ORGANIZATION OF THE EXCHANGE BY INFORMATION IN INDUSTRIAL NETWORK ON BASE OF THE MODULES TO SERIESES ADAM-4000

Full Text

Введение. Постановка задачи В настоящее время практически все системы управления технологическими процессами и оборудованием являются распределенными, то есть представляют набор локальных управляющих устройств, объединенных промышленной сетью. Локальные управляющие устройства, называемые также узлами сети, выполняют свои локальные подзадачи управления. Совокупность этих локальных подзадач образует одну большую задачу управления объектом или группой объектов. Децентрализация задачи управления на ряд локальных подзадач с последующим построением на этой основе децентрализованных распределенных систем управления имеет два глобальных положительных эффекта: - децентрализация глобальной задачи управления на ряд более простых подзадач приводит к упрощению программного кода управляющих программ, а следовательно, к их более простой отладке и тестированию; - децентрализация системы управления на ряд подсистем позволяет приблизить управляющие устройства непосредственно к объектам управления, что снижает затраты на соединительные проводники и повышает помехоустойчивость системы управления. В настоящее время наука и промышленность предлагают целый ряд вариантов компоновок КРССДУ. Однако все они основываются на двух концепциях: - на основе модулей удаленного и распределенного ввода-вывода [1-4]; - на базе промышленных программируемых контроллеров [5-6]. Оба решения используют промышленную сеть для связи локальных управляющих устройств. На практике применяется смешанное решение, когда КРССДУ состоит и из модулей удаленного ввода-вывода, и из программируемых контроллеров. Продукция фирмы Advantech широко используется в России под маркой ADAM. Классификация оборудования марки ADAM на категории по функциональному назначению показана на рис. 1. «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 42 Кангин В.В., Ложкин Л. Д. Рис. 1. Классификация оборудования марки ADAM Рис. 2. КРССДУ на базе интерфейса RS-485 Имеется четыре категории оборудования марки ADAM (см. рис. 1): - модули удаленного и распределенного ввода-вывода; к ним относятся модули серий: ADAM-4000, ADAM-5000, ADAM-4100, ADAM-6000; - программируемые контроллеры серий ADAM-4500, ADAM-4501, ADAM-6500, ADAM-6501, ADAM-5510, ADAM-5550KW; - коммуникационные модули серий ADAM-4500, ADAM-6500, предназначенные для решения коммуникационных задач при построении промышленных сетей; - модули нормализации сигналов серии ADAM-3000 и модуль ADAM-4914V; эти модули являются вспомогательными и интеллектуальных функций не выполняют. На рис. 2 приведен пример организации КРССДУ на базе модулей серий ADAM-4000 и ADAM-5000. Кроме рабочих модулей, в состав сети входят: - Host PC - хост компьютер, который по сети опрашивает рабочие модули ввода информации, математически и логически обрабатывает принятую информацию и по сети передает воздействия в определенные модули вывода информации; в задачи хоста может входить визуализация на экране технологической информации, архивирование результатов, подготовка необходимых документов и т. д.; - преобразователь интерфейса RS-232 в RS-485 типа ADAM-4520. Промышленная сеть на рис. 2 показана штриховой линией: она содержит всего два проводника, число узлов в ней легко увеличивается и уменьшается. В качестве протокола обмена информацией может быть использован ASCII (American Standard Code for Information Interchange) - американский стандартный код для обмена информацией и Modbus/RTU. Следует отметить, что весь «интеллект» КРССДУ сосредоточен в одном месте - хосте. Модули удаленного и распределенного ввода-вывода предназначены лишь для приема информации с разнообразных датчиков, передачи информации хосту, приема управляющей информации от хоста и выдачи ее в исполнительные механизмы и