楊勇波，陳纓，羊靜，曾榮，崔弘，徐敏，劉堃

（1.四川電力科學(xué)研究院，四川成都610071；2.四川啟明星蜀達(dá)電氣有限公司，四川成都610081）

現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來發(fā)展迅速的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為一項(xiàng)以感知、控制、數(shù)字通信等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，并受到世界范圍的關(guān)注[1-2]。

盡管國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）從1984年開始制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，但由于：1）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，特別是能效管理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備多種多樣，整個(gè)系統(tǒng)常常會(huì)包含有多種物理接口和協(xié)議接口。這些接口之間從電氣特性到通信規(guī)約彼此互不兼容，無法直接互聯(lián)互通；2）很多具有國(guó)際影響力的公司都先后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的開發(fā)，但各自從自身利益出發(fā)，都希望以自有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)帶來的結(jié)果就是，不同廠家的產(chǎn)品各自為政，造成多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的現(xiàn)狀。

上述原因?qū)е铝巳缃窆I(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)多種總線接口、協(xié)議并存，不同總線系統(tǒng)之間互不兼容、邏輯上彼此隔離，大大降低了總線系統(tǒng)間的互聯(lián)性和互操作性，給整個(gè)工業(yè)管理系統(tǒng)的實(shí)施、維護(hù)和擴(kuò)展造成了很大的困難[3]。

如今，對(duì)于異構(gòu)總線系統(tǒng)融合，歸納為終端兼容和網(wǎng)關(guān)兼容2種模式[4-6]：

1）終端兼容

終端兼容模式是指通過在原始終端設(shè)備上集成同類總線，從而使本來不兼容的總線設(shè)備能夠彼此通信。終端兼容模式平面示意圖如圖1所示，設(shè)備X、設(shè)備Y分別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)里的2類設(shè)備，總線A、總線C分別是設(shè)備X、設(shè)備Y特有的總線類型，而總線B 即是設(shè)備X與設(shè)備Y 集成的共有總線。終端兼容模式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是成本過高，而且可移植性差。

圖1 終端兼容模式

2）網(wǎng)關(guān)兼容

網(wǎng)關(guān)兼容模式是指不修改終端設(shè)備，但在不同類型的總線設(shè)備之間增加專門的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)集成了需要相互通信的總線類型的硬件、軟件接口，負(fù)責(zé)完成不同類型的總線設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)關(guān)兼容模式平面示意圖如圖2所示，設(shè)備X、設(shè)備Y分別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)里的2類設(shè)備，總線A、總線B分別是設(shè)備X、設(shè)備Y 特有的總線類型，而網(wǎng)關(guān)集成了總線A、B 2種總線類型，并負(fù)責(zé)設(shè)備X與設(shè)備Y之間的數(shù)據(jù)交換。如果現(xiàn)場(chǎng)增加設(shè)備Z，且設(shè)備Z的總線類型為C，則網(wǎng)關(guān)也需要相應(yīng)增加對(duì)總線C的支持。

圖2 網(wǎng)關(guān)兼容模式

綜上，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，異構(gòu)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互主要采用終端兼容模式或網(wǎng)關(guān)兼容模式。終端兼容模式因?yàn)槌杀具^高、可移植性差，所以應(yīng)用范圍有限。而網(wǎng)關(guān)兼容模式具有降低系統(tǒng)整體成本、提高系統(tǒng)靈活性的優(yōu)點(diǎn)，是異構(gòu)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互主要采用的模式。但是，現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)兼容模式大多只是從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了描述，如果現(xiàn)場(chǎng)總線類型增加，沒有良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)備將難以統(tǒng)一管理，系統(tǒng)的復(fù)雜度將大大增加；其次，網(wǎng)關(guān)兼容模式中，網(wǎng)關(guān)是影響系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)，如果網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)不好，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)受到嚴(yán)重響應(yīng)；最后，針對(duì)沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議管理的總線，例如485總線，如何針對(duì)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)框架給出一個(gè)通用的架構(gòu)是有待解決的問題。

1 HABA總線架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上的問題，本文中提出了一種通用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議架構(gòu)—HABA(Hierarchical Agent Bus Architecture)。HABA 運(yùn)行于網(wǎng)關(guān)設(shè)備之上，在網(wǎng)關(guān)兼容模式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種分層的、多代理機(jī)制，并給出了不同類型的總線、以及同類型但沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持的總線上掛載不同類型設(shè)備的高效管理方法，從而能夠承載多種異構(gòu)的總線類型，并實(shí)現(xiàn)高效互聯(lián)互通，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)由四類Agent組成，分別是Bus_Agent、Device_Agent、Manage_Agent和Data_Agent。

