CN108809949A

CN108809949A - profinet、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法

Info

Publication number: CN108809949A
Application number: CN201810488825.0A
Authority: CN
Inventors: 宋岩; 谷宁; 徐攀峰; 李宾
Original assignee: Liaoning University
Current assignee: Liaoning University
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明涉及一种profinet到FF H1协议、CAN协议、profibus转换和调度的方法，包括以下步骤：构建包含Profinet控制器、FF H1模块、CAN模块和profibus模块的硬件设备；在profinet控制器上运行profinet协议栈，在FF H1模块上运行FF H1协议栈，在CAN模块上运行CAN协议栈，在profibus模块上运行profibus协议栈；在profinet控制器中运行跨网段协议转换软件，实现profinet协议栈、FF H1协议栈，CAN协议栈和profibus协议栈之间的协议转换；在profinet控制器中运行跨网段统一调度软件，实现profinet到FF H1、CAN和profibus的统一调度。本发明保证了profinet、FF H1、CAN和profibus相互之间数据的双向传输，并且实现了服务级映射，具有实时性、通用性，可以构建以多种结构的控制网络以及良好的兼容性。

Description

profinet、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域及现场总线技术，具体地说是一种profinet 到FF H1协议、CAN协议、profibus协议转换和调度的方法。

背景技术

现场总线是网络技术向工业化现场总线发展的产物，是在市场需求的背景下发展起来的新型技术，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点。然而，由于历史和商业的原因，目前国际上有 40 多种现场总线，各种现场总线都有各自的应用范围和应用领域。而现场总线的关键技术之一是互操作性，解决与其他总线网络设备互联与互操作的问题，已成为现场总线技术成熟的一个标志。以太网用于工业控制中具有应用广泛、成本低廉以及通信速率高等优势，工业以太网正在成为工业控制网络的主流技术。一些国际组织也在积极推进以太网进入控制领域，正在进行工业以太网关键技术的研究。profinet 标准，作为实时以太网国际标准，已经解决的关键技术有：控制系统结构设计、通信实时性技术、互可操作技术、远距离传输技术、网络安全技术、可靠性与抗干扰技术等。随着其关键技术的解决，profinet 在工业自动化领域的应用也越来越广泛。FF( 基金会现场总线，foundation fieldbus) 标准作为世界上最具影响力的总线标准之一，得到了世界上主要自控设备供应商的广泛支持，在北美、亚太地区具有较强的影响力。CAN总线（ControllerArea Netwok）是控制器局域网的简称，是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，现已成为ISO国际标准ISO11898.

Profibus是Process Fieldbus的缩写，是面向工厂自动化和流程自动化的一种国际性的现场总线标准，已广泛被应用于制造业自动化（汽车制造、装瓶系统、仓储系统）、过程自动化（石油化工、造纸和纺织品工业企业）、楼宇自动化（供热空调系统）、交通管理自动化、电子工业和电力传输等行业，具备总线供电功能。解决 profinet 与基金会现场总线(FF)，控制器局域网总线（CAN）、Profibus 的互联与互操作问题不仅是 profinet 技术的一个突破点，而且为 profinet 拓宽市场起到了推动作用。在 profinet 的市场应用中，可能会存在不同种类的现场总线。由于 FF 总线、CAN总线、profibus总线的市场应用非常广泛，与 profinet 可能共同应用于一个工厂自动化系统中，现场总场互联与互操作问题是不可避免的。而目前能够解决由 profinet 到 FF H1 总线、CAN总线、profibus总线互联与互操作问题的网关技术尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的尚无法解决由profinet 到FF H1、CAN、profibus现场总线互联与互操作问题等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现由profinet到FF H1协议、CAN协议、profibus协议转换和调度的方法；

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种profinet 、FF H1、CAN和profibus 协议之间转换和调度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）构建包含profinet 控制器和FF H1 模块、CAN模块、profibus模块的硬件设备；

（2）在低速控制器上运行profinet 协议栈，在FF H1 模块上运行FF H1 协议栈，在CAN模块上运行CAN协议栈，在profibus模块上运行profibus协议栈；

