CN116647547B - 一种工业现场设备远程通信连接的方法和装置 - Google Patents

一种工业现场设备远程通信连接的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种工业现场设备远程连接通信的方法和装置，本装置包含3个功能处理单元，其中Proxy‑S处理单元与现场设备连接，连接方式根据设备提供的服务接口通信链路类型进行连接；访问连接Proxy‑X服务后，将服务信息同步给Proxy‑X处理单元；接收Proxy‑X处理单元发送的请求包后处理转发给现场设备指定的服务接口，接收设备的响应包后处理转发给Proxy‑X处理单元。基于现场设备作为服务端，功能应用程序作为客户端描述的，也可交换Proxy‑C与Proxy‑S网络节点位置。本发明通过3个功能处理单元实现现场设备与配套功能应用程序间的连接通信，实现了工业现场设备多样性的通信接口的跨网段、跨互联网的远程访问。

Description

一种工业现场设备远程通信连接的方法和装置
技术领域
本发明属于数据通信技术领域，尤其涉及一种工业现场设备远程通信连接的方法和装置。
背景技术
目前具备通信能力的工业设备控制器提供的外部通信访问接口常见是以太网口或RS-232、RS-485、RS-422等变种接口，使用厂商提供功能应用程序连接设备通信口实现设备的编程、调试、诊断、监控等功能用途。通常人员需要携带安装功能软件的计算机到车间现场连接设备通信，车间生产环境复杂存在安全风险。对于支持以太网通信的设备可以让设备连入办公网络实现设备的远程通信能力，如果调试人员不在企业现场无法直接使用办公网络，需要使用VPN或第三方远程桌面等工具达到远程通信条件。对于只支持串口通信的设备来说无法直接连入以太网实现组网，并且配套的功能应用程序宿主计算机上需要串口用以连接通信，实现只支持串口通信设备的远程通讯访问控制变得难以轻松实现。
发明内容
技术目的：针对现有工业设备远程通信连接技术中存在的问题，本发明公开了一种工业设备远程通信连接的方法和装置，使用此技术可以快速方便实现对远程工业现场设备的以太网口或串口通信的连接访问。
技术方案：本发明采用如下技术方案：一种工业现场设备远程通信连接的方法，包括如下步骤：
步骤S1、组件单元服务部署
设置Proxy-C、Proxy-X、Proxy-S三个处理单元，其中Proxy-S处理单元部署在现场设备侧，Proxy-C处理单元部署在应用程序侧，Proxy-X处理单元作为为Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元提供服务的整个装置的中心节点，部署在Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元均能够访问的网络节点上；
Proxy-X处理单元提供了“注册设备通信端口”、“查询设备通信端口”、“打开设备通信端口”、“关闭设备通信端口”以及“处理转发通信数据”共五个基础服务接口；另外Proxy-X处理单元的内部缓存设备端口信息并提供检索和更新能力，根据缓存表信息实现Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元通信数据路由转发功能；
步骤S2、现场设备通信端口注册
根据现场设备提供的通信端口，有选择地将端口信息配置在Proxy-S处理单元中，支持配置多个现场设备的信息，Proxy-S处理单元与Proxy-X处理单元服务建立通信连接后发送“注册设备通信端口”命令将现场设备的通信端口信息提交给Proxy-X处理单元进行缓存；将现场设备与Proxy-S处理单元进行通信链路连接后，Proxy-X处理单元作为Proxy-S处理单元和现场设备间的中心节点，实时接收、处理、转发通信数据包；
步骤S3、现场设备通信端口镜像
Proxy-C处理单元主动与Proxy-X处理单元服务建立通信连接，并能够发送“查询设备通信端口”命令获取远程设备的端口信息，获取端口信息列表后选择性地对设备的目标端口在Proxy-C处理单元宿主***内进行镜像，现场设备配套的功能应用程序能够访问模拟出的通信端口获取远程现场设备；Proxy-X处理单元作为Proxy-C处理单元和功能应用程序的中心节点，实时接收、处理、转发通信数据包；
步骤S4、打开现场设备通信端口
Proxy-C处理单元检测到功能应用程序向虚拟的端口镜像打开通信连接操作后，向Proxy-X处理单元发送“打开设备端口”命令，Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发到与现场设备连接的Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的设备通信端口信息与现场设备建立通信连接；
步骤S5、处理转发通信数据
当步骤S1～S4均已就绪后，现场设备配套的功能应用程序使用步骤S4建立的连接向对应的镜像端口发送请求报文，Proxy-C处理单元检测镜像端口接收到请求报文后，使用协议封装请求报文向Proxy-X处理单元发送“数据转发”命令；Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发到与现场设备连接的Proxy-S处理单元；Proxy-S处理单元接收到转发命令后，从命令数据包中提取应用程序发送的请求报文，并根据命令数据包中的设备标识、端口标识以及远程句柄字段信息向对应设备通信端口连接发送提取的请求报文。Proxy-S处理单元接收到设备端口连接的响应数据后，使用协议封装请求报文向Proxy-X处理单元发送“数据转发”命令；Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-C标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发给Proxy-C处理单元；Proxy-C处理单元接收到转发命令后，从命令数据包中提取现场设备的响应报文，并根据命令数据包中的设备标识、端口标识以及远程句柄字段信息向对应应用程序连接发送提取的响应报文。
