Powerlink在热网监控系统中的应用设计

李 琦 卓 杰

（内蒙古科技大信息工程学院，内蒙古 包头 014010）

Powerlink在热网监控系统中的应用设计

李 琦 卓 杰

（内蒙古科技大信息工程学院，内蒙古 包头 014010）

针对热网远程监控系统的应用需求，对Powerlink实时工业以太网的特点及其应用于热网远程监控系统的可行性和优点进行了研究。在分析热网监控系统网络拓扑结构和通信特点的基础上，提出了包含一个主节点和若干个从节点的Powerlink热网远程监控系统的架构，讨论了控制系统的硬件设计，以及运用FreeRTOS嵌入式实时操作系统的应用软件设计。通过在一个原型系统上的实验，验证了设计的可行性，满足热网远程监控系统的性能要求。

嵌入式系统 Powerlink 工业以太网 FreeRTOS 热网监控系统

0 引言

由于集中供热方式“高效、节能”，其已经成为我国北方地区的主流供热方式。近年来，随着计算机技术和网络通信技术的发展，热网远程监控系统得到了普遍的应用［1］。热网远程监控系统一般由一个监控中心和若干个热力站组成。在目前的主流系统中，热力站内部一般采用现场总线方式通信，监控中心通过GPRS网络与热力站通信，实现远程的数据采集与控制。

随着以太网技术的飞速发展，其已经成为通信领域的主导技术。现场总线的通信速率比以太网低很多，把以太网作为工业控制的解决方案并逐渐取代现场总线技术是未来工业控制的发展方向。另外，以太网有着“一网到底”的优势［2］，便于与上层系统的集成。Powerlink协议具有较好的实时性、便于开发移植等特点，在工业控制领域有着比较广泛的应用前景。2012年3月，Powerlink协议被国家标准化管理委员会批准为首个中国国家推荐性标准。

目前，国内外学者对Powerlink协议的研究大多集中于其在运动控制领域的工程应用，而对基于Powerlink的热网远程监控系统的研究与应用相对较少［2－3］。本文对已有的热网远程监控系统进行扩展改造，深入研究Powerlink协议并将其应用于热网监控设备上。

1 热网远程监控系统通信方式概述

热网监控系统由监控管理中心和若干个监测站组成，如图1所示。

图1 热网监控系统Fig.1 The heating network monitoring system

热网监控系统分为三部分：①监控中心；②数据传输模块；③现场数据采集模块。热网远程监控系统是利用计算机和监控设备进行组网，达到对热力站的实时监测和控制的系统，将各个热力站所采集的数据反馈到控制中心，并通过上位机下达控制命令对现场控制器进行调整。

每个监控单元节点由A/D采集模块、I/O控制模块以及GPRS通信模块组成。在传统的通信方式下，它们之间采用背板总线或RS-485方式通信，监控单元和监控中心通过 GPRS/ADSL网络实现远程通信。RS-485等现场总线的通信方式速率较低，在对实时性要求高的场合难以胜任，而且异构网络的存在需要通过网关等实现异构系统的通信。随着以太网技术的快速发展，工业生产中对传感器数据采集与执行机构的控制设备正被以太网所覆盖，嵌入式以太网终端是嵌入式设备网络化的发展方向。

2 工业以太网和Powerlink简介

2.1 几种主流工业以太网技术的比较

在工业控制领域，实时以太网技术被认为是控制系统网络的最好解决方案［5］。比较成熟的实时以太网协议标准有：Powerlink、EtherNet/IP、Modbus TCP、ProfinetRT、EtherCat、Mechatrolink等。这些协议从性能上可分为两类：高实时总线和低实时总线。

高实 时 性的总线 包 括 Powerlink、EtherCat、Mechatrolink。其中Powerlink实际的实时性能最高为100μs的循环周期，EtherCat实际的实时性能最高为250μs的循环周期。在这三种总线中 EtherCat和Mechatrolink需要用专用的ASIC才能实现。EtherCat和Mechatrolink协议在设计的过程中只是实现了DDL层和PHY层，对于应用层则没有涉及。因此，用户在拥有了ASIC之后需要自己编写应用层代码，而且不同的设备之间不能互相通信。

低实时性的总线包括EtherNet/IP、Modbus TCP、Profinet RT。这三种总线可以用普通的以太网实现，但是他们基本上是对TCP/IP协议的修改或补充，没有从根本上解决通信实时性的需求。

