以太網(wǎng)技術(shù)在繼電器可靠性檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、引言

　　近些年來(lái)，以太網(wǎng)通信速率的提高及交換式以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，使得以太網(wǎng)的通信性能大為改善，原來(lái)阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的不確定性等問(wèn)題基本得到解決，以太網(wǎng)開始從不同的途徑進(jìn)入到工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程檢測(cè)等領(lǐng)域，很多組織和廠家開始開發(fā)基于以太網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

　　本文所提出的繼電器可靠性檢測(cè)系統(tǒng)由服務(wù)器和多臺(tái)可靠性檢測(cè)裝置（客戶端）組成，可靠性檢測(cè)裝置是進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的必要手段。服務(wù)器和可靠性檢測(cè)裝置通過(guò)調(diào)用TCP協(xié)議提供的套接字傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器對(duì)多臺(tái)檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)集中檢測(cè)和控制，在節(jié)省人力的同時(shí)有利于失效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。

2、可靠性檢測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)方法和功能

　　檢測(cè)裝置主要完成繼電器試品的定數(shù)截尾試驗(yàn)，記錄失效信息，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析[2]。通過(guò)與服務(wù)器建立連接，實(shí)時(shí)上傳當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)以及失效信息，并接收服務(wù)器的控制命令。

2.1 實(shí)現(xiàn)方法

　　為了滿足試驗(yàn)環(huán)境的需要，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為檢測(cè)裝置的核心。對(duì)觸點(diǎn)電壓的采集則選用兩塊高性能數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，可同時(shí)對(duì)兩組共32對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，兩組試品可以是不同型號(hào)不同廠商的繼電器，而且對(duì)檢測(cè)觸點(diǎn)的常開常閉不做限制。需要注意的是，當(dāng)觸點(diǎn)電壓為交流信號(hào)時(shí)，為了保證電壓有效值的計(jì)算精度，采集卡在一個(gè)工頻周期內(nèi)要完成16個(gè)采集通道至少320次的AD轉(zhuǎn)換，這就要求采集卡的采集速率非?？?，本裝置采用的是研華的PCL-818HG。每塊采集卡還提供了一個(gè)20-PIN數(shù)字輸出口,用來(lái)控制試品線圈回路的通斷電。試品觸點(diǎn)回路采用一塊多通道的數(shù)字量輸出卡，通過(guò)固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組試品觸點(diǎn)回路的通斷電控制。繼電器可靠性檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 可靠性檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

　　如果某個(gè)試品的全部觸點(diǎn)均達(dá)到了最大允許失效次數(shù),那么在接下來(lái)的試驗(yàn)中此試品要被剔除，不再進(jìn)行試品線圈回路和觸點(diǎn)回路的通斷電操作，避免故障試品因長(zhǎng)時(shí)間通電而發(fā)生危險(xiǎn)[3]。

2.2 實(shí)現(xiàn)功能

　　檢測(cè)裝置的軟件由兩大部分組成：一是實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理程序，包括了試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)以及失效數(shù)據(jù)的保存，對(duì)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，打印報(bào)表等，檢測(cè)裝置記錄的失效數(shù)據(jù)有失效時(shí)間，失效試品號(hào)、觸點(diǎn)號(hào)，觸點(diǎn)失效的類型，失效時(shí)觸點(diǎn)電壓以及各觸點(diǎn)累計(jì)失效次數(shù)等；二是通訊程序，接收服務(wù)器的參數(shù)設(shè)置、基本操作，并上傳試驗(yàn)狀態(tài)及失效信息。圖2為檢測(cè)裝置的操作界面，菜單項(xiàng)代表了所能實(shí)現(xiàn)的所有操作，文本顯示區(qū)對(duì)設(shè)置參數(shù)、試驗(yàn)狀態(tài)以及失效發(fā)生時(shí)的失效信息進(jìn)行顯示。軟件采用可視化編程語(yǔ)言VC++6.0嵌入?yún)R編語(yǔ)言的方法實(shí)現(xiàn)[4]。

圖2 檢測(cè)裝置操作界面

3、集中控制的實(shí)現(xiàn)

