工业通信网关的实现

Posted 2020-10-09 evilcat

一、   工控网关是什么

        网关是物联网和工控系统的核心组件。网关起的是承上启下的作用。上即上位机，电脑/触屏监控系统、MES这些；下即下位机，包括PLC、传感器、嵌入式芯片等。

不同厂家的下位机，往往讲的是不同的语言，西门子的语言叫ProfiBus,施耐德的语言叫Modbus，AB的语言叫Ethernet IP。在楼宇自控领域，又有BACnet 。。

网关要担当沟通上、下位机的重任，它的基本功能就是翻译，即协议转换。管你说哪种方言，最后转给上位机的都是普通话。

二、   如何实现软网关：启下

•  网关是对下位机的抽象

程序就是对客观事物的抽象。网关如果要完整无误的转述各种下位机的“方言”，那一定是它能够提取出下位机的共性。

共性的部分，抽象成接口。特性的部分，在各自的类里实现。

分析之后，我认为下位机最重要的两个共性是：可读写性。可连接性。

这样就有了两个基本接口（在Dataservice项目中）：IReaderWriter,描述读写性。IDriver，描述连接性。

• 接口类图及继承关系

 

IReaderWriter接口的方法，都是和读写有关的：读入/写入一个位，读入/写入一字节、一个整数、一个浮点数、一个字符串。

这些方法都有一个共同的参数，DeviceAddress。代表一个下位机地址。

DeviceAddresss 是一个结构体。包含区域号Area,区块号DBNumber，起始位置Start,位号Bit。

区域包含区块，区块有起始地址，逻辑变量有位号。加上VarType描述数据类型（布尔型、整型、浮点型、字符型等等）,DataSize描述数据长度。

这样的四级地址加上数据描述，足够映射到任何一个下位机变量地址了。

IDriver 接口的方法，都是和连接有关的。Connect方法负责连接、IsClosed判断连接是否断开、TimeOut设置超时、OnClose事件在连接断开时触发。

ServerName属性表示下位机的IP或者主机名。由这样一些属性、方法，就可以定义一个下位机的连接了。

也许大家会问，为什么不把两个接口合并为一个？

因为一定有某种只具备连接性，不具备可读写性，或者只有可读写性，并没有可连接性的对象存在。

比如内存数据库对象。因为所有下位机的地址，都是各有各的表述方式，我在A小区X栋X号，我在B小区住独栋。

下位机的地址小区不同，门牌号不同，而且很可能是不连续的，散乱的。

要对这些乱七八糟的地址进行统一管理，就像这些来自五湖四海的客人，住到同一家大酒店。每个人从此只有一个标准化的地址：房号。

内存数据库ICache就是对下位机地址变量的映射。映射到一个连续的内存地址空间，便于统一编号，统一管理。

对内存数据库而言，它具有可读写性，但不需要可连接性。也就是只要继承IReaderWriter。

 

在这个继承图里，有一个抽象类专门描述PLC类型下位机的，就是IPLCDriver。

首先所有的PLC都具有可连接性，可读写性。因此两个接口都继承。

同时，PLC的地址往往表示为格式化的字符串。比如西门子地址可写为DB3,D122.1，Modubs为30001.1。

 GetDeviceAddress\\GetAddress两个方法就是对DeviceAddress 与字符串之间编码、解码。

PDU 是PLC的一个特殊属性。也就是报文的数据单元。

所有的PLC如西门子、三菱、AB、Modbus都继承于IPLCDriver 。

IFileDriver代表另一类下位机，比如来自数据库、文件流等。它们的共性是具有文件名FileName。

在类图里看到一个孤零零的IMultiReadWrite ，它是做什么的？

因为部分下位机支持批量读写，尤其在注重效率的场合，批量读写十分重要。一次读入几百个变量，和几百次读入单个变量，效率天壤之别。

因此IMultiReadWrite 要实现两个方法，ReadMultiple（批量读），WriteMultiple（批量写），参数都是一个DeviceAddress 数组。

如果你的下位机支持批量读写，直接继承这个接口并实现就可以了。如果读写时发现继承了这个接口，系统就会自动调用更高效的方式。

 

三、   如何实现软网关：承上

•  网关是对上位机变量的映射

一个能连接、能读写的下位机如果实现了，要想在界面显示，必须做一件事，

就是让下位机数据的变化，反映为上位机图形的变化。

比如这幅界面里的电机，启动后变绿；电流温度数据会显示并刷新。

要做到这一点，就必须有一个上下位机的中介：Tag。

Tag 这个对象，必须有一个上位机设计者理解的名字，比如1号马达运行信号，就叫做Motor1_Running。

这个名字，在下位机是不存在的。下位机只有呆板的地址，比如DB3,D122.1。

这些上位机设计者没必要知道。但他们一定知道这是一个布尔量，名字叫Motor1_Running。

因此网关还有一个必要的功能，下位机数据变化了，Tag值会相应变化，反过来也一样。

• Tag的结构 

因为上位机设计员只知道Tag的数据类型是整型、还是浮点数、还是布尔量，因此Tag也分IntTag、FloatTag、BoolTag等类型。

不管哪种类型的Tag,一定继承ITag抽象类。 ITag有Address属性，就是映射到DeviceAddress 。同时还有TimeStamp(时间戳)，Value(值），Quailty(数据质量）。

同样的，Tag本身也具有读写功能（Read,Write方法），也就是上位机对Tag的读写，最终反映为下位机对地址的读写。

而不同类型的Tag,自然就对应到上面所提到的IReaderWriter 接口，正好有匹配的读/写布尔量，读/写整型，读/写浮点型等等的方法。

这样，就把下位机设备和Tag变量的读写对应起来 了。

四、   下面的计划

• 完善功能。

请继续关注我的帖子，并提出宝贵意见和建议。

• 写一系列帖子，把架构、原理讲清楚。

       提纲和目录也拟好了。大致如下：

1. 网关层接口概述
2. 上下位机通讯原理
3. 如何实现一个设备驱动
4. 如何设计图元
5. VS插件模块及原理
6. 归档模块及文件格式
7. 如何进行功能扩展

github地址：https://github.com/GavinYellow/SharpSCADA。