步骤S6、关闭现场设备通信端口
Proxy-C处理单元检测到功能应用程序向虚拟的端口镜像进行关闭通信连接操作后，向Proxy-X处理单元发送“关闭设备通信端口”命令，Proxy-X处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查询内部缓存的路由表，将命令转发到与目标设备连接的Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的设备通信端口信息与现场设备断开通信连接。
一种工业设备远程通信连接的装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明的通信连接和数据转发的方法。
有益效果：本发明具有如下有益效果：
使用本发明的一种工业现场设备远程通信连接的方法和装置，将车间设备的以太网口/RS-232C/RS-485/RS-422接口与Proxy-S单元连接，设备通信软件与Proxy-C单元模拟出的通信端口连接，快速实现设备的远程控制。
附图说明
图1为支持网络端口通信的设备使用装置实现远程通信连接的示意图；
图2为支持串口端口通信的设备使用装置实现远程通信连接的示意图；
图3为Proxy-C、Proxy-X、Proxy-S单元间通信协议处理示意图；
图4为Proxy-S单元通信处理流程图。
具体实施方式
通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。
一种工业现场设备远程通信连接的方法，包括如下步骤：
步骤S1、组件单元服务部署
设置Proxy-C、Proxy-X、Proxy-S三个处理单元，其中Proxy-S处理单元部署在现场设备侧，Proxy-C处理单元部署在应用程序侧，Proxy-X处理单元作为为Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元提供服务的整个装置的中心节点，部署在Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元均能够访问的网络节点上；
Proxy-X处理单元提供了“注册设备通信端口”、“查询设备通信端口”、“打开设备通信端口”、“关闭设备通信端口”以及“处理转发通信数据”共五个基础服务接口；另外Proxy-X处理单元的内部缓存设备端口信息并提供检索和更新能力，根据缓存表信息实现Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元通信数据路由转发功能。
为了方便描述本发明工业设备远程通信连接的实施过程，现假定现有2台广数机床，型号分别为GSK980TDi和GSK980TDc，机床GSK980TDi支持502端口的ModbusTCP协议访问数据能力，机床GSK980TDc只支持RS-232C串口通信ModbusRTU协议访问数据能力，使用类似ModbusPoll工具可以这2种型号的机床进行数据访问。使用本发明的方法实现对这2台的设备的远程数据访问。
步骤S2、现场设备通信端口注册
根据现场设备提供的通信端口，有选择地将端口信息配置在Proxy-S处理单元中，支持配置多个现场设备的信息，Proxy-S处理单元与Proxy-X处理单元服务建立通信连接后发送“注册设备通信端口”命令将现场设备的通信端口信息提交给Proxy-X处理单元进行缓存；将现场设备与Proxy-S处理单元进行通信链路连接后，Proxy-X处理单元作为Proxy-S处理单元和现场设备间的中心节点，实时接收、处理、转发通信数据包。
先Proxy-S处理单元上进行连接配置，然后连接Proxy-X处理单元后发送注册请求；Proxy-X处理单元接收处理注册请求；
步骤S21、Proxy-S处理单元连接配置：使用网线连接将Proxy-S处理单元装置上的网口与现场机床GSK980TDi机头的CN54通信口连接，如图1所示；使用RS-232C通信线缆将Proxy-S处理单元装上的RS-232C接口公头与现场机床GSK980TDc机头的CN51串口连接，如图2所示。物理通信链路搭建完后需要在Proxy-S处理单元里配置设备通信端口，执行如下步骤：
步骤S211、将Proxy-S处理单元连接机头的网口网段设为和机床GSK980TDi机头网口同网段，配置设备通信端口信息，内容为“设备标识为CNC-001，型号为广数980TDi，端口标识为CN54的通信地址为192.168.1.100:502”；
步骤S212、将Proxy-S处理单元连接机头的串口接口设备“/dev/ttyUSB1”参照机床GSK980TDc机头串口参数设为“9600-8-1-N”，配置设备通信端口信息，内容为“设备标识为CNC-002，型号为广数980TDc，端口标识为CN51的通信口参数为“/dev/ttyUSB1:9600-8-1-N”；
步骤S213、Proxy-S处理单元通过4G通道将配置设备通信端口信息注册到Proxy-X处理单元，工作流程如图4所示。
步骤S22、Proxy-X处理单元处理注册请求：Proxy-X处理单元***内部存储了如表2所示的3张关系表，其中代理信息表用于存储建立连接的Proxy-C/Proxy-S处理单元信息，设备信息表存储现场设备信息，端口信息表存储设备的通信端口信息，代理信息表和设备信息表的关系是1:N，设备信息表和端口信息表的关系是1:N，Proxy-X单元基于这3张表实现Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元的通信报文的路由转发。