　　以太網(wǎng)只定義了物理層和鏈路層，但目前在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層已基本上統(tǒng)一，TCP/IP協(xié)議被普遍采用。傳輸層協(xié)議包括UDP協(xié)議和TCP協(xié)議。無(wú)論是基于UDP協(xié)議或者TCP協(xié)議，都要保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊欢ǖ目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。由于UDP協(xié)議具有實(shí)現(xiàn)機(jī)制簡(jiǎn)單、傳輸效率高的特點(diǎn)，其較多地被應(yīng)用到高效率的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中。但為了實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃裕托枰趹?yīng)用層采用一些差錯(cuò)控制機(jī)制，而這些措施與TCP協(xié)議中自帶的傳輸機(jī)制非常相似。實(shí)際上，在許多實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)中，采用TCP協(xié)議也基本可以滿足傳輸時(shí)間的要求，還避免了在應(yīng)用層進(jìn)行繁瑣的處理[5]。因此在本方案中傳輸層選擇使用TCP協(xié)議。
應(yīng)用層的協(xié)議目前還沒(méi)有統(tǒng)一,本文旨在研究一個(gè)可廣泛適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合和多種應(yīng)用層協(xié)議的通用的通信方案,用戶可根據(jù)需要選擇不同的應(yīng)用層協(xié)議,也可以定義自己的數(shù)據(jù)包格式。

3.1 套接字(Socket)

　　TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用程序是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)編程界面套接字Socket(在Windows操作系統(tǒng)下稱之為Winsock)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。套接字構(gòu)成了核心協(xié)議的用戶視圖，通過(guò)套接字應(yīng)用程序可訪問(wèn)通信協(xié)議，套接字是網(wǎng)絡(luò)通信的基本構(gòu)件。套接字是可以被命名的通信端點(diǎn)，應(yīng)用程序通過(guò)它在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。每個(gè)套接字都有其類型，并有一個(gè)與之相連的進(jìn)程。TCP/IP提供3種類型套接字：

　　1)流式套接字(Stream Scoket)。該接口提供一個(gè)面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)設(shè)流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限；數(shù)據(jù)被看作字節(jié)流，無(wú)長(zhǎng)度限制。流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式，如果想發(fā)送大批量數(shù)據(jù)或想讓數(shù)據(jù)按順序無(wú)重復(fù)地到達(dá)目的地，流式套接字最為有用。

　　2)數(shù)據(jù)包套接字(Datagram Scoket)。該接口提供一個(gè)無(wú)連接服務(wù)。數(shù)據(jù)包以獨(dú)立包形式被發(fā)送，不提供無(wú)錯(cuò)保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。數(shù)據(jù)包套接字比較適用于數(shù)據(jù)包或記錄型數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)包的發(fā)送不能得到保證，而且不能排序到達(dá)。

　　3)原始套接字(Raw Scoket)。該接口允許對(duì)較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問(wèn)，主要用于新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的測(cè)試等[6]。

　　在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)時(shí)，阻塞問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)編程中十分重要的問(wèn)題。由于在阻塞模式下，在I/O操作完成前，執(zhí)行操作的Winsock函數(shù)會(huì)一直等待下去，不會(huì)立即返回程序（將控制權(quán)交還給程序）。故用這種方式，服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)⒑茈y同時(shí)通過(guò)多個(gè)建好連接的套接字進(jìn)行通信。在此系統(tǒng)的應(yīng)用中，需要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)服務(wù)器同時(shí)和六個(gè)套接字進(jìn)行通信，因此結(jié)合對(duì)有限硬件資源的考慮，選擇了非阻塞類型的套接字，這也是一般協(xié)議開發(fā)中通常用到的套接字通信方式。

3.2 通信的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)通信采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，利用VC的微軟基礎(chǔ)類(MFC)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，MFC提供了兩種類型描述Windows Socket，分別是CAsynSocket和CSocket。其中CAsynSocket類封裝了Windows Sockets API，并將與Socket有關(guān)的Windows消息轉(zhuǎn)換為回調(diào)函數(shù)。CAsynSocket處于網(wǎng)絡(luò)更底層，其使用就更具靈活性，相應(yīng)要求編程者應(yīng)熟悉網(wǎng)絡(luò)底層細(xì)節(jié)。而CSocket類是CAsynSocket類的派生類，通過(guò)MFC中的CArchive類的對(duì)象提供了更高層次的抽象，它封裝了Socket實(shí)現(xiàn)中的許多細(xì)節(jié)。這里我們采用CAsynSocket類實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中“一對(duì)多”的數(shù)據(jù)發(fā)送，通過(guò)在服務(wù)器中建立Winsock空間數(shù)組的方式來(lái)解決[7]。