（3）在profinet 控制器中运行跨网段协议转换软件，实现profinet协议栈、FF H1协议栈、CAN协议栈和profibus协议栈之间协议的相互转换；

（4）在profinet 控制器中运行跨网段统一调度软件，实现profinet、FF H1、 CAN和profibus之间跨网段报文的统一调度。

所述的跨网段协议转换软件包括以下步骤：

（1）下传协议报文跨网段：当profinet 控制器以太网接口接收到请求报文时，对请求报文进行解包，得到服务信息报文头；判断该请求报文的类型；

（1.1）如果为发送到FF H1 网段的协议报文，则对该请求报文进行格式转换，并重新打包；profinet 控制器通过第1 串口通信模块将重新打包后的报文发送到FF H1 模块，完成一次profinet 报文到FF H1 报文的转换；

（1.2）如果为发送到CAN 网段的协议报文，则对该请求报文进行格式转换，并重新打包；profinet 控制器通过第1 串口通信模块将重新打包后的报文发送到CAN 模块，完成一次profinet 报文到CAN 报文的转换；

（1.3）如果为发送到profibus 网段的协议报文，则对该请求报文进行格式转换，并重新打包；profinet 控制器通过第1 串口通信模块将重新打包后的报文发送到profibus 模块，完成一次profinet 报文到profibus 报文的转换；

（2）上传实时数据跨网段：若该接收报文数据为实时数据：协议转换软件根据报头，获悉报文目标地址，调度实体比对跨网段统一调度表为实时数据选择正确传输路径，同时调用协议转换软件所提供服务，按照目标网段协议格式对实时数据重新打包，完成一次实时数据格式的转换；

（3）上传协议数据跨网段：协议转换软件根据报头，获悉报文目标地址，调度实体比对跨网段统一调度表为协议报文选择正确传输路径，同时调用协议转换软件所提供服务，按照目标网段协议格式对实时数据重新打包，完成一次协议报文格式的转换。

所述跨网段统一调度软件，包括以下步骤：

（1）上传跨网段和本网段的实时报文和响应报文：根据FF H1 模块、CAN模块和PROFIBUS模块中的调度表和通信调度方法构建PROFINET控制器调度表；

（2.1）上传跨网段实时数据：当低速网段模块订阅到使用对应低速网段协议栈的设备上传的实时数据时，跨网段统一调度软件通过查找profinet 控制器中的跨网段统一调度表，得到使用高速网段协议栈或低速网段协议栈现场设备中功能块的链接映射关系；跨网段统一调度软件在周期报文传送时期将实时数据发布给对应现场设备，完成一次串口通信过程；

（2.2）上传跨网段协议报文：profinet周期报文传输结束后进入非周期报文传输阶段，profinet控制器将突发性的非周期数据转发至报文目标地址所在网段包括高速网段或低速网段各网段；

（2.3）下传本网段协议报文：若该协议报文目的地址为profinet网段设备，该报文由profinet协议栈自行处理，再由profinet控制器本地调度软件将处理后协议报文经以太网口发送至profinet网段；

（2.4）下传跨网段协议报文：若该协议报文目的地址为低速网段设备，profinet控制器通过调用跨网段统一调度软件在非周期报文传输阶段将协议报文发送至报文目标地址所在网段，完成跨网段协议转换；通过跨网段统一调度软件，实现跨网段设备之间的报文互访。

如果上传报文为低速网段本网段的报文，则按低速网段各自协议栈进行处理；如下传报文为高速网段（profinet网段）本网段报文，则按高速网段协议栈进行处理。

如果该上传报文数据类型为协议数据，则将对接收报文重新打包；并由跨网段统一调度软件通过以太网接口将重新打包后的报文发送到profinet网段。

所述跨网段统一调度表是指profinet 上位机将运行FF H1 协议、CAN协议、profibus协议的现场设备中的功能块与运行profinet 协议的现场设备中的功能块组态后下载到profinet 控制器中的组态关系映射表，包括：欲发布实时数据的运行低速网段协议栈的现场设备中的功能块索引和标识、接收低速网段实时数据的profinet 现场设备中的功能块标识和索引、低速网段现场设备地址、和profinet 现场设备地址。

