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樓登峰，曹  瑩

1  引言
方興未艾的現(xiàn)場總線技術(shù)正在不斷改善控制器和現(xiàn)場儀表之間的通信方式，而控制器與上位監(jiān)控機(jī)之間的通信往往還建立在較為低速或其它專用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)信息要通過多層網(wǎng)絡(luò)，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換才能到達(dá)人機(jī)界面或企業(yè)的過程數(shù)據(jù)庫。隨著控制系統(tǒng)多界面支持的需求以及企業(yè)管控一體化需求的提高，傳統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在通信速率和組網(wǎng)靈活性上已很難滿足企業(yè)要求，那么能不能將控制器直接接入相對高速且組網(wǎng)靈活的以太網(wǎng)呢？美國OPTO22公司新近推出的SNAP I/OTM控制單元正是代表這一趨勢的典型產(chǎn)品之一。
2  OPTO22公司SNAP I/O產(chǎn)品的介紹
美國OPTO 22公司是一家專門設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制類產(chǎn)品的企業(yè)，其控制類產(chǎn)品在美國市場的占有率是處于較前列的。OPTO22產(chǎn)品的一大特點(diǎn)是它有自己的系統(tǒng)構(gòu)架和與之相對應(yīng)的一整套軟硬件解決方案。例如與它的上一代控制器MISTIC相配套，OPTO22公司提供了一整套的組態(tài)軟件，包括基于流程圖的過程控制設(shè)計(jì)軟件OPTO CONTROL。
2000年和2001年，OPTO22公司相繼推出了SNAP ETHERNET I/O和SNAP ULTIMATE I/O兩大類產(chǎn)品，它們模式相同，都是以SNAP I/O Processor（或稱Brain）為核心，在其構(gòu)架（rack）上再結(jié)合一些I/O模塊組成的一個(gè)SNAP I/O Unit，如圖1所示。與上一代的控制器和其它的PLC相比，SNAP I/O Unit體積更小，將控制層運(yùn)算更分散化，因此，稱其為控制單元更確切一點(diǎn)。
SNAP I/O控制單元有三大特點(diǎn)：
?  體積更小巧，運(yùn)算分散化，組網(wǎng)更為靈活。
?  支持以太網(wǎng)接入，設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口，可以選配無線收發(fā)器。
?  更趨通用，所支持的通信協(xié)議更廣，應(yīng)用XML（eXtensible Markup Language）協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)WEB監(jiān)控。

 
圖1  SNAP I/O Unit示意圖

應(yīng)用SNAP I/O控制單元構(gòu)建的新一代控制系統(tǒng)在通信速度、可靠性、可維護(hù)性和組網(wǎng)靈活性上都有很大的優(yōu)勢，其產(chǎn)品不僅可用于工業(yè)控制領(lǐng)域，還可以在智能建筑、智能家居領(lǐng)域得到很好推廣。

3  SNAP I/O Processor的各種以太網(wǎng)聯(lián)接方案
SNAP I/O Processor是SNAP I/O控制單元的運(yùn)算核心，在兩個(gè)香煙盒大小的Processor內(nèi)集成了CPU和一定量的RAM/ROM。由于SNAP I/O Processor提供的多種通信接口（RS-232/485、Arcnet、Ethernet），SNAP I/O Processor在硬軟件的聯(lián)接模式上是非常靈活多樣的。
SNAP I/O Processor提供多種聯(lián)網(wǎng)方式，典型的有以下五種：
?  通過交叉網(wǎng)線直接與PC相連。
?  掛接一個(gè)現(xiàn)有的TCP/IP以太網(wǎng)。
?  組建一個(gè)獨(dú)立的以太局域網(wǎng)。
?  通過Modem聯(lián)接。
?  利用無線收發(fā)器組建無線局域網(wǎng)。

 
圖2  SNAP I/O控制單元的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接

具體采用何種組網(wǎng)方案則主要要看監(jiān)控任務(wù)對通信速度的要求，網(wǎng)絡(luò)中PC和控制器的數(shù)量以及傳輸數(shù)據(jù)的安全性的要求。圖2是一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方案。
在軟件通信上，SNAP I/O Processor不僅可以通過XML實(shí)現(xiàn)WEB監(jiān)控，而且還可以通過E-mail或SNMP等方式傳遞事件的信息。之所以可以實(shí)現(xiàn)這多種的通信功能是基于SNAP I/O Processor在物理層、傳輸層和應(yīng)用層所擁有的多種通信協(xié)議，如圖3所示。

