Розширені функції та функціональні блоки

Функціональні блоки Ethernet

Функціональні блоки для зв’язку Ethernet використовуються для обміну даними між пристроями Ethernet за допомогою протоколів User Datagram Protocol (UDP), Transmission Control Protocol (TCP) і Transport Layer Security (TLS). Про протоколи TCP та UDP Ви можете почитати в цій лекції.

TCP/TLS

TCP (Transmission Control Protocol) — це протокол, орієнтований на підключення, який дозволяє надсилати та/або отримувати потоки даних між двома кінцевими точками через мережеве з’єднання. Орієнтований на з’єднання означає, що перед обміном даними спочатку між комунікаційними партнерами має бути встановлено з’єднання. Під час обміну даними з’єднання залишається відкритим. Після завершення обміну даними з’єднання потрібно закрити. TCP включає перевірку помилок і гарантує повну доставку даних, включаючи порядок, у якому було надіслано пакети.

TLS (Transport Layer Security) — це криптографічний протокол, який забезпечує безпечний зв’язок між партнерами по зв’язку в мережі. Протокол TLS працює поверх протоколу TCP.

Обидва протоколи реалізовані через наступні функціональні блоки, які детально описані за посиланням:

Функція	Короткий опис
TLS_SOCKET_2	Відкриває та закриває сокет TCP або TLS та ініціалізує зв’язок
TLS_SEND_2	Відправляє дані через TCP/TLS
TLS_RECEIVE_2	Отримує дані з TCP/TLS

Короткий опис блоків

Функціональний блок TLS_SOCKET_2 поєднує обробку TCP і TLS. Його вхідний параметр START_TLS вказує чи ініціалізувати та використовувати протокол TLS поверх TCP чи використовується чистий TCP. Функціональний блок може працювати як в режимі клієнта так і сервера. Як сервер він може спілкуватися з кількома клієнтами TCP/TLS.

На виході HANDLE формуються ідентифікатори сокетів (дескриптори), створені TLS_SOCKET_2, які в подальшому використовуються функціональними блоками TLS_SEND_2 і TLS_RECEIVE_2. По передньому фронту на вході ACTIVATE система починає відкривати сокет TCP/TLS. Після відкриття сокета та успішного встановлення з’єднання вихід ACTIVE встановлюється в TRUE. Лише коли ACTIVE = TRUE, дескриптор сокета, наданий на виході HANDLE, можна використовувати для наступних викликів функціональних блоків TLS_SEND_2/TLS_RECEIVE_2. По здньому фронту сигналу входу ACTIVATE система закриває сокет. Сокет залишається відкритим, поки вхід ACTIVATE=TRUE.

Вихід BUSY встановлюється в TRUE тоді, коли вхід ACTIVATE має значення TRUE, а сокет все ще не відкритий. Якщо вхід ACTIVATE перемикається в FALSE, сокет закривається, а вихід ACTIVE встановлено в FALSE . Якщо з’єднання втрачено, функціональний блок намагається відновити з’єднання, поки ACTIVATE = TRUE.

Вхід START_TLS означує, чи функціональні блоки TLS_SEND_2/TLS_RECEIVE_2 надсилають і отримують дані через чисте з’єднання TCP чи через з’єднання TLS. Вхідні дані SEND_SECURE/RECEIVE_SECURE функціональних блоків мають відповідати значенню START_TLS. Коли з’єднання встановлено з переднім фронтом на START_TLS ініціалізується протокол TLS, тобто існуюче з’єднання TCP оновлюється до з’єднання TLS. Поки START_TLS = TRUE, дані надсилаються й отримуються через захищене з’єднання TLS. Для ініціалізації протоколу TLS використовуються дані, застосовані на вході CONNECT_INFO при активації функціонального блоку. Попередньо означена структура на вході CONNECT_INFO містить, серед іншого, сертифікати клієнта та сервера, що містяться в довіреному сховищі та сховищі ідентифікаційних даних пристроїв, які використовуються для автентифікації.