本发明具有以下有益效果及优点：

1. 保证了profinet和FF H1、CAN、profibus 数据的双向传输，实现了数据流双向转换、并且实现了服务级映射；

2. 实时性。profinet 和FF H1、CAN、profibus 之间的数据交互可以实现毫秒级通信；

3. 通用性。本发明可以把任何标准的设备接入通信控制网络，并且实现互操作；

4. 灵活性。采用本发明技术构建控制系统具备很高的灵活性，可以构建以profinet 、FF H1、CAN、profibus 为主的多种结构的控制网络；

5. 兼容性。本发明的技术方案具备良好的兼容性。

附图说明

图1 为本发明方法采用的profinet 到FF H1 协议、CAN协议、profibus转换和调度的网关系统示意图。

图 2 为本发明方法采用的网关硬件结构示意图。

图 3 为 profinet 控制器以太网接口接收到报文的处理过程流程图。

图 4 为统一调度软件中，中间层结构示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

为了方便本发明方法的阐述过程，用高速网段代表profinet网段，用低速网段代表FF H1网段、CAN网段和profibus网段之总和；用串口通信模块代表1串口通信模块、2串口通信模块、3串口通信模块之总和。

、构建硬件

如图1所示，本发明方法基于 profinet 到 FF H1 协议、CAN协议和profibus协议转换和调度的网关系统实现，使用一种拥有 profinet 和 FF H1、CAN、profibus 硬件接口的网关硬件设备，该硬件设备包含 profinet控制器、FF H1模块、CAN模块和profibus模块。具体地说，在profinet控制器包含profinet协议栈，在FF H1模块中包含FF H1协议栈，在CAN模块中包含CAN协议栈，在profibus模块中包含profibus协议栈；在 profinet 控制器中开发协议转换和统一调度软件，实现使用 profinet 协议与使用 FF H1 协议设备、CAN协议设备和profibus协议设备之间的互联与互操作。

、协议转换软件作用

协议转换软件用于实现跨网段现场设备之间数据的透明传输。具体实现如下：

数据下传时：

数据下传是指当使用profinet协议栈的设备将协议报文传送至profinet网段上时，网关设备作为本网段数据的订阅者，将协议报文发送至profinet控制器；

Profinet控制器将收到的profinet报文进行解包获得报文信息，根据协议报文的目的地址按照相应格式打包成FF H1报文或CAN报文或profibus报文，经由串口通信模块0，发送至低速网段；

数据上传时：

数据上传是指将低速网段设备的响应报文和实时数据通过订阅，发送至profinet控制器，profinet控制器将接收到的低速网段协议报文和实时数据解包获得报文信息并根据协议转换软件打包成profinet报文格式，并发送至profinet网段；

低速网段协议报文、响应报文、实时数据的跨网段横向传输：

当低速网段设备发送协议报文、响应报文或实时数据时，本网关设备作为低速网段的订阅者，将订阅到的报文和数据发送至profinet控制器。控制器调用协议转换软件将报文和数据解包并打包成相应网段的报文格式，并由各自网段串口发送；

高速网段和低速网段报文的本地网段传输：

使用profinet协议栈的设备向profinet网段发送协议报文，本网关设备作为profinet网段的订阅者，将接收到的协议报文发送至profinet控制器。该协议报文按profinet控制器协议栈进行处理，并由以太网口发送至profinet网段；

使用低速网段协议栈的现场设备向各自低速网段发送响应报文或实时数据时，本网关设备作为网段的订阅者，将订阅到的响应报文和实时数据发送至各自低速网段模块，按照各自低速网段模块的协议栈进行处理，并发送至各自低速网段。

、跨网段统一调度软件

统一调度软件的构成：

跨网段统一调度软件由调度实体和跨网段统一调度表（简称调度表）构成；

关于Profinet协议栈设备的通信调度：

Profinet协议中的通信传输周期分为时间确定性部分和开放性部分，由于本网关设备在进行数据下传时只涉及到协议报文的传送，因此在进行协议报文传输过程中仅采用TCP/IP报文在开放的标准通道中传输，该协议报文传输时间为传输周期的开放性部分。

由于Profinet的协议报文传输时间为传输周期的开放性部分，数据链路层采用的是CSMA/CD协议，其本质为一种随机仲裁；

关于FF H1协议栈设备的通信调度：

使用FF H1协议的网段设备，对总线的访问控制均由链路活动调度器LAS实现。LAS具备链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类链路活动；