圖3  SNAP I/O Processor多樣的通信實(shí)現(xiàn)途徑

從圖3可以看到，SNAP I/O Processor在物理層支持10/100Mbps以太網(wǎng)聯(lián)接和Modem聯(lián)接，也支持無線局域網(wǎng)Wireless LAN的聯(lián)接；在傳輸層，SNAP I/O Processor支持TCP/IP和UDP/IP協(xié)議；在應(yīng)用層，由于SNAP I/O Processor內(nèi)部固化的格式程序和傳輸層的支持，使得上位機(jī)和控制單元之間可以方便地應(yīng)用多種通信模式，包括HTTP、SMTP、MODBUS、SNMP、IEEE-1394和數(shù)據(jù)流等。圖中最上一層示意的是作為上位機(jī)的PC或SERVER上應(yīng)用程序可采用的通信模式。
4  基于XML的SNAP I/O Processor以太網(wǎng)接入實(shí)現(xiàn)
作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，XML技術(shù)使數(shù)據(jù)本身和顯示格式相對獨(dú)立，從而使數(shù)據(jù)通信更為迅速，數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)、檢索更為便捷。SNAP I/O Processor內(nèi)部固化有XML文件，通過鏡像I/O模塊上的數(shù)據(jù)，這些XML文件可以方便地將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)或SERVER，這樣在Internet Explorer 5.0以上版本的瀏覽器中，就可以得到基于WEB的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息。
除了SNAP I/O Processor內(nèi)部固化的XML文件之外，用戶還可以自己編制和下載XML文件到控制器上，與之相對應(yīng)，用戶還需在上位機(jī)編設(shè)XSL文件和HTML文件，才能按理想的格式在瀏覽器上顯示監(jiān)控信息。下面就定制文件的這一過程，包括對XML技術(shù)的核心思想進(jìn)行以下介紹。
4.1  XML簡介
XML是90年代末興起的新一代標(biāo)識(shí)語言，現(xiàn)在各種介紹XML的書籍都把XML描述成有三大要素和若干特點(diǎn)的SGML（Standard Generalized Markup Language）類語言，但如果把XML和HTML（HyperText Markup Language）作一比較，也許可以對它的認(rèn)識(shí)會(huì)更形象一些：
?  XML是類似于HTML的語言，它們同是SGML的一個(gè)子集。
?  XML是被設(shè)計(jì)用來描述數(shù)據(jù)的；而HTML是數(shù)據(jù)和顯示格式一起描述的。
?  XML是可擴(kuò)展的，允許用戶自定義自己的標(biāo)記和自己的文檔結(jié)構(gòu)；而在HTML中所有的標(biāo)記和文檔結(jié)構(gòu)都是預(yù)先定義的，用戶只有權(quán)利使用規(guī)范的HTML標(biāo)記。
XML的起源思想是想在新一代的WEB構(gòu)架中將網(wǎng)站的文檔內(nèi)容、表現(xiàn)樣式和程序邏輯由不同的文件或程序來提供，這也就形成了XML語言在技術(shù)上較先進(jìn)的幾個(gè)特點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、良好的可擴(kuò)展性和在異構(gòu)環(huán)境中的應(yīng)用。
XSL（eXtensible Stylesheet Language）則是可以把XML文檔中的數(shù)據(jù)格式化地在瀏覽器上顯示的樣式單語言。因?yàn)閄ML文檔只是用來描述數(shù)據(jù)，其中的一些標(biāo)記是由用戶定義且不為瀏覽器所認(rèn)識(shí)的，所以，為了能夠正確顯示存放在XML文檔中的數(shù)據(jù)，需要另外的一個(gè)XSL文件將其轉(zhuǎn)換為格式化的HTML頁面。
4.2  生成和下載XML文件
生成和下載XML文件的過程可以分為三步來完成：
(1)  分析要采集的I/O數(shù)據(jù)點(diǎn)和要實(shí)現(xiàn)的控制功能，分配在各個(gè)XML文檔中的內(nèi)容。SNAP I/O Processor內(nèi)共有64KB的存儲(chǔ)空間供存放文件。
(2)  編制相應(yīng)的XML文檔，在其中可以應(yīng)用自己定義的各個(gè)標(biāo)記名。下面的程序演示了一個(gè)典型的XML數(shù)據(jù)采集文檔，其中的MemMap插件是I/O點(diǎn)的存儲(chǔ)映射地址。
<?xml version="1.0" standalone="yes"?>
<SwitchStatus>
 <Switch>
  <Name>A</Name>
  <State><!--#MemMap adr=F0800000&onoff=on/off--></State>
</Switch>
<Switch>
  <Name>B</Name>
  <State><!--#MemMap adr=F0800040&onoff=on/off--></State>
  </Switch>
</SwitchStatus>
(3)  編制完相應(yīng)的文檔后，就可以將XML文檔下載到SNAP I/O Processor，在這個(gè)過程中需要明確的是各個(gè)Processor的IP地址。下載的文檔經(jīng)過試運(yùn)行確認(rèn)無誤后，可以從SNAP I/O Processor的RAM再次寫入到控制器的Flash Memory中。
4.3  在I.E.瀏覽器中實(shí)時(shí)顯示采集信息
在Internet Explorer中要查看XML文件很方便，查看未經(jīng)格式化的XML文檔只需在I.E.地址欄輸入要查看的SNAP I/O Processor的IP地址和目標(biāo)文檔的全名即可。例如，要查看IP地址為10.22.55.01的控制器上的文檔，只需在上位機(jī)（可以是子網(wǎng)內(nèi)的任一臺(tái)PC/SERVER）輸入U(xiǎn)RL地址和文件名：http://10.22.55.01/SwitchStatus.xml。未經(jīng)格式化的XML數(shù)據(jù)在Internet Explorer中的顯示格式如下：
 <?xml version="1.0" standalone="yes"?>
-<SwitchStatus>
 -<Switch>
   <Name>A</Name>
   <State>Off</State>
 </Switch>
-<Switch>
   <Name>B</Name>
   <State>On</State>
  </Switch>
</SwitchStatus>
上面已經(jīng)提到，XML文檔只是用來描述數(shù)據(jù)而沒有格式化信息，如果要在Web瀏覽器中清晰顯示數(shù)據(jù)或利用JavaScript技術(shù)仿真測控儀表，則至少需要三個(gè)文件：控制器中的XML文檔、上位機(jī)中的XSL文件和HTML合成文件。HTML文件中的JavaScript程序段將調(diào)用XML文件中的數(shù)據(jù)和XSL文件中的格式信息，將它們合成后在瀏覽器中顯示，如圖4所示。