Якщо IS_SRV = TRUE, функціональний блок створює прослуховуючий (серверний) сокет. Сокет може бути прив’язаний до вказаного локального адаптера Ethernet (вхід BIND_IP) і порту (вхід BIND_PORT) і очікує на вхідні запити від віддалених клієнтів. За потреби кількість прийнятих клієнтів можна обмежити, вказавши входи DEST_IP/DEST_PORT. Якщо IS_SRV = FALSE, створюється клієнтський сокет. У випадку клієнтського сокета входи DEST_IP/DEST_PORT використовуються для вказівки IP-адреси та IP-порту сервера для зв’язку.

Деталі описані в розділі TLS_SOCKET_2.

Функціональний блок TLS_SEND_2 використовується для надсилання даних через TCP або TLS через відкритий сокет функціональним блоком TLS_SOCKET_2.

Після відкриття сокета та встановлення з’єднання функціональний блок надсилає дані комунікаційному партнеру через TCP або TLS. Тип підключення залежить від значення входу START_TLS функціонального блоку TLS_SOCKET_2: при START_TLS = FALSE - чисте з’єднання TCP, при START_TLS = TRUE - TLS.

Кожна операція передачі ініціюється переднім фронтом на вході запиту REQ. Під час цього циклу функціональний блок копіює дані для надсилання (застосовуються до вхідних даних DATA) у внутрішній буфер. Поки дані надсилаються з внутрішнього буфера вихід BUSY встановлено в TRUE.

Якщо з’єднання розірвано та партнера по зв’язку неможливо досягти, вихід ERROR встановлюється на TRUE протягом одного циклу. Відповідний код помилки надається на виході STATUS протягом цього циклу.

Після успішного надсилання даних DONE = TRUE на один цикл.

Деталі описані в розділі TLS_SEND_2

Функціональний блок TLS_RECEIVE_2 використовується для отримання даних через TCP або TLS відкритого за допомогою функціонального блоку TLS_SOCKET_2 .

Після відкриття сокета та встановлення з’єднання функціональний блок отримує дані від партнера по зв’язку через чисте з’єднання TCP або захищене з’єднання TLS. Тип підключення залежить від значення входу START_TLS функціонального блоку TLS_SOCKET_2.

Якщо вхід EN_R має значення TRUE, функціональний блок очікує дані на вході. Якщо дані були успішно отримані, вихід NDR встановлюється в TRUE для кожного циклу, у якому вказаний обсяг даних було скопійовано до буфера DATA. Якщо нових даних не отримано, NDR має значення FALSE.

Пристрій, з якого надходять дані, вказується на виходах SOURCE_IP (IP-адреса пристрою-відправника) і SOURCE_PORT (номер порту пристрою-відправника).

Вхід EXP_DATA_CNT вказує на кількість байтів даних, які очікується отримати. Якщо значення більше за 0, лише зазначена кількість байтів копіюється до змінної, підключеної до буфера DATA. Якщо значення дорівнює 0, усі дані, отримані після останнього виклику, копіюються до змінної, пов’язаної з буфером DATA (кількість скопійованих байтів обмежена розміром підключеної змінної). Вихід DATA_CNT відповідно вказує на кількість отриманих байт (на один цикл). Ви можете використовувати функцію SIZEOF, щоб визначити розмір змінної (кількість байтів, зарезервованих для змінної в пам’яті контролера).

Деталі описані в розділі TLS_RECEIVE_2

Приклад створення простого TCP-клієнта

У даному прикладі в якості сервера використовується програма, написана Node-RED. У якості альтернативи можна також використати безкоштовну утиліту Packet Sender (або аналогічну), яка не потребує програмування. Зауважте, що для Packet Sender треба ставити опцію Persisten Connection інакше з’єднання буде розриватися після отримання даних.

Приклад можна використовувати для тестування на емуляторі ПЛК, при цьому треба вказати реальний IP комп’ютера де буде запущений Node-RED (або Packet Sender), навіть якщо це буде той самий ПК, де виконується емулятор ПЛК.

