技术领域
[0001] 本
发明涉及工业通信领域，具体地说是一种基于IEC60870-5-104远动规约的PLC通信模块。
背景技术
[0002] IEC60870-5-104规约是由国际电工委员会(IEC)于1998年8月制定，我国于2002年也制定了相应的配套标准DL/T634.5104-2002。它是基于现代
电子技术和电子计算机技术,应用远程通信技术,对在远方变电站或者电厂的设备进行监视和控制,主要实现了远程测量、远程
信号、远程控制和远程调节的各项功能。该规约目前在电
力领域已经得到了比较广泛的应用。
[0003] 当前，中国经济进入新的发展阶段。美国正致力于工业互联网开发，德国积极推进工业4.0，我国提出“中国制造2025”、“互联网+”等发展理念。所有这些新需求的
基础都离不开网络化控制领域的技术和产品。在工业控制领域，PLC凭借它功能强大、应用简单等优点越来越受到大家的欢迎，又因为IEC60870-5-104远动规约具有可靠性高、实时性好、数据流量充足、支持网络传输等诸多优点，基于该规约的PLC通信模块将在工业互联网领域发挥重要作用。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种基于IEC60870-5-104远动规约的PLC通信模块，用于对工业现场，尤其是设备分布较广的工业现场数据的采集、处理和控制。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0006] 一种基于IEC60870-5-104远动规约的PLC通信模块，包括规约逻辑
控制器通过以太网端口与IEC60870-5-104远动规约主站连接，通过socket通信技术进行通信，接收到IEC60870-5-104远动规约主站数据指令后进行解析；
[0007] 规约逻辑控制器连接模块数据存储区，将解析后的数据存储到模块数据存储区；
[0008] 数据镜像连接模块数据存储区，将模块数据存储区中的数据与PLC控制器中的缓冲区进行数据通信。
[0009] 所述模块数据存储区包括存储输入区和存储输出区；
[0010] 所述数据镜像包括输入数据镜像和输出数据镜像；
[0011] 所述缓冲区包括输入缓冲区和输出缓冲区。
[0012] 所述存储输入区通过输入数据镜像与PLC的输入缓冲区，根据地址偏移量进行对应；
[0013] PLC的输入缓冲区还连接PLC的状态信息存储区和输入数据存储区，分别进行状态信息和输入数据的存储；
[0014] 所述存储输出区通过输出数据镜像与PLC的输出缓冲区，根据地址偏移量进行对应；
[0015] PLC的输出缓冲区还连接PLC的输出数据存储区，读取输出数据。
[0016] 所述对应过程为通过配置工具和PLC组态
软件将需求的数据类型和点号配置生成JSON文件，所述模块读取该JSON文件，配置系统参数，并完成模块与PLC数据地址的对应。
[0017] 所述模块包括ARM7
内核的嵌入式控制器AT91M40800和10/100M自适应以太网控制器LAN9218i-MT。
[0018] 模块通过104规约主逻辑线程，实现IEC60870-5-104远动规约，满足可靠性通讯、传输控制、连接有效性监测的要求。
[0019] 所述模块采用嵌入式实时多任务
操作系统进行多任务调度。
[0020] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0021] 1.可以对工业现场分布较广的设备进行控制。IEC60870-5-104规约是远动规约，最早用于电力系统，是对分布较广的变电站进行监视和控制的规约，该规约用在工业领域，可以监视和控制分布较广的设备。
[0022] 2.系统独立。本发明作为PLC的扩展模块，具有独立的
硬件平台与操作系统，不干扰PLC的正常运行。
[0023] 3.通讯稳定。本发明实现了IEC60870-5-104远动规约的可靠性通讯要求，同时，增加了系统状态信息反馈，错误修复等功能。
[0024] 4.