圖3 HABA系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

Bus_Agent描述系統(tǒng)中的各類總線接口，De-vice_Agent描述系統(tǒng)中的各類設(shè)備。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)中可能存在多種總線類型，如ModBus、CANBus、Ethernet等；而每類總線上可能掛載了多個(gè)設(shè)備，如ModBus總線上分別掛載了溫度、濕度等多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備。同時(shí)，每個(gè)終端設(shè)備通常具有多種總線接口，如一個(gè)電力數(shù)據(jù)采集設(shè)備同時(shí)支持Mod-Bus和電力線載波通信方式?？梢?，系統(tǒng)中總線與設(shè)備是密切聯(lián)系的。從系統(tǒng)角度來看，總線與設(shè)備之間是多對(duì)多的關(guān)系，但同時(shí)，一個(gè)Bus_Agent可能對(duì)應(yīng)于多個(gè)Devcie_Agent，一個(gè)Devcie_Agent可能對(duì)應(yīng)于多個(gè)Bus_Agent。從圖3可以看到，系統(tǒng)中可能存在著N個(gè)Bus_Agent與N個(gè)Device_Agent，分別 用Bus1_Agent至BusN_Agent、Devcie1_Agent至DevcieN_Agent表示，它們分別是Bus_Agent與Devcie_Agent的實(shí)例化。

Bus_Agent與Device_Agent之間的關(guān)系通過Manage_Agent來體現(xiàn)。Manage_Agent是虛擬管理代理，用于管理系統(tǒng)中各類總線接口和設(shè)備、維護(hù)總線接口和設(shè)備之間多對(duì)多的關(guān)系，是Bus_Agent與Devcie_Agent的橋梁。同時(shí)，Manage_Agent為Data_Agent提供總線和設(shè)備訪問的接口。正是因?yàn)镸anage_Agent的存在，可以實(shí)現(xiàn)不同類型的總線與設(shè)備的統(tǒng)一管理，保證良好的可移植性。

Data_Agent提供接收數(shù)據(jù)分揀、過濾、排隊(duì)、計(jì)算的一系列算法，并由此得到最終的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。如果有必要，再將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的應(yīng)用層處理流程。Data_Agent不需要關(guān)心總線、設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)，只需要關(guān)心應(yīng)用層數(shù)據(jù)，即系統(tǒng)的應(yīng)用邏輯。

1.2 工作原理

HABA 從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種分層的多代理機(jī)制，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署系統(tǒng)中存在的各類總線、設(shè)備有機(jī)管理起來。

采用UML類圖來描述HABA 內(nèi)部各個(gè)Agent功能以及各個(gè)Agent之間的相互依賴關(guān)系，見圖4。

圖4 HABA系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中每類總線接口需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Bus_Agent。Bus_Agent提供同類總線的一致操作接口，如Register（）注冊(cè)自身總線類型、UnRegistered（）注銷自身總線類型、Read（）接口從總線讀數(shù)據(jù)、Write（）接口往總線寫數(shù)據(jù)等。每個(gè)物理設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Device_Agent實(shí)例。Device_Agent的AddDevice（）、RemoveDevice（）接口分別用于在系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)增加、刪除設(shè)備，Packed（）、UnPacked（）接口分別用于打包、解包設(shè)備自定義的私有協(xié)議。Device_Agent在調(diào)用AddDevcie（）接口的時(shí)候，要指定設(shè)備自身對(duì)應(yīng)的Bus類型，Bus類型可以是多個(gè)。也就是說，每個(gè)設(shè)備在加入系統(tǒng)時(shí)必須要指定至少一類掛載的總線類型。例如，在綜合能效管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)部署溫濕度傳感器、流量傳感器，并且掛載在同一個(gè)485總線上。那么，首先需要在系統(tǒng)中注冊(cè)Bus_Agent，對(duì)應(yīng)于485總線，并實(shí)現(xiàn)485總線對(duì)應(yīng)的Read（）、Write（）接口。其次增加2個(gè)Device_Agent，分別對(duì)應(yīng)于溫濕度傳感器和流量傳感器。2個(gè)Device_Agent分別實(shí)現(xiàn)自己的AddDevcie（）、RemoveDevcie（）、Packed（）、Un-Packed（）方法，用于添加溫設(shè)備、移除設(shè)備以及打包、解包傳感器對(duì)應(yīng)的私有協(xié)議。

Manage_Agent提供Register（）、Unregistere（）接口，支持在系統(tǒng)中注冊(cè)、注銷一類總線接口；提供AddDevcie（）、RemoveDevice（）接口，支持在系動(dòng)態(tài)增加、刪除設(shè)備?？偩€只與設(shè)備本身的硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)，與是否掛載了設(shè)備無關(guān)。同時(shí)Manage_Agent支持FindDevcie（）、FindBus（）、WaitBusEvent（）等接口，分別用于通過Bus 查找對(duì)應(yīng)的Devcie、通過Devcie查找對(duì)應(yīng)的Bus以及等待總線事件。