　　首先，構(gòu)造CAsyncSocket類型的對(duì)象，然后利用該對(duì)象創(chuàng)建內(nèi)嵌的Socket句柄。例如:

　　　　　　　　　　　CAsyncSocket m_listen;
　　　　　　　　　　　m_listen.Create(nPort);//服務(wù)器指定端口

　　若是客戶端，需要用CAsyncSocket::Connect()函數(shù)連接服務(wù)器端的套接字。

　　其次，若是服務(wù)器端的套接字，創(chuàng)建完成就可以偵聽端口，以便接收試圖連接到此端口的客戶端的套接字。接收了一個(gè)連接請(qǐng)求后就可以進(jìn)行口令驗(yàn)證或直接建立連接等工作。服務(wù)器偵聽的函數(shù)是CAsyncSocket::Listen()，接收客戶端套接字的函數(shù)是CAsyncSocket::Accept()。

　　繼而采用CAsyncSocket類的成員函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送的函數(shù)是CAsyncSocket::send()，接收的函數(shù)是CAsyncSocket::Receive()。

　　最后，通信結(jié)束后，通過(guò)CAsyncSocket::Close()函數(shù)銷毀對(duì)象。服務(wù)器與檢測(cè)裝置的通訊流程見圖3。

圖 3 服務(wù)器與檢測(cè)裝置通信流程圖

　　CAsyncSocket類對(duì)網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)做了較好的封裝。當(dāng)有連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端的套接字就會(huì)收到OnAccept消息，此消息觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)OnAccept()；當(dāng)服務(wù)器接收了連接后，客戶端的套接字就會(huì)收到OnConnect消息，此消息觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)OnConnect()；當(dāng)有數(shù)據(jù)傳來(lái)時(shí)，套接字會(huì)收到OnReceive消息，此消息觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)回調(diào)函數(shù)OnReceive()。程序員也可以在CAsyncSocket類的派生類中重載以上回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)特定的功能。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸及服務(wù)器功能

　　服務(wù)器與檢測(cè)裝置在不同的狀態(tài)下需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)所代表的含義也各不相同，例如服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)檢測(cè)裝置的操作：簡(jiǎn)單的有開始試驗(yàn)、暫停試驗(yàn)等，復(fù)雜的有設(shè)置檢測(cè)裝置工作參數(shù)、對(duì)號(hào)設(shè)置、讀取失效信息等。因此需要對(duì)服務(wù)器和檢測(cè)裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的定義，這里采?。?/p>

　　　　Command＋Length＋Content
　　　　Command：通信命令號(hào)，Length：文本字節(jié)長(zhǎng)度，Content：文本字節(jié)內(nèi)容。

　　如果傳輸內(nèi)容為簡(jiǎn)單的控制數(shù)據(jù)，則文本字節(jié)長(zhǎng)度和文本字節(jié)內(nèi)容都為零，否則應(yīng)按具體的通信內(nèi)容進(jìn)行添加。

　　服務(wù)器內(nèi)部配置一預(yù)先定義的超時(shí)時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間要足夠長(zhǎng)，以使檢測(cè)裝置能夠作出正常的反應(yīng)，超時(shí)事件將觸發(fā)服務(wù)器來(lái)處理錯(cuò)誤。

　　服務(wù)器操作界面的菜單項(xiàng)和檢測(cè)裝置基本一致，在文本顯示區(qū)顯示所有建立連接的檢測(cè)裝置的試驗(yàn)狀態(tài)和數(shù)據(jù)。建立連接后，通過(guò)服務(wù)器對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行操作和在現(xiàn)場(chǎng)直接操作檢測(cè)裝置的效果是一樣的。

4、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證本方案的可行性，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)在宏發(fā)公司進(jìn)行了長(zhǎng)期的運(yùn)行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視軟件的分析，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率極低，在同一局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r(shí)間大部分集中在100ms以內(nèi)，達(dá)到了傳輸時(shí)間的要求，網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷的情況基本沒(méi)有出現(xiàn)。

　　因此,本文所提出的基于以太網(wǎng)的繼電器可靠性檢測(cè)系統(tǒng)的通信方案,實(shí)時(shí)性較好,可靠性較高,能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的功能,是切實(shí)可行的。且其開放性、可操作性也較高能夠適用于很多數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控場(chǎng)合。