 
圖4    格式化后的XML文件顯示結(jié)果

4.4  在I.E.瀏覽器中設(shè)定輸出控制值
除了數(shù)據(jù)顯示，還可以通過相同的技術(shù)在瀏覽器上實(shí)現(xiàn)控制值的輸出設(shè)定。實(shí)現(xiàn)過程中，可以先定制一個(gè)HTML格式的輸出界面，其中至少包括一個(gè)數(shù)據(jù)輸入框和執(zhí)行的確認(rèn)按鈕，然后需要在XSL文檔中指定HTML文件所包含元素的屬性，包括接收設(shè)定量的參數(shù)地址、執(zhí)行后要返回的界面等。
下面的例子中說明了模擬量輸出設(shè)定的編設(shè)過程，開關(guān)量的設(shè)定過程基本相同，就不再贅述了。
第一步：設(shè)計(jì)一個(gè)HTML格式的輸出界面，如圖5所示；

 
圖5  模擬量輸出值的設(shè)定界面

第二步：在XSL文檔中指定HTML文件所包含元素的屬性，如下所示。

5  結(jié)語
基于XML技術(shù)的SNAP I/O控制單元以太網(wǎng)接入實(shí)現(xiàn)不僅從軟件上提供了一個(gè)高效、快捷、開放、靈活的實(shí)現(xiàn)途徑，而且在硬件上也深刻改變了控制系統(tǒng)上層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架模式，使應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以直接聯(lián)通控制單元。
通過這種實(shí)現(xiàn)途徑，不僅可以利用I.E.瀏覽器獲取遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)信息，并且在監(jiān)控生產(chǎn)過程的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息在數(shù)據(jù)庫中的快速存檔和加工。如果有合理的安全體系，甚至可以在世界的任何角落實(shí)現(xiàn)監(jiān)控任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：
[1]  孫德輝. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2002.5-7.
[2]  OPTO22. SNAP ETHERNET BRAIN USER’S GUIDE [Z]. 美國: OPTO22公司, 2002.
[3]  OPTO22. SNAP ULTIMATE I/O SYSTEM USER’S GUIDE [Z]. 美國: OPTO22公司, 2002.