互操作性强。本发明在设计时开发了配置工具，可以针对不同主站设备、不同应用环境，进行系统参数的配置。
[0025] 5.可靠性高。本发明实现了IEC60870-5-104远动规约中对可靠性的要求，同时，设计增加了系统状态信息反馈，错误修复等功能。
附图说明
[0026] 图1是本发明的总体架构图；
[0027] 图2是本发明的协议结构图；
[0028] 图3是本发明的网络线程状态机图；
[0029] 图4是本发明的104规约主逻辑状态机图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图及
实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0031] 本发明通过设计了一种基于IEC60870-5-104远动规约的PLC通信模块，解决了IEC60870-5-104远动规约在工业通信领域的应用。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0032] 本发明涉及以下几项关键技术：
[0033] (1)如图1所示为本发明的总体架构图，硬件平台主要由ARM7内核的AT91M40800作为系统的
主控制器和10/100M自适应以太网控制器LAN9218i-MT作为系统的以太网控制器组成。通过
背板总线技术与PLC进行通信，通过以太网
接口与IEC60870-5-104远动规约主站进行通信。
[0034] PLC通信模块采用Nucleus PLUS操作系统进行多任务调度，分为配置文件读取线程、网络线程、数据线程、104规约主逻辑线程；
[0035] 模块的参数可以根据现场需求的不同进行配置；
[0036] 模块数据排列可以连续也可以离散；
[0037] 模块能满足IEC60870-5-104远动规约的要求。
[0038] (2)如图2所示为本发明的协议结构图，IEC60870-5-104规约底层采用的是TCP/IP的协议子集，通过用户到TCP的接口连接到应用层，该规约的应用层分为应用规约控制信息(APCI)和应用服务数据单元(ASDU)。其中APCI包括可靠性通讯、传输控制、连接有效性监测。ASDU包括IEC60870-5-104远动规约中的部分数据类型。
[0039] (3)配置文件读取线程，根据不同的工业现场的需求，配置不同的功能和不同数量的点，并通过PLC的组态软件完成模块与PLC控制器数据地址的对应，生成一个JSON配置文件，通过背板通信技术传送给104通信模块，模块对其解析，完成一系列参数的配置。
[0040] (4)网络线程，通过socket通信技术，完成与IEC60870-5-104主站的通信；网络线程状态机图如图3和表1所示：
[0041]# 事件
S1 连接
请求S2 T1超时
S3 K值超值
S4 N(R)不连续
[0042] 表1
[0043] IEC60870-5-104规约是基于TCP/IP的规约，故需要将TCP/IP协议栈移植到系统平台。在初始化线程与配置文件读取线程完成以后，初始化TCP/IP协议栈，并启动网络线程。
[0044] (5)数据线程，通过将模块存储区分为输入与输出两个区，每个区分别于PLC的存储区通过地址偏移量进行对应，完成数据传输。同时，该线程对数据和命令进行分析，处理。
[0045] 设备运行过程中，PLC需要将现场设备的过程的数据发送给104通信模块，并通过模块将这些数据按照104规约的要求发送给主站，并且主站还需要将控制命令发送给PLC的设备，这就需要自定义一种PLC控制器与104通信模块的数据传输规则。在PLC中定义3块独立的缓冲区，即输入缓冲区、输出
缓冲器、状态信息缓冲区，104通信模块通过配置文件的地址偏移量的对应表将规约的监视方向过程信息与PLC控制器输出缓冲区对应，将规约的控制方向的过程信息与PLC控制器输入缓冲区对应，将模块运行过程中的状态信息与PLC的状态信息缓冲区对应，通过周期轮询的方式，向PLC控制器请求或发送数据的镜像。从而实现了PLC控制器与104通信模块的数据交换。
[0046] (6)104规约主逻辑线程，在数据线程启动之后，且主站与该104通信模块Socket连接完成，将启动104规约主逻辑线程，该线程是模块实现104规约的核心部分。
[0047] 104规约主逻辑线程，实现IEC60870-5-104远动规约，具体为可靠性通讯、传输控制、连接有效性监测、报文类型等要求；
[0048] 可靠性通讯，通过发送序列号N(S)和接受序列号N(R)，k、w机制和
定时器机制来实现。
[0049] 传输控制，通过STARTDT命令和STOPDT命令实现。
[0050] 连接有效性监测，通过TESTFR命令实现。
[0051] 104规约主逻辑状态机如图4所示，状态转换表如表2所示。
[0052]# 事件
S1 STARTDT请求
S2 STOPDT请求
S3 TESTFR确认
S4 TESTFR确认
S5 T3超时
S6 遥测变化
S7 W值超值
S8 命令请求
S9 发送成功
S10 命令请求
S11 数据更新
S12 接受成功
[0053] 表2
[0054] 该线程启动以后，网络线程一直处于监听网络数据的状态，直到收到主站的传输控制报文STARTDT(U格式)之后，模块的数据收发进入准备状态，数据传输功能启动，当收到主站的传输控制报文STOPDT(U格式)之后，模块停止与主站的数据传输，直到主站再次发送STARTDT报文。
[0055] 104通信模块与主站通信主要分为两部分内容，一是响应主站的命令，二是从站变化数据主动上送。
[0056] 主站的命令主要有总召唤、组召唤、
电能累计量总召唤(遥脉总召唤)、对时命令、控制命令。响应主站命令的
流程图如图所示，收到主站总召唤与组召唤命令后，根据所配置的点的数量以及地址排列方式，分单
帧和连续多帧向主站应答；收到对时命令后，则根据收到的主站时间来校对该104通信模块的时间，并以对时命令的镜像向主站发送确认应答；收到控制命令则先判断命令类型，若为控制选择命令，则判断被控点号是否存在，若存在以命令镜像应答，若为控制执行命令，则将控制命令发送给PLC控制器的输入缓冲区，执行该命令，若为命令撤销，则将控制命令执行前的状态发送给PLC控制器的出入缓冲区，撤销该命令。
[0057] 从站变化数据主动上送主要有遥信变位和遥测数据跨越死区两种情况。遥信变位即该遥信点的状态由分变为合，由合变为分，则产生一个事件，并将该变位的遥信点号地址、变位信息、变位时间上送至主站；遥测数据跨越死区即该遥测点本次数据的变化范围大于了为该点配置的死区数值范围，则产生一个事件，并将该变化的点的点号信息、当前值、变化时间上送至主站。
[0058] 另外，为了保证可靠性通讯和连接的有效性，在线程执行时启动TCP连接超时定时器t0、帧确认超时定时器t1、无I帧超时发送S帧定时器t2和超时监测定时定时器t3，按照规约要求，来确保该模块满足104规约的要求。
[0059] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
