基于IO映射的工业总线传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于IO映射的工业总线传输方法，设置输入区和输出区

【技术实现步骤摘要】
基于IO映射的工业总线传输方法


[0001]本专利技术涉及工业网络
，具体涉及一种基于IO映射的工业总线传输方法。

技术介绍

[0002]工业网络用于工业设备之间的数据交换，为工业应用的稳定运行提供基础支撑。工业网络中传输的数据主要是开关量、模拟量信号、控制指令等，数据长度短但通信的节点多，且对可靠性、实时性有着严格的要求。早期，工业设备使用模拟量通信进行数据交换，控制器通过电缆与传感器或者执行器直接相连。这种通信方式简洁、高效，可以为用户提供友好的数据访问接口，但是扩展性差，易受环境干扰。为提升扩展性和环境适应性，工业界和学术界设计了一系列工业总线技术，比如Profibus、CAN、Modbus等，有效改善了远程I/O控制和网络传输可靠性差等问题。但传统工业总线技术的带宽较低，不能满足工业现场急剧增长的大数据量传输需求。工业以太网总线是以传统以太网为基础，通过修改传统以太网的硬件或者软件结构，针对实时性、对短报文传输效率等工业需求进行深度优化，比如，EtherCAT、Ethernet/IP等。工业以太网总线具备开放架构的总线网络，相比于传统工业总线，具有高带宽、可扩展性强等特点。
[0003]随着工业4.0时代的到来，工业网络与信息网络将得到深度融合，工业网络的特点也发生了一些变化。第一，工业网络需要支持更大规模和更大维度的远程I/O控制。为更全面的描表征工业现场物理信息和实现精细化操作，需要部署大量传感器和执行器。传感器和执行器数量增加的同时，分布的空间范围也更加的广泛。第二，工业网络呈现强异构化特点，不同工业总线想要实现互联互通，通常需要借助专用网关。现有的工业总线有几十种，如FF、CAN、Profibus、EtherCAT等。不同的设备厂家对工业总线的支持不同，甚至一些设备厂家制定了专用的私有工业总线协议，并为了保证市场占有率，将私有协议与硬件设备进行了绑定。比如西门子支持Profibus、Profinet等协议，但不支持CAN总线。西门子的PLC如果需要访问CAN总线，只能通过专用网关才能实现互联互通。
[0004]为适应工业网络的新变化，工业现场引入了新的网络架构。当前的“二级网络架构”，即控制器(可编程控制器等)直接通过工业总线与I/O通信，会给控制器造成过大的通信开销，且不能较好的支持异构网络。需要将网络分层，划分为不同的子网，形成“三级网络架构”，即控制器到通信模块再到I/O节点的网络架构。这种网络架构下，传感器的数据首先汇聚到通信模块，再由通信模块发送给控制器；同样，控制器发往执行器的控制指令也由通信模块转发。此外，控制器与通信模块之间交互配置信息、状态信息等数据。因此，控制器与通信模块之间的数据传输，同时具有商业网络中报文数据长和工业网络中对可靠性要求高的特点。
[0005]现有的工业总线针对短报文进行了优化，比如Modbus/TCP、CANopen等，不适合长报文传输。而商业网络中的协议，如FTP、HTTP等，报文头开销大，不适合工业网络应用。此外，按照OSI七层协议模型，工业总线只定义了物理层、链路层和应用层，没有给出传输层的可靠传输方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种支持长报文、高可靠性的基于IO映射的工业总线传输方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所设计的基于IO映射的工业总线传输方法具体过程为：
[0008]S01：设置输入区和输出区
[0009]在控制模块和通信模块的地址区域均设置输入区和输出区，控制器模块与多个通信模块相连时控制器模块建立多个不同的输入区和输出区分别与多个通信模块的输入区和输出区呈一一对应设置；
[0010]输入区用于缓存从工业总线中接收的数据，输出区用于缓存发送到工业总线中的数据；
[0011]S02：建立地址映射
[0012]在控制器模块的输入区和通信模块的输出区相连，控制器模块的输出区与通信模块的输入区相连；控制器模块输出区的数据经过工业总线定时发送到通信模块中，由此建立控制模块的输出区和通信模块的输入区的地址映射；通信模块输出区的数据经过工业总线定时发送到控制器模块输入区中，由此建立通信模块输出区和控制模块输入区的地址映射；