устройства объекта управления. Обмен информацией между модулями и хостом регламентируется хостом и осуществляется в режиме диалога: запрос-ответ. Запрос реализуется в виде команды, которая содержит адресную часть - адрес модуля, которому она предназначена. Даже выдача управляющей информации из хоста в модуль вывода по сети осуществляется в режиме запрос-ответ. Таким образом, процесс управления в КРССДУ такого типа сводится, по сути, к формированию хостом команд, отправлению их в промышленную сеть и приему ответов от адресуемых модулей. В ОС Windows с портами компьютера (хоста) работают точно так же, как и обычными файлами: запись информации в файл, чтение информации из файла. Однако имеются и некоторые отличия, связанные с тем, что порт представляет собой физическое устройство и имеет ряд особенностей. Целью данной статьи является анализ программных средств среды Delphi, позволяющих работать с коммуникационными портами хоста и применение их на примере изменения сетевого адреса модуля ADAM-4055. Открытие порта Работа с портом начинается с его открытия. Для этого используется функция CreateFile, которая объявляется следующим образом: function CreateFile (lpFileName: PChar; dwDesiredAccess: DWORD; dwSchareMode: DWORD; lp Security Attribute s : «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 Кангин В.В., Ложкин Л. Д. 43 LPSECURITY_ATTRIBUTES; dwCreationDistribution: DWORD; dwFlagsAndAttributes: DWORD; hTemplateFile: THandle): THandle;. Эта функция имеет семь параметров. Рассмотрим их. Параметр lpFileName типа PChar представляет собой указатель на строку-имя COM-порта, записанное, например, в виде ‘\\.\COM5’. Параметр dwDesiredAccess типа DWORD определяет тип доступа к порту: только запись, только чтение, чтение и запись-GENERIC_ READ or GENERIC_WRITE. Параметр dwSchareMode типа DWORD - параметр совместного доступа. Для коммуникационных портов он равен 0. Параметр lpSecurityAttributes типа LPSECU RITY_ATTRIBUTES. Для коммуникационных портов он равен nil. Параметр dwCreationDistribution типа DWORD - режим автосоздания. Для коммуникационных портов он равен OPEN_EXISTING. Параметр dwFlagsAndAttributes типа DWORD - атрибут режима обработки. Для коммуникационных портов, работающих в асинхронном режиме, он равен FILE_FLAG_ OVERLAPPED. Параметр hTemplateFile типа THandle - описатель файла - шаблона. Для коммуникационных портов он равен 0. При успешном открытии порта функция возвращает его описатель - дескриптор типа THandle, который необходим для вызова других функций работы с портом. В случае ошибки функция возвращает значение INVALID_ HANDLE_ VALUE. Настройка параметров порта Существует несколько способов настройки порта для работы. Одним из самых простых и наглядных является способ настройка структуры DCB. Структурой DCB описываются основные параметры последовательного порта. Она содержит несколько полей, каждое из которых соответствует определенному параметру порта: - DCB.BaudRate - скорость передачи данных. Возможно указание констант - CBR_100, CBR_300, CBR_600, CBR_1200,..., CBR_256000; - DCB.Parity - метод контроля четности. Может содержать одно из следующих значений: EVENPARITY, MARKPARITY, NOPARITY, ODDPARITY, SPACEPARITY; - DCB. Byte Size - число информационных битов в передаваемых и принимаемых байтах. - DCB.StopBits - количество стоповых бит. Может быть ONESTOPBIT, ONE5STOPBIT, TWOSTOPBIT. Существуют две функции для работы со структурой DCB: - чтение текущих настроек порта: function GetCommState (hPort: THandle; DCB: TDCB): boolean; - установка новых настроек порта: function SetCommState (hPort: THandle; DCB: TDCB): boolean;. Здесь: - hPort: THandle -описатель открытого функцией CreateFile порта, - DCB: TDCB - указатель на структуру DCB. Настройка тайм-аутов порта Под тайм-аутом понимается время ожидания выполнения операций чтения или записи информации. В нашем