Data_Agent提供GetMessage（）接口等待應(yīng)用層數(shù)據(jù)；Process（）接口根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀、過濾、排隊(duì)、計(jì)算，得到最終的應(yīng)用層數(shù)據(jù)[7]。

圖5 HABA系統(tǒng)內(nèi)部Agent運(yùn)行序列圖

采用動(dòng)態(tài)的序列圖來描述Agent 交互的工作過程，如圖5所示。首先需要實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的Bus_Agent實(shí)例，該Bus_Agent實(shí)例對(duì)應(yīng)于一類總線。然后調(diào)用Register（）接口（實(shí)際上是調(diào)用的Manage_Agent的Register（）接口），在系統(tǒng)中注冊(cè)該Bus_Agent。此時(shí)，該總線上并未掛載任何設(shè)備。某個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的Device_Agent實(shí)例，并調(diào)用AddDevice（）接口（實(shí)際上是調(diào)用的Manage_Agent的AddDevice（）接口），在系統(tǒng)中注冊(cè)該設(shè)備，即實(shí)現(xiàn)了在對(duì)應(yīng)的總線上掛載該設(shè)備。自身對(duì)應(yīng)于485總線，其次增加2個(gè)Device_Agent，分別對(duì)應(yīng)于溫濕度傳感器和流量傳感器。2個(gè)Device_Agent分別實(shí)現(xiàn)自己的UnPacked（）、Packed（）方法，用于解包、打包特定設(shè)備的私有協(xié)議。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行起來以后，Manage_Agent收到485總線上發(fā)送來的消息，調(diào)用FindDevice（）方法找到對(duì)應(yīng)485總線上掛載的設(shè)備，再依次調(diào)用設(shè)備自身的UnPacked（）方法，嘗試解包其私有協(xié)議。解包完成后，得到應(yīng)用層的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)給Data_Agent做進(jìn)一步處理。Data_Agent收到數(shù)據(jù)后，調(diào)用Process（）方法，再根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀、過濾、排隊(duì)、計(jì)算，得到最終的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，如果有響應(yīng)，則Data_Agent調(diào)用Send（）將響應(yīng)發(fā)送給指定設(shè)備。同樣，Manage_Agent首先調(diào)用Packed（）根據(jù)特定協(xié)議打包數(shù)據(jù)，然后調(diào)用FindBus（）找到設(shè)備對(duì)應(yīng)的總線接口，最后調(diào)用Bus_Agent的Write（）接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定設(shè)備。

2 能效監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

綜合能效管理系統(tǒng)一個(gè)局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。能效監(jiān)測(cè)終端連接各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如數(shù)字溫控儀、氣體流量?jī)x、網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控器等，支持通過RF 通道與手持能效掌機(jī)通信，同時(shí)通過以太網(wǎng)通道與能效管理平臺(tái)通信。能效監(jiān)測(cè)終端一方面將各類現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到能效管理平臺(tái)，另一方面接收來自能效管理平臺(tái)的各類命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。圖6中能效監(jiān)測(cè)終端就是基于HABA設(shè)計(jì)。

圖6 綜合能效管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能效監(jiān)測(cè)終端中Manage_Agent采用Singleton單件設(shè)計(jì)模式，其接口實(shí)現(xiàn)大致如下：

以能效監(jiān)測(cè)終端的ModBus總線為例，創(chuàng)建ModBus總線類型，Bus_Agent_ModBus,

實(shí)現(xiàn)其Register接口：

能效監(jiān)測(cè)終端的ModBus總線上掛載有3個(gè)設(shè)備，分別是數(shù)字溫控儀、氣體流量?jī)x和網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控儀，分別對(duì)應(yīng)于3個(gè)Device_Agent：

3個(gè)Device分別實(shí)現(xiàn)自己的接口，以Device_Agent_DagitalThermostat為例，其AddDevcie 接口大致如下：

當(dāng)ModBus總線上接收到數(shù)據(jù)時(shí)，Manage_Agent分別調(diào)用3個(gè)設(shè)備的UnPacked（）接口嘗試解析數(shù)據(jù)，3個(gè)設(shè)備必然有一個(gè)能夠正確解析出數(shù)據(jù)，從而得到應(yīng)用層數(shù)據(jù)。Manage_Agent再將應(yīng)用層數(shù)據(jù)發(fā)送給Data_Agent。Data_Agent調(diào)用Process（）接口根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀、過濾、排隊(duì)、計(jì)算，得到最終的用戶數(shù)據(jù)。