У прикладі програма в PLCnext пересилає дані зі структурної змінної типу TOSEND на Node-RED і отримує у відповідь значення змінної типу TORCV. Типи мать бути створені в проекті PLCnext та описані нижче.

TYPE
    TOSEND : STRUCT
        int1 : INT;
        real1: REAL:=0.0;
    END_STRUCT
    TORCV : STRUCT
        int1 : INT;
        int2 : INT;
        real1: REAL:=0.0;
        real2: REAL:=0.0;        
    END_STRUCT    
END_TYPE

Сервер в Node-RED реалізований через два вузли:

• tcp in, який прослуховує порт 5556 та сприймає усі вхідні дані як потік байт (Buffer),
• та tcp out, який відповідає клієнту.

Між tcp in та tcp out є функція, яка обробляє вхідні дані та за певною логікою формує на основі них вихідні значення. Нижче наведений код з коментарами:

let bufferIn = Buffer.from (msg.payload);//зробити буфер з вхідних даних 
let bufferOut = Buffer.alloc(12,0x00);//виділити пам'ять на 12 байт 
//потік байт - в структуру 
msg.PLC_SEND = {
    int1 : bufferIn.readInt16LE(0),//0,1 байт як int 
    real1 : bufferIn.readFloatLE(4)};//4,5,6,7 байт як REAL 
//вихідна структура
msg.PLC_RCV = {
    int1 : msg.PLC_SEND.int1,
    int2 : msg.PLC_SEND.int1 + 10,
    real1 : msg.PLC_SEND.real1,
    real2 : msg.PLC_SEND.real1 + 10.0
}
//структуру - в потік байт
bufferOut.writeInt16LE(msg.PLC_RCV.int1, 0);
bufferOut.writeInt16LE(msg.PLC_RCV.int2, 2);
bufferOut.writeFloatLE(msg.PLC_RCV.real1, 4);
bufferOut.writeFloatLE(msg.PLC_RCV.real2, 8);
msg.payload = bufferOut;//на вихід потік байт
return msg;

Зауважте, що змінні в структурах PLCnext вирівнюються, тому вхідне повідомлення містить 2-й та 3-й байти порожні. Після реалізації програми на виході вузла msg буде повідомлення схоже на наведеному на рисунку нижче.

У PLCnext основна частина програми клієнта матиме вигляд:

З’єднання ініціюється переднім фронтом CMD_TCPCONN. При цьому для BIND не вказується порт та IP, що передбачає використання усіх можливих інтерфейсів ПЛК та вільного з пулу клієнтського TCP-порта. TLS в цьому прикладі не задіюється, тому і CONNECT_INFO не потрібен. Коли ACTVE=TRUE передача даних ініціюється переднім фронтом CMD_SEND. Для вказівки кількості даних при передачі використовується функція SIZEOF. Отримання даних очікується також при ACTVE=TRUE. При цьому довжина не вказується (EXP_DATA_CNT = 0), тому дані будуть повністю записані у виділену змінну TORECV1.

Змінна TOSEND1 має тип TOSEND, а TORECV1 - TORECV. Ці змінні змінюються через кожні 2 секунди і тоді ж встановлюється CMD_SEND, тоді як після передачі CMD_SEND скидається (див рис. вище вихід DONE). Фрагмент програми зміни змінних та CMD_SEND:

Ініціювання підключення та перепідключення реалізується за наступною логікою.

Слід зауважити що наведена вище програма є досить спрощеною. В реальних умовах можливо знадобиться детальніше аналізувати помилки та отримані результати з блоків.

