC上的应用软件和被连接的设备而言, 这种连接是透明的,这就是说不需要变动软件和 配置.这个概念可扩展到在工厂内的延伸连接, 遍及每个装置或跨越整个工业,这种结构的不足 第五卷.49? 国雨机电一一-俸佑筱术 之处是对每个被连接的设备仍需要在PC上的专用 接口: 太网适配器 人计算机 以太网 设备服务剥_.- it, 堡\R一,,\\\\\\\ 2 是否有一种可以旁路连接到PC的Device Server而将PC直接连到以太网呢?正如您可能有 的猜测,提供模仿DeviceServer功能的软件.通 常这称之为Redirector软件,它允许在您的PC上 建立虚拟的COM端口,该端口重新引导数据通过 一 个已安装的以太网适配器.组态工具允许用户建 立虚拟的COM端口和将该端口分配给网络上的 DeviceServer,例如,在一台物理上只安装有2个 COM端口的PC,Redirector软件可用于建立一个 虚拟的COM5并将它映象到一个远程Device Servers. 在这样的配置,DeviceServer和Redirector软件 结合使用是一个富有吸引力的替代方案,它可以替 代距离上受限制的串行口和解决连接多个串行设备 到一个中央PC的问题.其缺点是对每一个在网络上 的DeviceServer必须分配单独的COM端口.在需 要连接大量设备的应用场口或Windows应用只能支 持小数量的COM端口,这无疑是一个限制因素. 因为这些限制不易克服,优化的解决方案是直 接集成SerialTunelling功能度到OPCServer的 DeviceDrivers.如这样做是可能的,用户可直接编 址连接到过程和生产装置的DeviceServers,从而不 需要Redirector软件. 一 个OPC服务器的新品种 通过集成SerialTunelling到OPC服务器内,大 多数围绕远程串行连接的问题不再存在,因而电缆 难点,转换器,中继器,距离限制,组态问题和在PC 中安装昂贵的多端口串行插卡等等都可迎刃而解. 在已具备优化的设备层网络的场合,这种技术提供 连接HMI和SCADA系统到生产装置的一种替代方 . 50.2002年第五期 案,而不需要对系统的性能有所折中. 您的PC机上只需要一个简单的以太网适配器 就能连接成百个潜在的串行设备,何况还没有提到 这些串行设备可从联网获得的利益和从网络上任何 地点进行存取等这些优点. 处于这个研究项目的前沿,KEPWare公司已 发布一个商品的带集成SerialTunelling的OPC服务器,该SerialTunelling能运行于具有KEPWare 最新版本KEPServerEXOPCServer的以太网上. 除了增加易用性和增强能力外,这个解决方案的优 点是:对连接设备的数量没有任何限制,其紧密的 集成能提供更大的灵活性和更完善的性能. 考虑到用户的观点,KEPWare公司对COM端 口列表增加了补充选择,即允许选择Serial Tunelling.一旦选择了Tunelling则必须指定一个IP 地址,它识别在网络上所期望的DeviceServer.在 DeviceServer上还必须规定串行通信参数,这些参 数均应单独组态. 通过现在能提供的这个新技术,OPC的作用可 扩展到包括过程设备在内,而这些设备在过去是很 难连接的.事实上,其本质是可伸缩的功能,也就是 说,您从连接一个设备开始,然后按照您的步调增加 和扩展系统.至此您的HMI,SCADA,在制造和生产 中的应用,以及遍布您整个企业的其余部门的商业 信息可共享实时过程信息——从而帮助公司进行创 新和增加生产率,集成商业系统从而更好地作出企 业决策 PaulWacker是Lantronix的市场营销技术经 理,MarkHensley是KEPwareInc.的总裁. (杨昌琨译自"TheIndustrialEthernetBook, 2001Issue8")口