當(dāng)Data_Agent處理完用戶數(shù)據(jù)，再調(diào)用Send-To（）接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給Manage_Agent（）。顯然，數(shù)據(jù)的目的地是設(shè)備而不是總。因此，Data_Agent調(diào)用SendTo（）同時(shí)指定目的設(shè)備。大致如下：

最后通過Bus_Agent調(diào)用Write（）方法將數(shù)據(jù)從總線上發(fā)送到指定的設(shè)備。

3 性能比較

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估方法是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)識(shí)與深入研究的重要手段?，F(xiàn)場(chǎng)總線的性能指標(biāo)大致分為技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和其他指標(biāo)[8]。技術(shù)指標(biāo)又可分為靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。針對(duì)綜合能效管理系統(tǒng)，選取網(wǎng)絡(luò)利用率、丟包率作為技術(shù)指標(biāo)；選取系統(tǒng)成本作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

選取綜合能效管理系統(tǒng)部署實(shí)例——德陽(yáng)第二重型裝備股份有限公司能效綜合管理系統(tǒng)作為HABA 架構(gòu)性能評(píng)估的平臺(tái)。系統(tǒng)部署于二重自由鍛造車間，該車間具有32個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署一個(gè)監(jiān)測(cè)終端，監(jiān)測(cè)終端硬件平臺(tái)采用ARM Cortex-M3，并分別有各類能耗數(shù)據(jù)的傳感器，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別監(jiān)測(cè)車間內(nèi)熱爐、風(fēng)機(jī)等實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，監(jiān)測(cè)終端分別通過485總線、以太網(wǎng)以及無線通信方式與各類傳感器連接，并讀取各類能耗數(shù)據(jù)。

在此條件下，分別采用終端兼容方式、普通網(wǎng)關(guān)兼容和HABA結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)能效監(jiān)測(cè)終端的功能，并分別從各技術(shù)指標(biāo)比較終端兼容模式、網(wǎng)關(guān)兼容模式、HABA模式三者的性能。

圖7是3種模式網(wǎng)絡(luò)利用率的比較，從圖7可見，HABA模式、網(wǎng)關(guān)兼容模式網(wǎng)絡(luò)利用率明顯高于終端兼容模式。這是因?yàn)镠ABA模式、網(wǎng)關(guān)兼容模式并沒有增加物理通道的數(shù)量，相反終端兼容模式是增加了物理通道。因此，在一定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的條件下，HABA模式與網(wǎng)關(guān)兼容模式網(wǎng)絡(luò)利用率要高于終端兼容模式。同時(shí)，HABA模式整體上平均網(wǎng)絡(luò)利用率又稍高于網(wǎng)關(guān)兼容模式。

圖7 網(wǎng)絡(luò)利用率比較

圖8是3種模式分組投遞率指標(biāo)的比較。因?yàn)镠ABA模式與網(wǎng)關(guān)兼容模式在系統(tǒng)架構(gòu)上均是采集設(shè)備在能效監(jiān)測(cè)終端管理下協(xié)調(diào)工作，減小了數(shù)據(jù)沖突的概率，因此HABA模式與網(wǎng)關(guān)兼容模式在分組投遞率指標(biāo)上明顯優(yōu)于終端兼容模式，而二者分組投遞率指標(biāo)的性能基本相當(dāng)。

系統(tǒng)成本指標(biāo)方面，終端兼容模式需要在每個(gè)終端上增加硬件配置，因此采用終端兼容模式的系統(tǒng)成本要高于HABA模式與網(wǎng)關(guān)兼容模式。同時(shí)，HABA模式支持在一條同類總線上掛載多個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上也更優(yōu)于網(wǎng)關(guān)兼容模式下多條同類總線掛載多個(gè)設(shè)備，也就意味著在系統(tǒng)成本上相比網(wǎng)關(guān)兼容模式更有優(yōu)勢(shì)。

圖8 分組投遞率比較

4 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多種多樣，整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)面臨包含多種物理接口和多種協(xié)議接口。在對(duì)現(xiàn)有異構(gòu)總線融合模式研究的基礎(chǔ)上，提出了一種通用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議架構(gòu)——HABA（Hierarchical Agent Bus Architecture）。HABA 運(yùn)行于網(wǎng)關(guān)設(shè)備之上，基于現(xiàn)有的異構(gòu)總線兼容模式——網(wǎng)關(guān)兼容模式，采用分層的、多代理機(jī)制，解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特別是綜合能效管理應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)下，不同類型的總線以及同類型的總線上掛載不同類型設(shè)備的問題，實(shí)現(xiàn)了多種異構(gòu)總線類型的融合，并實(shí)現(xiàn)它們之間高效互聯(lián)互通。最后通過綜合能效管理系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了HABA能夠保證并提高網(wǎng)絡(luò)利用率以及數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

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