与其他工业以太网技术标准相比，Powerlink具有明显优势。它是在普通以太网上实现的方案，无需ASIC芯片，用户可以在各种平台上实现Powerlink，如FPGA、ARM、x86等。有以太网的地方，就可以实现Powerlink。在工业以太网的应用中，有很多对系统的实时性要求非常高，例如伺服控制系统的应用要求通信高动态同步，同时还有对系统刷新要求不是很高的数据实时采集与测量，一般要求在5～10 ms的刷新时间。将Powerlink协议应用于热网控制器上，不仅能显著提升控制器的性能，而且可以降低开发成本，具有十分重要的意义。

2.2 Powerlink协议的工作原理

Powerlink基于IEEE 802.3u快速以太网，是工业实时以太网协议的一种。它主要是对普通以太网的数据链路层进行修改，使数据的传输有了确定性的保证，而且适用于任何标准以太网芯片［3］。普通的以太网在通信的过程中采用CSMA/CD作为其介质访问方式，数据通信的确定性无法保证，因而无法在工业控制中得到广泛的使用。

PowerLink运用时间槽通信网络管理机制（slot communication network management，SCNM）［4］来避免通信过程中可能产生的数据碰撞。时间槽管理机制（SCNM）如图2所示。

图2 时间槽管理机制原理Fig.2 Principle of slot communication network management（SCNM）

在Powerlink控制系统网络中有且只有一个节点单元作为管理节点，用MN表示，其他节点作为控制节点，用CN表示。管理节点是整个系统的控制中枢，支配着其他若干控制节点的运行，管理着控制节点的数据传输。

时间槽通信周期包括起始阶段、同步阶段、异步阶段和空闲阶段四个阶段。这四个阶段的通信时间由管理节点在系统动作的初始阶段预先设定。管理节点负责监督管理各阶段循环时间，以防止不同阶段的通信发生冲突。

①起始阶段，MN发送SOC帧，其他CN将接收到此帧的时间作为本节点的同步节拍，就此同步。

②同步阶段，所有节点进行同步信息交换。MN以轮询方式依次向各个CN节点发送PollReq（PollRequest）帧，CN节点响应广播PollRes（PollResponse）帧，其他所有节点都可以接收此帧。所有激活的CN都轮询完毕后，MN发送轮询结束（end of cyclic，EOC）帧，结束同步阶段。

③异步阶段，主要传输的是非实时数据，节点间交换非实时信息。MN发送异步启动（start of asynchronous， SOA）帧。SOA帧用来标记没有被激活的帧，若某CN有响应，此响应的标记为激活CN。

④空闲阶段是异步阶段结束和下一循环开始之间的时间间隔。

2.3 Powerlink应用优势

Powerlink的以上特点使其在热网远程监控系统中有很好的应用优势，具体如下。

①通信时间的确定性

Powerlink采用时间槽管理机制，各节点在统一的时钟信号指导下，在固定的时间槽内实现数据的收发，确保了在特定的时间段只有一个控制节点收发数据，真正实现了确定性实时通信。

②应用层采用CANopen协议

热网监控系统中各传感器、控制设备之间需要传输的数据比较庞大，此外现场采集模块之间也要进行大量的信息交互传输。因此，Powerlink在应用层采用CANopen，并定义了对象词典，使得不同的设备之间可以无障碍通信。

③交叉通信

在没有管理节点的支配前提下，各个从节点之间进行数据传输。由于从节点在发送数据的时候都是以广播的形式向各个站点发送，因此在一个通信周期内所有节点都可以收到此从节点发送的数据。

3 基于Powerlink的热网远程监控系统

3.1 系统网络架构

基于Powerlink实时工业以太网协议的热网监控网络的搭建，选用以太网HUB同时配合路由器将整个系统接入互联网。网络架构如图3所示。

图3 系统网络架构Fig.3 Architecture of the system network

根据控制节点的功能不同，将其分为三个类型，即开关量、A/D采集量、控制器设备。管理节点通过以太网HUB与控制节点相连。不同Powerlink控制单元通过路由器连接到互联网上或者工业底层网络。

3.2 控制器硬件设计

控制器的硬件设计主要是在实验室已有的热网监控模块基础上整合其他通信接口扩展网络接口。考虑系统要有较好的动态响应和较好的静态稳定精度控制要求，采用ARM（STM32F407ZGT6）与DP83848CVV完成控制器主要硬件部分的设计开发。