[0013]S03：在控制器模块和通信模块设置输出区更新计时器，每次输出区更新数据开始计时，记为T1，每次输出区写入数据时清零。
[0014]进一步地，所述步骤S02中，控制器模块与通信模块通过以太网工作总线相连接，控制器模块通过定时发送以太网帧，将通信模块输出区的数据写入控制器模块对应的输入区，并将控制器模块输出区的数据写到对应通信模块的输入区。
[0015]进一步地，所述步骤S02中，定时发送的周期为数据传输的最大时延。
[0016]进一步地，所述控制器模块和通信模块数据发送的步骤相同，具体过程如下：
[0017]S11：检查控制器模块或通信模块输入区的握手编号与输出区的报文编号是否相同；如果不同，转到步骤S12；如果相同，则直接转到步骤S14；
[0018]S12：读取输出区更新计时器的当前值T1，检查T1是否大于数据失效时间阈值T2；如果T1<T2，转到步骤S13，否则转到步骤S14；
[0019]S13：等待时间t，跳转到S11；
[0020]S14：将新的报文编号和待发送数据写入输出区；
[0021]S15：重置输出区更新计时器的值。
[0022]进一步地，所述报文编号为标识当前数据编号的字段，握手编号为标识已读数据标号的字段；所述输出区的报文编号为待发送数据的报文编号、握手编号是本地已读取的输入区的报文编号；所述输入区的报文编号为接收到数据的报文编号、握手编号是发送方已读的报文编号。
[0023]进一步地，所述控制器模块和通信模块数据接收的步骤相同，具体过程如下：
[0024]S21：读取输入区的数据和报文编号；
[0025]S22：将输出区握手编号的值更新为输入区报文编号的值。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术工业总线可靠传输方法为低带宽开销；2)采用I/O映射的方式交互数据，为用户提供友好的通信接口，减少学习门槛；3)为
控制器模块与通信模块提供统一框架，可采用增量部署的方式进行部署，便于推广应用；
[0027]4)可靠性机制实现比较简单，便于软、硬件实现。
附图说明
[0028]图1为本专利技术基于工业总线的IO映射机制示意图；
[0029]图2为本专利技术输入区和输出区的字段定义示意图；
[0030]图3为本专利技术数据发送和接收过程示意图。
具体实施方式
[0031]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。
[0032]在一个工业现场控制网络中，传感器和执行器通过输入模块/输出模块与通信模块连接，再通过通信模块与控制器模块通信。为阐述本专利技术的
技术实现思路
，先介绍本专利技术使用的几个术语：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述传输方法具体过程为：S01：设置输入区和输出区在控制模块和通信模块的地址区域均设置输入区和输出区，控制器模块与多个通信模块相连时控制器模块建立多个不同的输入区和输出区分别与多个通信模块的输入区和输出区呈一一对应设置；输入区用于缓存从工业总线中接收的数据，输出区用于缓存发送到工业总线中的数据；S02：建立地址映射在控制器模块的输入区和通信模块的输出区相连，控制器模块的输出区与通信模块的输入区相连；控制器模块输出区的数据经过工业总线定时发送到通信模块中，由此建立控制模块的输出区和通信模块的输入区的地址映射；通信模块输出区的数据经过工业总线定时发送到控制器模块输入区中，由此建立通信模块输出区和控制模块输入区的地址映射；S03：在控制器模块和通信模块设置输出区更新计时器，每次输出区更新数据开始计时，记为T1，每次输出区写入数据时清零。2.根据权利要求1所述基于IO映射的工业总线传输方法，其特征在于：所述步骤S02中，控制器模块与通信模块通过以太网工作总线相连接，控制器模块通过定时发送以太网帧，将通信模块输出区的数据写入控制器模块对应的输入区，并将控制器模块输出区的数据写到对应通信模块的输入区。3.根据权利要求1所述基于IO映射的工业总线传输方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘松，施亮，胡泽超，尹礼航，成建伟，卜文俊，徐伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：