表1实现远程通信连接的基础功能命令表
表2 Proxy-X处理单元为实现转发通信报文而存储的表结构样式表
·代理信息表
代理ID(主键) 代理标识 代理类型 连接句柄
1 93521589-9E05-5EAB-6689-DDDF2D50D564 Proxy-S 6
2 227825B6-652F-CF9E-9A97-898DA6F3EF55 Proxy-C 7
3 422167A0-926A-A11A-C97-078CA6D3EF17 Proxy-S 8
·设备信息表
设备ID(主键) 代理ID(外键) 设备标识 设备型号
1 1 CNC-001 广数980TDi
2 1 CNC-002 广数980TDc
3 3 PLC-001 西门子S7-1200
·端口信息表
端口ID(主键) 设备ID(外键) 端口标识 类型 目标地址/Proxy-S串口
1 1 CN54 TCP 192.168.1.100：502
3 2 CN51 RS-232C /dev/ttyUSB1：9600-8-1-N
4 3 S7 TCP 10.0.3.200：102
Proxy-X处理单元的整个工作流程如图3所示，处理Proxy-S处理单元注册请求如图4“处理设备通信端口注册”子流程所示，具体步骤如下：
步骤S221、从注册报文中提取Proxy-S标识，新增一条记录，“代理标识”字段设为Proxy-S标识，“代理类型”字段设为Proxy-S，“连接句柄”字段设为***与Proxy-S单元建立的TCP连接句柄值；
步骤S222、遍历注册报文中的设备列表；
步骤S223、读取设备标识、型号信息***设备信息表；
步骤S224、遍历设备下的通信端口列表；
步骤S225、读取端口类型和地址信息***端口信息表；
步骤S226、端口列表遍历是否结束？如果则执行步骤S222、否则执行步骤S224；
步骤S227、设备列表遍历是否结束？如果是执行步骤S228，否则执行步骤S222；
步骤S228、向Proxy-S处理单元发送注册应答报文。
步骤S3、现场设备通信端口镜像
Proxy-C处理单元主动与Proxy-X处理单元服务建立通信连接，并能够发送“查询设备通信端口”命令获取远程设备的端口信息，获取端口信息列表后选择性地对设备的目标端口在Proxy-C处理单元宿主***内进行镜像，现场设备配套的功能应用程序能够访问模拟出的通信端口获取远程现场设备；Proxy-X处理单元作为Proxy-C处理单元和功能应用程序的中心节点，实时接收、处理、转发通信数据包。
Proxy-C处理单元根据Proxy-S标识查询其代理的设备通信端口，查询结果应该是其中一个设备标识为CNC-001，型号为广数980TDi，支持192.168.1.100:502地址的TCP端口服务；另外一个设备标识为CNC-002，型号为广数980TDc，支持串口通信，串口参数为9600-8-1-N。根据远程设备的通信端口参数在Proxy-C单元***内部镜像模拟远程设备的通信端口，对于应用程序来说模拟的端口镜像和设备上没有区别，应用程序和本地端口连接即可实现通信。Proxy-C处理单元在***端口不冲突的条件下可以同时模拟多个设备通信端口；TCP/UDP端口类型在***内创建相同端口的端口服务，而串口类型的端口采用在***上虚拟出一对串口，2个串口连通，其中一端供ModbusPoll工具连接用，一端供Proxy-C处理单元用。
步骤S4、打开现场设备通信端口
Proxy-C处理单元检测到功能应用程序向虚拟的端口镜像打开通信连接操作后，向Proxy-X处理单元发送“打开设备端口”命令，Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发到与现场设备连接的Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的设备通信端口信息与现场设备建立通信连接。
打开设备通信端口由ModbusPoll工具发起，Proxy-C处理单元监测到对应端口的连接请求或事件，然后封装打开通信端口的命令报文发送给Proxy-X处理单元，Proxy-X处理单元根据命令包中的报文转发给目标Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元根据命令包中的信息建议与现场设备的建立通信连接，Proxy-S处理单元将连接结果发送给Proxy-X处理单元，Proxy-X处理单元再转发给Proxy-C处理单元，步骤如图3所示。打开远程设备通信口建立连接的处理过程如下：
步骤S41、应用程序连接Proxy-C处理单元模拟的通信端口，Proxy-C处理单元端口接收应用程序连接请求，将参照表4打开设备通信端口报文结构封装报文，报文结构字段CMD设为0x03，Proxy-C标识字段设为自身的标识码，Proxy-S标识字段设为S3步骤中使用的值，设备标识字段设为S3步骤查询结果对应的设备标识，端口标识字段设为对应端口标识，本地句柄字段值设为与应用程序的通信连接句柄值，远程句柄值设为-1，然后报文发送给Proxy-X处理单元；
如果使用Modbus Poll工具与机床GSK 980TDi建立通信连接，执行如下步骤：
步骤S41-11、打开Modbus Poll工具选择通信协议为Modbus TCP/IP，服务端口设为502，由于Mobus Poll工具运行在和Proxy-C处理单元同一个***上，远程服务地址设为127.0.0.1，确认连接；
步骤S41-12、Proxy-C处理单元模拟的TCP端口接收到Modbus Poll客户端的连接请求，将参照表4打开设备通信端口报文结构封装报文，报文结构字段CMD设为0x03，Proxy-C标识字段设为自身的标识码，Proxy-S标识字段设为S2步骤中使用的值，设备标识字段设为S2步骤查询结果CNC-001，端口标识字段设为CN54，本地句柄字段值设为与Modbus Poll的通信连接句柄值，远程句柄值设为-1，然后报文发送给Proxy-X单元，参见表3。