UDP

UDP (User Datagram Protocol) — це мережевий протокол без підключення, який обмінюється так званими дейтаграмами між пристроями Ethernet, що підтримують UDP, без підтвердження. Без з’єднання означає, що немає необхідності спочатку встановлювати з’єднання перед надсиланням або отриманням дейтаграм. Відправник, наприклад, просто надсилає дейтаграму і не перевіряє, чи її отримав одержувач. Дейтаграма UDP складається з заголовка UDP, за яким слідують дані. Адресна інформація, тобто інформація про відправника та одержувача дейтаграми, міститься в заголовку UDP. Для зв’язку через UDP доступні такі функціональні блоки:

Функція	Короткий опис
UDP_SOCKET_2	реалізація UDP-сокету з підтримкою ширкомовної передачі
UDP_SEND_2	відправка по UDP
UDP_RECEIVE_2	отримання по UDP

UDP-сокет представлено вихідним параметром HANDLE. Цей дескриптор має бути направлено до функціональних блоків UDP_SEND_2 і UDP_RECEIVE_2, яким потрібен дескриптор сокета для обміну даними з партнером по зв’язку.

З наростаючим фронтом на вході ACTIVATE система починає відкривати сокет. Після відкриття сокета та успішного встановлення з’єднання вихід ACTIVE встановлюється в TRUE. Лише коли стане ACTIVE = TRUE, дескриптор сокета, наданий на виході HANDLE, можна використовувати для наступних викликів функціональних блоків UDP_SEND_2/UDP_RECEIVE_2. Сокет залишається відкритим до тих пір, поки вхід ACTIVATE має значення TRUE. Вихід BUSY встановлюється в TRUE у тому випадку, коли ACTIVATE має значення TRUE, а сокет все ще не відкритий. Як тільки сокет відкривається, BUSY встановлюється на FALSE і залишається FALSE, поки ACTIVE = TRUE.

IP-адресу та порт Ethernet-адаптера, який буде використовуватися для обміну даними, можна вказати за допомогою входів BIND_IP і BIND_PORT. Вхід BROADCAST керує тим, чи адресовано одного конкретного партнера зв’язку (FALSE) чи в широкомованому режимі (якщо застосовано TRUE). Якщо вхід ACTIVATE перемикається на FALSE, сокет закритий, а вихід ACTIVE встановлено на FALSE.

Функціональні блоки для зв’язку UDP обробляються асинхронно. Це означає, що функціональні блоки видають команди та чекають їх обробки. У разі гарячого чи холодного старту або скидання контролера мікропрограма закриває всі сокети, які були відкриті за допомогою відповідного екземпляра екземпляра UDP_SOCKET_2.

Функціональний блок UDP_SEND_2 використовується для надсилання дейтаграми UDP. Перш ніж надсилати дані, UDP-сокет потрібно відкрити за допомогою функціонального блоку UDP_SOCKET_2.

Кожна операція передачі ініціюється наростаючим фронтом на вході запиту REQ. Під час цього циклу функціональний блок копіює дані для надсилання (застосовуються до вхідних даних DATA) у внутрішній буфер. Вихід BUSY встановлено на TRUE, поки дані надсилаються з внутрішнього буфера. Якщо BUSY = TRUE, вхід REQ ігнорується. Передача нових даних, які доступні на вході DATA під час поточного циклу передачі, може бути ініційована лише за допомогою наростаючого фронту на вході REQ, якщо для виходу BUSY встановлено значення FALSE.

Якщо під час виконання функціонального блоку виникає помилка, вихід ERROR встановлюється вTRUE протягом одного циклу. Відповідний код помилки надається на виході STATUS протягом цього циклу.

Пристрій, на який мають бути надіслані дані, вказується за допомогою параметра DEST_IP (IP-адреса пристрою-одержувача) і параметра DEST_PORT (номер порту пристрою-одержувача).

Якщо відповідний сокет було створено з параметром BROADCAST = TRUE у функціональному блоці UDP_SOCKET_2, дані можна надсилати як широкомовну розсилку. Для цього DEST_IP має бути встановлено на широкомовну адресу 255.255.255.255.

На рисунку ничже показаний приклад передачі активного реального часу ПЛК кожну секунду. Приклад можна протестувати на емуляторі ПЛК з використанням тестової програми Packet Sender (або аналогічної).