①作者简介：郭建川(1982—)，男，汉族，四川成都人，硕士，副高级职称，研究方向：工业互联网。 江启运（1986—），男，汉族，福建连城人，本科，高级工程师，研究方向：工业互联网。
DOI：10.16660/jki.1674-098X.2018.15.009
基于工业总线采用IP实现统一建模的模块化网关技术
①
郭建川 江启运
(北京科银京成技术有限公司 四川成都 610091)
摘 要：工业现场层设备之间的信息互联互通是智能制造实施的重要前提，目前工业现场采用的测量和控制协议繁多，为用户工作造成了相当大的困难，也阻碍了工业互联网的推广进程。本文针对工业现场控制系统典型应用，在IEC 61987和IEC 62264的基础上对工业应用现场进行模型提炼，定义出工业控制领域通用基础模型。关键词：工业网关 统一建模 IP化 协议转换中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)05(c)-0009-02
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工业现场层设备之间的信息互联互通是智能制造实施的重要前提，目前工业现场采用的测量和控制协议繁多，仅是列入IEC 61158成为国际标准的工业现场协议就超过20种，造成工业现场被各个设备厂家利用人为的格式障碍分割成各自的势力范围，为用户扩容选型、数据集中、工业大数据分析等工作造成了相当大的困难，也阻碍了工业互联网的推广进程。
开发一套工业互联网领域统一、全流程互联互通的工业网关技术可以加快现场层智能化，推动工业互联网发展。
本文针对工业现场控制系统典型应用，在IEC 61987 和IEC 62264的基础上对工业应用现场进行模型提炼，定义出工业控制领域通用基础模型，包括了工业控制设计共性的数据采集、控制、管理等公共服务，从而定义出一种标准化、面向对象的工业现场控制协议来向上层应用提供统一工业控制数据服务，通过对通用工业对象模型和能力集进行定义，用户态应用基于上述模型和能力集可以根据需要创建各种工业对象实例，基于对象实例提供相应的数据采集和控制服务，工业应用程序基于上述模型和接口进行软件编排实现各行业对应的工业处理流程。 本技术主要组成由以下4个模块组成。(1)工业控制设备模型。
(2)工业设备访问接口。(3)工业控制协议模块。(4)工业协议转换模块。
图1为模块化工业网关的结构图，列举Modbus, Profinet, CANOpen, Ethercat这4种不同的工业现场协议。
1 工业控制设备模型
工业现场设备种类繁多，规格各异，为了便于在工业控制系统应用层进行快捷的业务部署，非常有必要针对设备的共性特性提炼出通用的管理模型，对设备的功能、能力
集进行定义，使得上层应用软件能够根据设备特点进行智
图1 模块化工业网关架构
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图2 通用工业控制模型
图3 通用工业设备访问接口
通用工业设备模型
数据管理接口日志管理接口配置管理接口安全管理接口
数据读取
数据写入
电热丝打火机批量数据读取
运行状态
信息读写彩印业务
日志读写
告警读写
网络静态参数配置
网络动态参数配置
安全列表管理
模组网>铣床飞刀认证管理
权限管理
航空航天科学技术
异丙醇钛航路编辑软件特点包括：对整个航路或部分航段做飞
行计划；显示地面或空中AI交通；支持真实世界或用户定义的航路点数据库；自动进行飞行日志和黑匣子记录；VFR 飞行的管制区检查；程序生成和燃油计算；SID/STAR或可定制的航路航段；可打印的进近图及离场图；可打印的机场布局图。
2.4 动力学编辑软件
动力学编辑软件用于编辑直升机空气动力学模型，通
图2 动力学编辑软件界面
过软件定义的模型参数进行设置和修改，实现仿真模拟不同型号的直升机。动力学编辑软件设置信息包括：概要飞机信息、力矩方程、地效、动力方程、飞行控制参数、飞行器参数等，如图2所示。
飞行控制设置采用公式图形化界面，用户可通过对公式的拖拽，完成对飞行控制律的设计。空气动力学参数设置包括空气动力学、侧滑、举升、滚转、俯仰及偏航等参数，参数可通过数据列表及图形化两种方式进行显示，方便用户直观地察看及修改。
3 结语
通过以上软件模块，能方便、迅速地仿真民航客机飞行性能及整个航线的飞行过程，图形化的软件界面，能够满足教学、科研、实验需求。
参考文献
[1] 王立波，张复春，高文琦，等.基于FlightGear 飞行仿真软件
数据的采集与处理[J].电子设计工程,2011(24):53-57.[2] 黄华，徐幼平，邓志武.基于FlightGear模拟器的实时可视化仿真系统[J].系统仿真学报,2007,19(19):4421-4423.[3] 方振平，陈万春，张曙光.航空飞行器飞行动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005.