如果使用Modbus Poll工具与机床GSK 980TDc建立通信连接，执行如下步骤：
步骤S41-21、打开Modbus Poll工具选择通信协议为Modbus RTU，串口选择Proxy-C处理单元虚拟出的串口对中一个串口，串口参数设为S2中查询结果对应设备串口的通信参数，确认连接；
步骤S41-22、Proxy-C处理单元模拟的检测到与Modbus Poll工具用的端口的打开事件，将参照表4打开设备通信端口报文结构封装报文，报文结构字段CMD设为0x03，Proxy-C标识字段设为自身的标识码，Proxy-S标识字段设为S3步骤中使用的值，设备标识字段设为S3步骤查询结果CNC-002，端口标识字段设为CN51，本地句柄字段值设为与Modbus Poll的通信连接句柄值，远程句柄值设为-1，然后报文发送给Proxy-X处理单元，参见表3。
表3Proxy-C/Proxy-S处理单元为实现转发通信报文而存储的表结构样式
·本地连接句柄表
本地句柄 远程句柄 设备标识 端口标识
3 232 CNC-001 1
4 180 CNC-001 2
5 176 PLC-001 1
表4 Proxy-C、Proxy-X、Proxy-S处理单元间通信协议表
·打开设备通信端口请求报文结构
CMD＝0x03 Proxy-C标识 Proxy-S标识 设备标识 端口标识 本地句柄 远程句柄
·打开设备通信端口应答报文结构
CMD＝0xA3 Proxy-C标识 Proxy-S标识 设备标识 端口标识 本地句柄 远程句柄 错误代码 错误原因
·关闭设备通信端口请求报文结构
CMD＝0x04 Proxy-C标识 Proxy-S标识 设备标识 端口标识 本地句柄 远程句柄
·关闭设备通信端口应答报文结构
CMD＝0xA4 Proxy-C标识 Proxy-S标识 设备标识 端口标识 本地句柄 远程句柄 错误代码 错误原因
·转发设备通信数据请求报文结构
CMD＝0x05 Proxy-C标识 Proxy-S标识 设备标识 端口标识 本地句柄 远程句柄 通信报文
·转发设备通信数据应答报文结构
CMD＝0x05 Proxy-C标识 Proxy-S标识 设备标识 端口标识 本地旬柄 远程句柄 错误代码 错误原因
注：以上协议报文结构非严谨只为了方便说明
步骤S42、Proxy-X处理单元接收到报文从中提取Proxy-S标识，从本地代理表中查询Proxy-S标识对应的连接句柄，然后将报文写入这个连接句柄，即报文路由转发至目标Proxy-S的过程；
步骤S43、Proxy-S处理单元接收到报文后提取核对信息，Proxy-S处理单元依据报文中设备标识，端口标识与现场设备建立连接，封装应答报文，CMD字段设为0xA3，Proxy-C、Proxy-S、设备、端口标识和请求报文值相同，远程句柄字段设为请求报文的本地句柄值相同，如果与现场设备连接成功将本地句柄设为与设备通信连接的句柄值，并且本地连接句柄表中***一条记录，本地句柄字段值设为与设备通信连接的句柄值，远程句柄字段值设为应答报文中的本地句柄，用以后续通信转发用；如果连接失败值设为-1并且设置错误信息；应答报文封装完毕发送给Proxy-X处理单元；
步骤S44、Proxy-X处理单元接收到应答报文从中提取Proxy-X标识，从本地代理表中查询Proxy-X标识对应的连接句柄，然后将报文写入这个连接句柄，即报文路由转发至目标Proxy-X的过程；
步骤S45、Proxy-C处理单元接收到应答报文并核对，报文结构如图4所示，如果应答报文显示操作失败提示用户，否则在本地连接句柄表中***一条记录，本地句柄字段值设为应答报文中的远程句柄，远程句柄字段值设为应答报文中的本地句柄，用以后续通信转发用。
步骤S5、处理转发通信数据
当步骤S1～S4均已就绪后，现场设备配套的功能应用程序使用步骤S4建立的连接向对应的镜像端口发送请求报文，Proxy-C处理单元检测镜像端口接收到请求报文后，使用协议封装请求报文向Proxy-X处理单元发送“数据转发”命令；Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发到与现场设备连接的Proxy-S处理单元；Proxy-S处理单元接收到转发命令后，从命令数据包中提取应用程序发送的请求报文，并根据命令数据包中的设备标识、端口标识以及远程句柄字段信息向对应设备通信端口连接发送提取的请求报文。Proxy-S处理单元接收到设备端口连接的响应数据后，使用协议封装请求报文向Proxy-X处理单元发送“数据转发”命令；Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-C标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发给Proxy-C处理单元；Proxy-C处理单元接收到转发命令后，从命令数据包中提取现场设备的响应报文，并根据命令数据包中的设备标识、端口标识以及远程句柄字段信息向对应应用程序连接发送提取的响应报文。
通信数据转发分两个方向，第1种是应用程序发送通信数据，Proxy-C处理单元参考本地连接句柄表和转发设备通信数据报文格式封装程序发送的通信报文发给Proxy-X处理单元，Proxy-X处理单元根据报文信息以及本地中代理信息表路由转发给Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元提取出程序发送的通信报文并参考本地连接句柄表发送现场连接的设备，过程如表1所示；第2种是由现场设备发送通信数据，然后逆向转发给应用程序。