FF H1总线的通信活动分为周期性通信与非周期性通信；

周期性通信：由LAS按预定调度时间表周期性依次发起的通信活动；

预定调度时间表：是LAS中的面对所有需要周期性动作的设备的汇总表，当到了某个设备要发送数据的时间，LAS发送一个强制数据CD给这个设备；

非周期性通信：在预定周期性通信时间之外的时间，LAS通过现场总线发出一个传递令牌PT，得到该令牌的设备发送信息的方式被称为非周期性通信；

LAS具备五种基本功能：(1)向设备发送强制数据CD；（2）向设备发送

传递令牌PT；（3）为新入网的设备探测未被采用过的地址；（4）定期对总线段发布数据链路时间和调度时间；（5）监视设备对传递令牌PT的响应。

FF H1总线仲裁实质为一种受控仲裁。

关于CAN协议栈设备的通信调度：

CAN报文帧分为标准帧和扩展帧，本网关设备侧重与实现标准帧的传输，即11位标识符CAN报文帧的传输；

CAN总线上任意节点均可在任意时刻主动发起报文广播，其余CAN节点通过报文过滤可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式进行收发数据，CAN总线节点不分主从；

CAN采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一是先听再讲，二是当多个节点同时向总线发送报文而引起冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据；

CAN总线的仲裁实质为一种随机仲裁。

关于PROFIBUS协议栈设备的通信调度：

profibus总线采用Token-Passing的主从分时轮询协议，完成总线访问控制和可靠的数据传输；

在profibus总线网络中，节点设备分为主站与从站。在所有的主站设备之间采用令牌传递的总线访问控制方式，在主站与从站之间采用主从方式访问方式；

控制主站之间通信的令牌环传递程序是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递；

主站与从站之间采用主从通信方式。主站在得到令牌时可以与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息；

profibus总线的仲裁实质为一种受控仲裁。

跨网段统一调度表：所述调度表是指profinet上位机将运行FF H1协议的现场设备、CAN协议的现场设备和profibus协议的现场设备中的功能块与运行profinet协议的现场设备中的功能块组态后下载到profinet控制器的调度表，包括：欲发布实时数据的运行FF H1协议栈的设备、CAN协议栈设备、profibus协议栈设备和profinet协议栈设备中的功能块索引和标识以及FF H1现场设备地址、CAN现场设备地址、profibus现场设备地址和profinet现场设备地址。

跨网段统一调度软件具体工作实现：本调度表记录了底层网段模块与高层网段控制器中的串口通信模块的地址映射关系，当本网关设备有来自CAN模块的报文时，根据报文目的地址信息，比对调度表串口通信模块地址的映射信息，由通信调度实体执行，为格式转换完毕的报文选择正确的路径，实现从目标串口通信模块发送该报文。

具体的串口通信模块映射关系为：

profinet控制器ßàCAN模块；

profinet控制器ßàFF H1模块；

profinet控制器ßàprofibus模块；

FF H1模块ßàCAN模块；

FF H1ßàprofibus模块；

CAN模块ßàprofibus模块；

调度实体采用令牌传递主从分时轮询的访问控制方式。

首先本网关设备将订阅到的profinet网段设备的数据、FF H1网段设备的报文和数据、CAN网段设备的报文和数据、profibus网段设备的报文和数据发送至profinet控制器的各自对应缓存器中，调度实体依照profinet控制器、FF H1模块、CAN模块、profibus模块顺序依次为缓存器中的报文和数据发放传递令牌，该传递顺序在本网关设备初始化过程中载入profinet控制器跨网段统一调度软件内部。获得传递令牌的缓存器被置为主缓存，其余缓存器默认置为从缓存。此时，获得传递令牌的主缓存根据跨网段统一调度表中串口模块地址的映射关系，将协议报文、响应报文及实时数据发送至映射地址对应的串口通信模块，完成一次跨网段统一调度。

在缓存器获得传递令牌期间，该主缓存将发送周期分割为周期报文传递时期和非周期报文传递时期两部分，其中，周期报文传递时期负责发送实时性数据，非周期性传递时期负责发送协议报文和响应报文等实时性要求不高的报文。