图4 控制器硬件框图Fig.4 Block diagram of the controller hardware

控制器硬件框图如图4所示。控制器的硬件设计是根据“一网到底”这一基本原则，整个控制器平台和外界的通信仅通过10 M/100M网口实现。控制器以STM32F407ZGT6单片机最小系统为核心部件，包括板载的按键、LCD、4路开关量输入、4路开关量输出、4路模拟量输入、2路模拟量输出、JTAG调试接口。4路模拟量输入作为温度、压力采集的输入端口，8路开关量输入输出作为I/O设备组控制信号的通信端口。Powerlink是基于标准以太网硬件平台的工业实时以太网协议，所以能实现以太网的平台，一般都能实现Powerlink。本设计的应用背景是热网监控系统，对系统通信的速率要求低于伺服驱动系统，控制器硬件平台的设计考虑的是数据传输的确定性。

设计中采用的STM32F407ZGT6是意法半导体推出的一款高性能32位微控制器，基于ARM Cortex-M4内核。STM32F407GT6内部集成有高性能以太网MAC，需要兼容网卡接口芯片如DP83848CVV才可以完成以太网应用。高性能的DP8384CVV芯片作为10M/100M以太网PHY，完全符合Powerlink对于硬件平台的要求。采用RMII接口与STM32F407完成数据交换。

3.3 软件设计

应用软件在MDK环境下开发。Powerlink协议栈是开源的，底层的通信不需要做修改［7］。软件移植包括FreeRTOS的移植、Powerlink移植、应用程序的移植。软件架构如图5所示。

图5 软件架构Fig.5 Software architecture

从下至上，软件设计采用模块化设计，上位机程序与其他模块通过队列进行通信。在Powerlink协议栈移植的过程中，需要修改的源码有如下几个：Ethernet Driver（Edrv*.c）、Virtual Ethernet Driver（Virtual Ethernet*.c）、Timermodules（EplTimeru*.c，EplTimerHighResk*.c）、Communication Abstraction Layer、EPL APILayer（EplApi*.c）。另外，对象字典在Powerlink协议中是很重要的部分而且是和应用紧密相关的，当用户在其产品中实现Powelink时，只需要修改源码中的对象字典。Powerlink协议会根据配置信息，将对象字典中一些对象的值打成数据包发送出去，同时根据配置信息，将收到的一些数据存入对象字典中相应的对象。

在Powerlink应用中，采用FreeRTOS轻量级实时操作系统进行任务调度。以PC机作为管理节点（MN），两个控制器作为控制节点（CN）实现Powerlink。MN、CN的启动程序大部分是相同的，只有节点ID和配置的发送数据不同。程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图Fig.6 Program flowchart

4 Powerlink控制器系统调试

系统的调试分为控制器软硬件调试和Powerlink协议栈通信测试等。硬件调试，主要是验证硬件电路与设计电路的一致性；软件方面，主要是验证被控对象的动作是否正常。当从站有按键动作，主站用户任务调用EplApiReadLocalObject（）读取从站的按键值，从站openPowerlink协议栈任务运行LED灯点亮，同时主站控制另一个从站的LCD显示Powerlink通信成功字样。

对于控制系统通信过程的诊断、数据捕捉，系统通过Wireshark来实现。Wireshark可以诊断以太网协议，Powerlink是基于普通以太网的，因此也可以使用该工具进行诊断，并获取网络上的Powerlink数据包。Wireshark捕捉系统的通信周期波动区间为1～4 ms，抖动约为25μs，属于毫秒级，满足大多数工业现场的实时要求。

5 结束语

本方案通过设计Powerlink通用工业控制器，并且经过软件、硬件测试符合热网监控系统的现场要求，整合了工业控制器中传统的通信方式，真正实现了“一网到底”的设计理念，实现了ARM嵌入式控制器通过工业以太网与计算机组网。将控制系统应用于热网监控系统中，可以实现对现场环境数据的实时监测与控制。

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Application Design of the Heating Network Monitoring System Based on Powerlink

In accordance with the demand for the application of remote heating network monitoring system，the features of the real time industrial Ethernet Powerlink and the feasibility and advantages of using it in heating network remotemonitoring system are researched.On the basis of analysing the topological structure of such monitoring system and the communication characteristics，the architecture of the Powerlink heat network remotemonitoring system composed of amaster node and several slave nodes is proposed，and the design of hardware of control system，and application software using FreeRTOS embedded real time operating system is discussed.Through experiments on a prototype system，the feasibility of the design is verified；it is able tomeet the requirements of performance for heating network remotemonitoring system.Keywords：Embedded system Powerlink Industrial Ethernet FreeRTOS Heating network monitoring system

TP29

A

内蒙古自然科学基金资助项目（编号：2012MS0910）。

修改稿收到日期：2013－09－25。

李琦（1973－），男，2002年毕业于同济大学系统工程专业，获硕士学位，副教授；主要研究方向为智能优化控制和工业远程控制等。