случае речь идет о последовательном порте ввода-вывода информации. Для установки значений тайм-аутов используется структура COMMTIMEOUTS. Описание структуры COMMTIMEOUTS на языке Delphi имеет вид: PCommTimeouts =А TCommTimeouts; _COMMTIMEOUTS = record ReadIntervalTimeout: DWORD; ReadTotalTimeoutMultiplier: DWORD; ReadTotalTimeoutConstant: DWORD; WriteTotalTimeoutMultiplier: DWORD; WriteTotalTimeoutConstant: DWORD; end; TCommTimeouts=_ COMMTIMEOUTS; Структура COMMTIMEOUTS имеет следующие поля. - ReadIntervalTimeout - задает допустимый интервал ожидания в миллисекундах между получением двух символов. - ReadTotalTimeoutMultiplier - задает множитель в миллисекундах, используемый для вычисления полного времени ожидания операции чтения. Для каждой операции чтения это значение умножается на количество запрошенных байтов. - ReadTotalTimeoutConstant - задает константу, добавляемую к произведению, полученному при вычислении времени из ReadTotalTimeout Multiplier. Поля WriteTotalTimeoutMultiplier и WriteTotalTimeoutConstant аналогичны полям ReadTotalTimeoutMultiplier и ReadTotalTimeout Constant соответственно, но служат для передачи. Задание нулевого значения всех констант «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 44 Кангин В.В., Ложкин Л. Д. ReadXXX указывает на отсутствие тайм-аутов чтения, а всех WriteXXX - отключение тайм-ау -тов записи. Для получения текущих значений тайм-аутов порта используется функция GetCommTimeouts, а для их установки функция SetCommTimeouts. Эти функции объявляются следующим образом: - function GetCommTimeouts (hPort: THandle; lpCommTimeouts:TCommTimeouts): boolean; - function SetCommTimeouts (hPort: THandle; lpCommTimeouts: TCommTimeouts): boolean; Здесь: - hPort: THandle - описатель-дескриптор открытого порта; - lpCommTimeouts: TCommTimeouts - указатель на структуру TCommTimeouts. Настройки порта желательно производить сразу после его открытия. Чтение данных из порта Синхронное или асинхронное чтение данных из порта выполняется с помощью функции ReadFile. Формат заголовка ReadFile на языке Delphi имеет вид: function ReadFile ( hPort: THandle; lpBuff: pointer; lpCnt: DWORD; var lpCntByte: DWORD; lpOver: Poverlapped ): BOOL; Здесь: - hPort: THandle - описатель - дескриптор открытого с помощью функциии CreateFile порта; - lpBuff: pointer - указатель на буфер для записи принятых байт; - lpCnt: DWORD - размер буфера в байтах, то есть число байт, ожидаемых к приему или предназначенных для передачи; - var lpCntByte: DWORD - число фактически принятых или переданных байт; - lpOver: POverlapped - адрес структуры OVERLAPPED, используемой для асинхронного чтения или записи. Функция завершается, если прочитано необходимое число байт или произошла ошибка. Если чтение произошло успешно, то функция возвращает ненулевое значение. Перед чтением необходимо установить тайм-ауты ожидания с помощью функции Set-CommTimeouts. Передача данных в порт Синхронная или асинхронная передача информации в порт выполняется функцией WriteFile. Формат заголовка ReadFile на языке Delphi имеет вид: function WriteFile ( hPort: THandle; lpBuff: pointer; lpCnt: DWORD; var lpCntByte: DWORD; lpOver: Poverlapped ): BOOL. Параметры этой функции и их назначение точно такие, что и у функции ReadFile. В случае удачного завершения работы функции переменная lpCntByte содержит количество байт, записанных в порт из lpBuff, а сама функция принимает ненулевое значение. Проект. Изменение сетевого адреса модуля Целесообразно сконцентрировать внимание на таких важных вопросах, как открытие и настройка порта, задание нужного сетевого адреса модуля. Предполагается, что фрагмент сети, содержащий модуль конвертора ADAM-4561 и модуль ввода-вывода ADAM-4055, собран и подключен к порту COM или USB хоста. Кроме этого, на модуль ADAM-4055 подано рабочее напряжение +10 В...