当主缓存持有传递令牌的期限已到或主缓存的任务已处理完毕，通信调度实体负责收回传递令牌，并依序将传递令牌分配给下一目标缓存。

缓存器利用调度实体提供的服务，依照预先定制的令牌传递顺序，完成实时数据、协议报文、响应报文的传送。

高层网段：指使用Profinet通信协议的设备所在的网段。

底层网段：指使用FF H1、CAN、Profibus通信协议的设备所在的网段。

本发明方法的模型构造：

构建包括profinet控制器、FF H1模块、CAN模块、profibus模块的硬件；在profinet控制器上运行profinet协议栈、跨网段统一调度软件、跨网段协议转换软件；在FF H1模块上运行FF H1协议栈；在CAN模块上运行CAN协议栈；在profibus模块上运行profibus协议栈。

跨网段统一调度表的构建方法：

根据各协议栈模块的功能块的相关参数，如索引、地址、标识符等，以及各功能模块通信调度方法，由跨网段统一调度软件构建跨网段统一调度表。

跨网段统一调度软件和本地网段调度软件的使用情况说明：

当协议报文和实时数据发生跨网段转换与调度时，通过调用跨网段统一调度软件完成相应调度工作；

当发生低速网段协议报文在本地网段设备之间传输时，通过调用本地网段调度软件完成相应调度工作；

当发生profinet协议报文在本地网段设备之间传输时，通过调用profinet本地网段调度软件完成协议的调度；

在profinet控制器、FF H1模块、CAN模块、profibus模块中各自运行本地网段调度软件；

本地网段调度软件负责订阅来自本网段设备的实时数据和协议数据，并将打包后的实时数据和协议数据发送至本网段其他设备。

跨网段统一调度表的使用方法说明：

跨网段统一调度表适用于设备上传实时数据和响应报文至跨网段设备中，并与跨网段统一调度软件配合完成实时数据的格式转换；

跨网段统一调度表适用于设备下传协议报文至跨网段设备中，并与跨网段统一调度软件配合完成协议报文的格式转换。

跨网段协议转换软件使用方法说明：

当协议报文进行跨网段下传时，会使用跨网段协议转换软件进行协议的转换；

当响应报文和实时数据进行跨网段上传时，会使用跨网段协议转换软件进行报文和实时数据格式的转换。

跨网段协议转换软件内置一中间层，该中间层内置编译器和反向编译器，首先编译器负责将接收到的来自高速网段的协议报文和来自低速网段的协议报文、实时报文编译成一种标准格式数据，反向编译器负责将标准格式数据反向还原成报文的目的地址所在网段的数据格式，至此完成数据格式的跨网段转换。

反向编译器：中间层内置一个编译器，并为profinet、FF H1、CAN和profibus分别配置反向编译器；当标准格式数据生成后，跨网段协议转换软件会借助跨网段统一调度软件提供的映射表，了解到编译生成的标准格式数据将要被发送到的网段（即目的网段），据此，中间层调用相应反向编译器，将标准格式数据还原为目标地址所在网段的数据格式，完成跨网段数据格式的转换。

Claims

1.profinet 、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的profinet 、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法，其特征在于，所述的跨网段协议转换软件包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的profinet 、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法，其特征在于，所述跨网段统一调度软件，包括以下步骤：

4.根据权利要求2或3所述的profinet 、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法，其特征在于：如果上传报文为低速网段本网段的报文，则按低速网段各自协议栈进行处理；如下传报文为高速网段（profinet网段）本网段报文，则按高速网段协议栈进行处理。

5.根据权利要求4所述的profinet 、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法，其特征在于：如果该上传报文数据类型为协议数据，则将对接收报文重新打包；并由跨网段统一调度软件通过以太网接口将重新打包后的报文发送到profinet网段。

6.根据权利要求2或3所述的profinet 、FF H1、CAN和profibus协议之间转换和调度的方法，其特征在于：所述跨网段统一调度表是指profinet 上位机将运行FF H1 协议、CAN协议、profibus协议的现场设备中的功能块与运行profinet 协议的现场设备中的功能块组态后下载到profinet 控制器中的组态关系映射表，包括：欲发布实时数据的运行低速网段协议栈的现场设备中的功能块索引和标识、接收低速网段实时数据的profinet 现场设备中的功能块标识和索引、低速网段现场设备地址、和profinet 现场设备地址。