步骤S6、关闭现场设备通信端口
Proxy-C处理单元检测到功能应用程序向虚拟的端口镜像进行关闭通信连接操作后，向Proxy-X处理单元发送“关闭设备通信端口”命令，Proxy-X处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查询内部缓存的路由表，将命令转发到与目标设备连接的Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的设备通信端口信息与现场设备断开通信连接。
关闭设备通信端口由应用程序发起，Proxy-C处理单元监测到对应端口的连接请求或事件，然后封装关闭通信端口的命令报文发送给Proxy-X处理单元，Proxy-X处理单元根据命令包中的报文转发给目标Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元根据命令包中的信息建议与现场设备的建立通信连接，Proxy-S处理单元将连接结果发送给Proxy-X处理单元，Proxy-X处理单元再转发给Proxy-C处理单元，步骤如图3所示。关闭远程设备通信口建立连接的处理过程步骤如下：
步骤S61、Proxy-C处理单元端口接收应用程序断开连接请求或事件，将参照图4打开设备通信端口报文结构封装报文，报文结构字段CMD设为0x04，Proxy-C标识字段设为自身的标识码，Proxy-S标识字段设为S2步骤中使用的值，设备标识字段设为S2步骤查询结果对应的设备标识，端口标识字段设为对应端口标识，本地句柄字段值设为与应用程序的通信连接句柄值，远程句柄值设为本地连接句柄表中对应远程句柄，然后报文发送给Proxy-X处理单元；
步骤S62、Proxy-X处理单元接收到报文从中提取Proxy-S标识，从本地代理表中查询Proxy-S标识对应的连接句柄，然后将报文写入这个连接句柄，即报文路由转发至目标Proxy-S的过程；
步骤S63、Proxy-S处理单元接收到报文后提取核对信息，Proxy-S单元依据报文中设备标识，端口标识与现场设备断开连接，封装应答报文，CMD字段设为0xA4，Proxy-C、Proxy-S、设备、端口标识和请求报文值相同，远程句柄字段设为请求报文的本地句柄值相同，本地句柄字段设为-1，应答报文封装完毕发送给Proxy-X处理单元，并从本地连接句柄表中删除对应记录；
步骤S64、Proxy-X处理单元接收到应答报文从中提取Proxy-X标识，从本地代理表中查询Proxy-X标识对应的连接句柄，然后将报文写入这个连接句柄，即报文路由转发至目标Proxy-X的过程；
步骤S65、Proxy-C处理单元接收到应答报文并核对，报文结构如图4所示，从本地本地连接句柄表中删除对应记录。
为了实现Proxy-C处理单元、Proxy-X处理单元、Proxy-S处理单元之间通信链的通信，基于TCP传输层开发了应用层传输协议：
Proxy-C处理单元与Proxy-X处理单元之间只建立一条TCP连接通道，当Proxy-C处理单元虚拟的单一端口镜像与多个功能应用程序通信或虚拟的多个端口镜像被多个功能应用程序通信，所有的连接通信都复用这条唯一的TCP通道与Proxy-X处理单元进行数据传输；
Proxy-C处理单元与Proxy-X处理单元之间只建立一条TCP连接通道，当Proxy-C处理单元虚拟的单一端口镜像与多个功能应用程序通信或虚拟的多个端口镜像被多个功能应用程序通信，所有的连接通信都复用这条唯一的TCP通道与Proxy-X处理单元进行数据传输。
本发明的现场设备通信端口注册，包括如下步骤：
如果服务地址未变更，则跳过步骤S21直接执行步骤S22，配置Proxy-S处理单元连接Proxy-X处理单元的服务地址；
如果配置信息未变更，则跳过步骤S22直接执行步骤S23，否则根据现场设备对应的配套功能应用程序所需的通信端口，在Proxy-S处理单元中配置一个或多个现场设备的一个或多个通信端口信息；如果现场设备使用TCP/UDP端口服务，配置IP地址加上服务端口；如果现场设备使用RS-232/RS-485/RS-422串口通信，则配置串口打开所需的参数；
完成上述配置后，重启Proxy-S处理单元或手动注册重新与Proxy-X处理单元建立TCP连接，使用“设备通信端口注册”命令将配置的通信端口信息和Proxy-S处理单元身份唯一标识符发送给Proxy-X处理单元，如果TCP连接异常；Proxy-S处理单元会自动发起重连，重连成功后会再次提交注册信息；
Proxy-X处理单元接收到“设备通信端口注册”命令后，从命令数据包提取Proxy-S标识符，查看缓存表中是否已有此Proxy-S标识符的记录，如果有则更新，如果没有则新建，并将对应记录标识为在线状态；如果Proxy-S处理单元检测到TCP连接正常或异常断开，将对应的Proxy-S缓存记录标识为离线状态。
本发明的现场设备通信端口镜像，包括如下步骤：
如果服务地址未变更，Proxy-C处理单元向Proxy-X处理单元发送“查询设备通信端口”命令，以查询对应现场设备的通信端口信息和状态信息；如果服务地址变更，则配置Proxy-C处理单元连接Proxy-X处理单元的服务地址；
依据配置的结果，进入端口镜像任务；
Proxy-C处理单元关闭所有打开的端口镜像。
本发明的打开现场设备通信端口，包括如下步骤：
配套功能应用程序向Proxy-C处理单元模拟出的通信端口镜像发送通信连接请求；
Proxy-C处理单元接收或检测到通信端口端口通信连接请求，使用通信协议组“打开现场设备通信端口”命令包发送给Proxy-X处理单元，命令包除携带远程设备通信端口信息外还携带了连接请求信息，以便后续响应数据能正确送到请求端；
Proxy-X处理单元收到“打开现场设备通信端口”命令后，根据命令包中携带的远程设备通信端口信息查询缓存的路由转发表，并将命令转发到配置现场设备的Proxy-S处理单元；