(上接9页)
能的业务调度和部署。
如图2所示，模型中包括设备名称、标识、类型、能力集、运行状态、统计信息等内容，为每个工业设备定义了实施业务所需要的所有属性、技术指标、运行信息等内容，为智能化的工业控制系统提供标准化的基础类，为不同厂家设备的互联互通提供了设备信息模型的保障。
2 工业设备访问接口
基于统一的工业控制设备模型，可以进一步对其操作访问接口进行规范，包括数据采集与读取接口、设备管理接口、操作控制接口等；模型所定义的数据访问接口既支持通用管理属性，也支持基于自描述语言的扩展属性，实现工业控制系统业务编排的标准化操作接口，使得上层软件可以基于这些接口为各种工业设备创建管理服务。
访问接口主要包括数据管理接口、日志管理接口、配置管理接口、安全管理接口，具体如图3所示。使用这些接口在大范围的工业系统设计实施中屏蔽底层不同厂家的实现细节，而对下面的具体设备屏蔽上层应用细节，实现更好的互联互通能力。
3 工业控制协议模块
针对工业现场控制系统典型应用，基于管理模型和服务，结合物联网全局标识与寻址体系，在高实时工业以太网提供的数据链路层之上进一步实现一种简单而标准化的工业现场控制协议，对外提供统一工业控制数据服务，使得智能传感器数据可以通过网络化访问，突破原来现场层数据层采集、网关、控制器、执行器等多层的现场控制系统架构，实现扁平化、分布式、基于数据服务的现场控制系统。
工业控制协议模块以IP地址或设备逻辑ID作为设备标识，以统一模型和接口为访问入口，以高度实时性的底
层通信网络为载体，解决工业现场网络数据访问的互联互通问题。利用统一的工业设备模型和数据访问接口，结合全局对象编码和寻址机制，定义基于IP的统一工业控制协议，实现工业对象之间标准化的数据传输协议；协议定义了数据访问操作的地址空间、操作类型、批量操作、数据访问安全等机制。
4 工业协议转换模块
在基于IP的统一工业控制协议之上，在应用层实现与MODBUS、PROFINET、CANOpen、EtherCAT等协议的数据转换与互通，从而实现与传统工业控制协议的兼容互通。
基于统一工业模型框架，通过将Modbus、PROFINET、CANopen等传统工业协议映射到统一模型并提取现场设备数据，或将统一工业控制服务中的控制指令转换为Modbus、PROFINET、CANopen等协议中地址和操作码的转换软件，实现与主流工业协议的互通和兼容，保证对已有系统和技术的兼容，从而在保护用户投资的前提下，加快现场层智能化扁平化管理，推动工业现场设备全面互联互通的实现进程。
参考文献
[1] IEC 61987-1 Industrial-process measurement and control–Data str uctures and elements in process equipment catalogues-Part1:Measuring equipment with analogue and digital output[S].2006.
[2] IEC 62264-1Enterprise-control system integration-Part 1: Models and terminology[S].2013.
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