+30 В. Анализ ошибок, возникающих при работе с портами При работе приложения (программы) могут возникнуть ошибки, которые не позволят сети нормально функционировать. Первый тип ошибок связан с невозможностью открыть COM-порт. Другие ошибки могут быть такими: - не был запущен драйвер работы с портами, о котором говорилось в предыдущем разделе, - неверно указан номер порта или сеть подключена к другому порту, - имеются проблемы в работе аппаратуры COM-порта, сетевого кабеля и т.д. Второй тип ошибок связан с невозможностью нормальной работы модуля ADAM-4055. Примеры таких ошибок: модуль не настроен; модуль не подключен к сети или несправен. На рис. 3 приведен внешний вид диалогового окна, формируемого приложением. Рис. 3. Внешний вид диалогового окна «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 Кангин В.В., Ложкин Л. Д. 45 Необходимо ввести старый, новый адрес модуля в сети и щелкнуть по кнопке «ВЫПОЛНИТЬ». Если не появилось сообщений об ошибках, можно закрывать приложение, щелкнув по кнопке «Выход из программы». Модуль получает новый сетевой адрес; адреса необходимо записывать в шестнадцатеричной системе счисления - 00...FF. Рассмотрим процедуру, которая выполняет настройки порта, тайм-аутов, открывает порт. Она выполняется при щелчке по кнопке «Выполнить»: procedure TForm1 .Button4Click(Sender: TObject); begin //номер порта возьмем из окна Edit2. PortString := ‘\\.\COM’+Edit2.Text ; //пытаемся открыть порт CommHandle:=CreateFile(PChar(PortString), GENERIC_READ or GENERIC_WRITE, 0, nil, OPEN_EXISTING, 0, 0); if (CommHandle = INVALID_HANDLE_ VALUE) then begin //возникли проблемы с открытием порта MessageDlg(‘Не могу открыть порт’, mtError, [mbOK], 0); end else begin//проблем с портом нет, он открыт //читаем старые настройки DCB GetCommState(CommHandle, DCB); //подготавливаем новые настройки DCB // скорость обмена 9600 бод DCB.BaudRate:= CBR_9600; // бит четности не используется DCB.Parity:= NOPARITY; // обмен идет байтами (8 бит) DCB.ByteSize:= 8; // стоп-бит не используется DCB.StopBits:= OneStopBit; //готовим новые настройки CommTimeOuts CommTimeOuts.ReadIntervalTimeout:= 0; CommTimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier:= 0; CommTimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant:= 1000; // ждем 1 сек CommTimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier := 0; CommTimeOuts .WriteTotalTimeoutConstant := 1000; // ждем 1 сек //устанавливаем новые настройки DCB и //CommTimeOuts SetCommTimeouts(CommHandle, CommTimeOuts); SetCommState(CommHandle, DCB); // подготавливаем команду в модуль; в конце - //коды 13 и 10 символов возврата каретки и // перевода строки Buf:=’ %’ +Edit 1 .Text+Edit3 .Text+’ 400600 ’+ #13+#10; // отправляем команду через порт в модуль WriteFile (CommHandle,PChar(Buf)A, Length(Buf), NumberWritten, nil); Sleep(20); // ждем 20 миллисекунд // читаем из модуля ответ в буфер ответа ReadFile(CommHandle, BinBuf, 3, NumberWritten, nil); if BinBuf[0]<>’!’ then begin //пришел плохой ответ, выдаем сообщение об //ошибке и закрываем приложение MessageDlg(‘Ответа нет! Начнем сначала’, mtError, [mbOK], 0); Application.Terminate; end; end; end; Выводы 1. Показано, что проблема обмена информацией между компьютером-хостом и рабочими модулями ввода-вывода серии ADAM-4000 КРССДУ на базе промышленной сети может быть решена средствами среды визуального программирования Delphi с использованием структур DCB и CommTimeOuts. 2. Выполнен анализ ошибок, которые могут возникнуть при обмене информацией между хостом и рабочими модулями, проведена их классификация. 3. На основании проведенных исследований разработано универсальное приложение, позволяющее изменять параметры настройки COM(USB)-порта и сетевой адрес модуля ADAM-4055.

About the authors

V. V Kangin

Email: king202008@yandex.ru

L. D Lozhkin

Email: leon.lozhkin@yandex.ru

References

Supplementary files