Proxy-S处理单元接收到“打开现场设备通信端口”命令后，根据命令包中携带的远程设备通信端口信息查询本地配置对应的现场设备通信端口参数，使用参数尝试打开对应现场设备的通信端口建立通讯连接，如果处理成功将生成一个会话标识符嵌入应答数据包，并将应答数据包发送给Proxy-X处理单元；
如果Proxy-X处理单元接收的应答数据包显示操作成功，则将对应的现场设备通信端口的缓存记录置为打开状态；然后将反馈结果转发给源Proxy-C处理单元；
如果Proxy-C处理单元接收的应答数据包显示操作失败，则拒绝设备配套功能应用程序的连接请求，否则提取应答数据包中携带的会话标识符，用作后续转发设备通信数据包用。
本发明的处理转发通信数据，包括如下步骤：
配套功能应用程序向Proxy-C处理单元发送通信请求数据包；
Proxy-C处理单元使用协议包装得到转发数据包，转发数据包的头部包含目标设备对应的基础字段，所述基础字段包括Proxy-S标识符、设备端口信息、会话标识符；将配套功能应用程序发送的通信请求数据包作为有效负载嵌入到整个转发数据包的尾部，然后将包装好的转发数据包发送给Proxy-X处理单元；
Proxy-X处理单元接收到转发数据包后，根据转发数据包中的设备端口信息转发给配置现场设备的Proxy-S处理单元；
Proxy-S处理单元根据接收到转发数据包后，从数据包中提取有效负载，并根据转发数据包中的会话标识找到对应现场设备的连接通道，将有效负载数据传输给目标设备；
Proxy-S处理单元接收设备的响应数据后，将响应数据作为有效负载包装成转发数据包，然后发送Proxy-X处理单元；
Proxy-X处理单元接收到转发数据包后，根据转发数据包中的设备端口信息转发给配置现场设备的Proxy-C处理单元；
Proxy-C处理单元接收到转发数据包后，根据转发数据包中的设备端口信息转发给设备配套功能应用程序。
本发明的关闭现场设备通信端口，包括如下步骤：
配套功能应用程序向Proxy-C处理单元模拟出的通信端口镜像，发送通信断开请求；
Proxy-C处理单元接收或检测到通信断开请求后，首先断开与配套功能应用程序的连接，然后使用通信协议组成“关闭设备通信端口”命令包发送给Proxy-X处理单元，命令包除携带远程设备通信端口信息外，还携带了连接请求信息以便后续响应数据能正确送到请求端；
Proxy-X处理单元接收到“关闭设备通信端口”命令后，首先将对应设备通信端口的缓存记录置为关闭状态，然后将关闭命令转发到现场的Proxy-S处理单元；
Proxy-S处理单元接收到“关闭设备通信端口”命令后根据命令中携带的远程设备通信端口信息，关闭对应现场设备的通信端口建立通讯连接。
本发明的Proxy-C处理单元打开或关闭现场设备通信连接时，
如果设备通信端口类型是RS-232/RS-485/RS-422，Proxy-C处理单元监控预留给功能应用程序用端口镜像，监控串口被打开事件说明功能应用程序已打开串口准备通信；反之监控到串口关闭事件则说明功能应用程序关闭串口终止通信；
如果设备通信端口类型是TCP网络端口服务，Proxy-C处理单元模拟的TCP网络端口镜像服务接收到客户端发送TCP连接握手即可说明功能应用程序建立连接准备通信；反之接收TCP断开连接请求说明应用程序断开连接终止通信。
如果现场设备在通信中相对于功能应用是服务端，那么Proxy-S处理单元部署在远程设备侧，Proxy-C处理单元部署在功能程序侧；
如果现场设备在通信中相对于功能应用是客户端，那么Proxy-C处理单元部署在现场设备侧，Proxy-S单元部署在功能程序侧；
如果现场设备在通信中和功能程序互为客户端、服务端双重角色，Proxy-C处理单元拥有Proxy-S处理单元的功能，Proxy-C处理单元也外加Proxy-S处理单元的功能；
一种工业设备远程通信连接的装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明所述的通信连接和数据转发的方法。
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、组件单元服务部署
设置Proxy-C、Proxy-X、Proxy-S三个处理单元，其中Proxy-S处理单元部署在现场设备侧，Proxy-C处理单元部署在应用程序侧， Proxy-X处理单元作为为Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元提供服务的整个装置的中心节点，部署在Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元均能够访问的网络节点上；
Proxy-X处理单元提供了“注册设备通信端口”、“查询设备通信端口”、“打开设备通信端口”、“关闭设备通信端口”以及“处理转发通信数据”共五个基础服务接口；另外Proxy-X处理单元的内部缓存设备端口信息并提供检索和更新能力，根据缓存表信息实现Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元通信数据路由转发功能；
步骤S2、现场设备通信端口注册
根据现场设备提供的通信端口，有选择地将端口信息配置在Proxy-S处理单元中，支持配置多个现场设备的信息，Proxy-S处理单元与Proxy-X处理单元服务建立通信连接后发送“注册设备通信端口”命令将现场设备的通信端口信息提交给Proxy-X处理单元进行缓存；将现场设备与Proxy-S处理单元进行通信链路连接后，Proxy-X处理单元作为Proxy-S处理单元和现场设备间的中心节点，实时接收、处理、转发通信数据包；在Proxy-S处理单元中配置一个或多个现场设备的一个或多个通信端口信息；如果现场设备使用TCP/UDP端口服务，配置IP地址加上服务端口；如果现场设备使用RS-232/RS-485/RS-422串口通信，则配置串口打开所需的参数；
步骤S3、现场设备通信端口镜像
Proxy-C处理单元主动与Proxy-X处理单元服务建立通信连接，并能够发送“查询设备通信端口”命令获取远程设备的端口信息，获取端口信息列表后选择性地对设备的目标端口在Proxy-C处理单元宿主***内进行镜像，现场设备配套的功能应用程序能够访问模拟出的通信端口获取远程现场设备；Proxy-X处理单元作为Proxy-C处理单元和功能应用程序的中心节点，实时接收、处理、转发通信数据包；
步骤S4、打开现场设备通信端口
Proxy-C处理单元检测到功能应用程序向虚拟的端口镜像打开通信连接操作后，向Proxy-X处理单元发送“打开设备端口”命令，Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发到与现场设备连接的Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的设备通信端口信息与现场设备建立通信连接；
步骤S5、处理转发通信数据
当步骤S1~S4均已就绪后，现场设备配套的功能应用程序使用步骤S4建立的连接向对应的镜像端口发送请求报文，Proxy-C处理单元检测镜像端口接收到请求报文后，使用协议封装请求报文向Proxy-X处理单元发送“数据转发”命令；Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发到与现场设备连接的Proxy-S处理单元；Proxy-S处理单元接收到转发命令后，从命令数据包中提取应用程序发送的请求报文，并根据命令数据包中的设备标识、端口标识以及远程句柄字段信息向对应设备通信端口连接发送提取的请求报文；Proxy-S处理单元接收到设备端口连接的响应数据后，使用协议封装请求报文向Proxy-X处理单元发送“数据转发”命令；Proxy-X处理单元接收到命令后根据命令数据包中携带的Proxy-C标识符号查查询内部缓存的路由表，将命令转发给Proxy-C处理单元；Proxy-C处理单元接收到转发命令后，从命令数据包中提取现场设备的响应报文，并根据命令数据包中的设备标识、端口标识以及远程句柄字段信息向对应应用程序连接发送提取的响应报文；
步骤S6、关闭现场设备通信端口
Proxy-C处理单元检测到功能应用程序向虚拟的端口镜像进行关闭通信连接操作后，向Proxy-X处理单元发送“关闭设备通信端口”命令，Proxy-X处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的Proxy-S标识符号查询内部缓存的路由表，将命令转发到与目标设备连接的Proxy-S处理单元，Proxy-S处理单元接收到命令后，根据命令数据包中携带的设备通信端口信息与现场设备断开通信连接；
所述Proxy-C处理单元打开或关闭现场设备通信连接，
如果设备通信端口类型是RS-232/RS-485/RS-422，Proxy-C处理单元监控预留给功能应用程序用端口镜像，监控串口被打开事件说明功能应用程序已打开串口准备通信；反之监控到串口关闭事件则说明功能应用程序关闭串口终止通信；
如果设备通信端口类型是TCP网络端口服务，Proxy-C处理单元模拟的TCP网络端口镜像服务接收到客户端发送TCP连接握手即可说明功能应用程序建立连接准备通信；反之接收TCP断开连接请求说明应用程序断开连接终止通信。
2.根据权利要求1所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，为了实现Proxy-C处理单元、Proxy-X处理单元、Proxy-S处理单元之间通信链的通信，基于TCP传输层开发了应用层传输协议：
Proxy-C处理单元与Proxy-X处理单元之间只建立一条TCP连接通道，当Proxy-C处理单元虚拟的单一端口镜像与多个功能应用程序通信或虚拟的多个端口镜像被多个功能应用程序通信，所有的连接通信都复用这条唯一的TCP通道与Proxy-X处理单元进行数据传输；
Proxy-S处理单元与Proxy-X处理单元之间只建立一条TCP连接通道，Proxy-S单元可能会与现场多个设备或者一个设备上的多个端口建立通信连接，Proxy-S单元在执行命令转发过程中复用这条唯一的TCP通道与Proxy-X处理单元进行数据传输。
3.根据权利要求1所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，所述步骤S2的现场设备通信端口注册，包括如下步骤：
步骤S21、如果服务地址未变更，则跳过步骤S21直接执行步骤S22， 配置Proxy-S处理单元连接Proxy-X处理单元的服务地址；
步骤S22、如果配置信息未变更，则跳过步骤S22直接执行步骤S23，否则根据现场设备对应的配套功能应用程序所需的通信端口，在Proxy-S处理单元中配置一个或多个现场设备的一个或多个通信端口信息；如果现场设备使用TCP/UDP端口服务，配置IP地址加上服务端口；如果现场设备使用RS-232/RS-485/RS-422串口通信，则配置串口打开所需的参数；
步骤S23、完成步骤S21、步骤S22的配置后，重启Proxy-S处理单元或手动注册重新与Proxy-X处理单元建立TCP连接，使用“设备通信端口注册”命令将配置的通信端口信息和Proxy-S处理单元身份唯一标识符发送给Proxy-X处理单元，如果TCP连接异常；Proxy-S处理单元会自动发起重连，重连成功后会再次提交注册信息；
步骤S24、Proxy-X处理单元接收到“设备通信端口注册”命令后，从命令数据包提取Proxy-S标识符，查看缓存表中是否已有此Proxy-S标识符的记录，如果有则更新，如果没有则新建，并将对应记录标识为在线状态；如果Proxy-S处理单元检测到TCP连接正常或异常断开，将对应的Proxy-S缓存记录标识为离线状态。
4.根据权利要求1所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，所述步骤S3的现场设备通信端口镜像，包括如下步骤：
步骤S31、如果服务地址未变更，跳过步骤S31直接执行步骤S32，并配置Proxy-C处理单元连接Proxy-X处理单元的服务地址；
步骤S32、 Proxy-C处理单元向Proxy-X处理单元发送“查询设备通信端口”命令，以查询对应现场设备的通信端口信息和状态信息；
步骤S33、依据步骤S32查询的结果，进入端口镜像任务；
步骤S34、Proxy-C处理单元关闭所有打开的端口镜像。
5.根据权利要求1所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，所述步骤S4的打开现场设备通信端口，包括如下步骤：
步骤S41、配套功能应用程序向Proxy-C处理单元模拟出的通信端口镜像发送通信连接请求；
步骤S42、Proxy-C处理单元接收或检测到通信端口端口通信连接请求，使用通信协议组“打开现场设备通信端口”命令包发送给Proxy-X处理单元，命令包除携带远程设备通信端口信息外还携带了连接请求信息，以便后续响应数据能正确送到请求端；
步骤S43、Proxy-X处理单元收到“打开现场设备通信端口”命令后，根据命令包中携带的远程设备通信端口信息查询缓存的路由转发表，并将命令转发到配置现场设备的Proxy-S处理单元；
步骤S44、Proxy-S处理单元接收到“打开现场设备通信端口”命令后，根据命令包中携带的远程设备通信端口信息查询本地配置对应的现场设备通信端口参数，使用参数尝试打开对应现场设备的通信端口建立通讯连接，如果处理成功将生成一个会话标识符嵌入应答数据包，并将应答数据包发送给Proxy-X处理单元；
步骤S45、如果Proxy-X处理单元接收的应答数据包显示操作成功，则将对应的现场设备通信端口的缓存记录置为打开状态；然后将反馈结果转发给源Proxy-C处理单元；
步骤S46、如果Proxy-C处理单元接收的应答数据包显示操作失败，则拒绝设备配套功能应用程序的连接请求，否则提取应答数据包中携带的会话标识符，用作后续转发设备通信数据包用。
6.根据权利要求1所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，所述步骤S5的处理转发通信数据，包括如下步骤：
步骤S51、配套功能应用程序向Proxy-C处理单元发送通信请求数据包；
步骤S52、Proxy-C处理单元使用协议包装得到转发数据包，转发数据包的头部包含目标设备对应的基础字段，所述基础字段包括Proxy-S标识符、设备端口信息、会话标识符；将配套功能应用程序发送的通信请求数据包作为有效负载嵌入到整个转发数据包的尾部，然后将包装好的转发数据包发送给Proxy-X处理单元；
步骤S53、Proxy-X处理单元接收到转发数据包后，根据转发数据包中的设备端口信息转发给配置现场设备的Proxy-S处理单元；
步骤S54、Proxy-S处理单元根据接收到转发数据包后，从数据包中提取有效负载，并根据转发数据包中的会话标识找到对应现场设备的连接通道，将有效负载数据传输给目标设备；
步骤S55、Proxy-S 处理单元接收设备的响应数据后，将响应数据作为有效负载包装成转发数据包，包装方法同步骤S52一致，然后发送Proxy-X处理单元；
步骤S56、Proxy-X处理单元接收到转发数据包后，根据转发数据包中的设备端口信息转发给配置现场设备的Proxy-C处理单元；
步骤S57、Proxy-C处理单元接收到转发数据包后，根据转发数据包中的设备端口信息转发给设备配套功能应用程序。
7.根据权利要求1所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于，所述步骤S6关闭现场设备通信端口，包括如下步骤：
步骤S61、配套功能应用程序向Proxy-C处理单元模拟出的通信端口镜像，发送通信断开请求；
步骤S62、Proxy-C处理单元接收或检测到通信断开请求后，首先断开与配套功能应用程序的连接，然后使用通信协议组成“关闭设备通信端口”命令包发送给Proxy-X处理单元，命令包除携带远程设备通信端口信息外，还携带了连接请求信息以便后续响应数据能正确送到请求端；
步骤S63、Proxy-X处理单元接收到“关闭设备通信端口”命令后，首先将对应设备通信端口的缓存记录置为关闭状态，然后将关闭命令转发到现场的Proxy-S处理单元；
步骤S64、Proxy-S处理单元接收到“关闭设备通信端口”命令后根据命令中携带的远程设备通信端口信息，关闭对应现场设备的通信端口建立通讯连接。
8.根据权利要求5或7所述所述的工业现场设备远程通信连接的方法，其特征在于：Proxy-C处理单元和Proxy-S处理单元部署的位置；
如果现场设备在通信中相对于功能应用是服务端，那么Proxy-S处理单元部署在远程设备侧，Proxy-C处理单元部署在功能程序侧；
如果现场设备在通信中相对于功能应用是客户端，那么Proxy-C处理单元部署在现场设备侧，Proxy-S单元部署在功能程序侧；
如果现场设备在通信中和功能程序互为客户端、服务端双重角色，Proxy-C处理单元拥有Proxy-S处理单元的功能，Proxy-C处理单元也外加Proxy-S处理单元的功能。
9.一种工业设备远程通信连接的装置，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1～8中任意一项所述工业现场设备远程通信连接的方法。
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