基于嵌入式Internet技術(shù)的通用RTU設計

遠程終端設備（Remote Terminal Unit，RTU）是一種遠程測控智能裝置。它不僅可以采集、監測、計算和存貯現場(chǎng)的設備信號，而且能獨立地完成預定的控制程序、執行上位機的指令，并將執行結果和現場(chǎng)數據回傳上位機。RTU比PLC具有更優(yōu)良的通訊和控制能力，適用于惡劣的工作環(huán)境及實(shí)現復雜的特殊算法。

然而，隨著(zhù)自動(dòng)化、計算機、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的不斷發(fā)展以及ERP戰略的廣泛實(shí)施，各種應用和服務(wù)對信息的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴展性等提出了越來(lái)越高的要求。目前傳統RTU無(wú)論在結構上還是實(shí)現方法上都已經(jīng)很難滿(mǎn)足實(shí)際現場(chǎng)的要求。主要表現在：（1）通信規約不統一。存在眾多的通信規約，如DNP 3.0、Modbus、SCI、CDC、CDT等等，各大生產(chǎn)廠(chǎng)家都遵循著(zhù)自己的一套通信規約，不同設備之間的互聯(lián)及升級較困難；（2）通訊速率較低。傳統的RTU通信方式多為RS-232/422/485總線(xiàn)方式，最基本的“四遙”量只能以秒級傳送，通信速率成為系統性能的瓶頸，已遠遠不能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監控要求。

90年代后期，Internet/Intranet技術(shù)日趨成熟，設備網(wǎng)絡(luò )化及普適計算模式的概念不斷形成，新投入的自動(dòng)化系統及管理網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始廣泛地采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，新的自動(dòng)化控制與通訊國際標準也不斷出臺。這就要求新型的RTU能夠充分利用現有通信資源，提高數據的吞吐量，保證系統的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又具有更好的開(kāi)放性、兼容性。為適應這一發(fā)展潮流，本文遵照國際電工委員會(huì )IEC 60870-5-104通信標準，設計了一套基于嵌入式Internet技術(shù)的通用型RTU-Webit-GRTU，可在任何Internet/Intranet的結點(diǎn)上對Webit-GRTU系統進(jìn)行全面的遠程訪(fǎng)問(wèn)，為傳統RTU低成本更新?lián)Q代開(kāi)辟了一條途徑。

1嵌入式Internet技術(shù)與Webit

嵌入式Internet技術(shù)是一種設備接入技術(shù)或者說(shuō)是一種異種網(wǎng)絡(luò )互連技術(shù)，它主要解決的問(wèn)題是通過(guò)Web和嵌入式技術(shù)實(shí)現從不同的子網(wǎng)、不同物理區域對接入到Internet的設備和異類(lèi)子網(wǎng)進(jìn)行監控、診斷、管理及維護等操作，使用戶(hù)對接入到Internet上的各種設備或其他類(lèi)型的子網(wǎng)具有遠程監控、診斷和管理的能力。圖1為采用了嵌入式Internet技術(shù)的Webit與電視機、攝像機、UPS、RTU等設備綁定后聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)示意圖。借助Internet，打破地理上的障礙，實(shí)現全球化的通信和控制。

Internet通信協(xié)議對計算機系統的CPU速度、存儲器容量等的要求較高，用于PC機系統不存在任何困難，但是用于自身資源受限的嵌入式系統就必須根據需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實(shí)現和處理方案。Webit根據嵌入式系統的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)內核WebitX 2.0基礎上對TCP/IP協(xié)議簇中的各層協(xié)議做了不同程度的裁減，結構小巧、成本低廉、性能可靠，同時(shí)擁有高速、開(kāi)放、實(shí)時(shí)的強大網(wǎng)絡(luò )通訊能力。

2 IEC 60870-5-104通信規約及TCP/IP協(xié)議棧

IEC 60870-5-104通信標準是“采用標準傳輸文件集的IEC 60870-5-101網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)”的遠動(dòng)傳輸規約標準。

它是根據IEC 60870-5的系列文件，將IEC 60870-5-101的應用層與TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）提供的傳輸功能相結合而形成的通信標準。

通過(guò)這個(gè)標準，在TCP/IP的框架內，可以根據實(shí)際應用需要，運用到不同的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，包括X.25、FR（Frame Relay）、ATM（Asynchronous Transfer Mode）和ISDN（Integrated ServiceData Network）。圖2為IEC 60870-5-104將IEC 60870-5-101與TCP/IP協(xié)議簇相結合而形成的標準結構示意圖：由于IEC60870-5-101中未采用應用規約控制信息（APCI），因此IEC60870-5-104中的應用規約數據單元（APDU）相當于IEC60870-5-101中的應用服務(wù)數據單元（ASDU），并且IEC60870-5-104還對應用規約控制信息（APCI）作了定義，所以APDU是ASDU與APCI的結合。APCI的控制域定義了防止報文丟失和重復的控制信息，以及對報文的開(kāi)始、停止和傳輸連接的監控。

3設計與實(shí)現

3.1設計思想

RTU作為一種遠程測控智能裝置，與Webit綁定后應將RTU與Webit的功能充分發(fā)揮出來(lái)，實(shí)現現場(chǎng)設備和Internet的透明互聯(lián)，將設備和網(wǎng)絡(luò )真正融合在一起。智能、簡(jiǎn)便、可靠、通用、開(kāi)放是這套RTU系統的基本設計思想：（1）Webit-GRTU在通訊實(shí)現上嚴格遵循IEC 60870-5-101/104通信規約，兼容所有標準的工業(yè)自動(dòng)化工作站軟件；提供API、ActiveX、OLE、DDE、OPC、COM、DCOM、ODBC等技術(shù)支持；能方便地與各種自動(dòng)化控制系統互聯(lián)，組成強大的SCADA系統。（2）采用通訊和控制分開(kāi)的體系結構。數據采集和控制采用內部擴展總線(xiàn)，根據系統的復雜程度不同，進(jìn)行靈活的組合，獨立地完成邏輯控制。RTU通訊部分采用單獨的微控制器，并根據不同的通訊規約下載不同的軟件，便于軟件升級及擴展。（3）使用簡(jiǎn)便。通過(guò)嵌入式WEB服務(wù)器，技術(shù)人員在提示幫助下，通過(guò)IE或Netscape瀏覽器設置所有參數；并可通過(guò)仿真軟件，模擬現場(chǎng)情況，便于調試和培訓。（4）通用性強，既可廣泛用于控制相對簡(jiǎn)單的普通民用設施，也可應用在惡劣環(huán)境下的復雜控制中。

3.2 Webit-GRTU體系結構

Webit-GRTU采用通訊和控制分開(kāi)的體系結構。Webit-GRTU的數據采集與控制輸出部分采用了INTELMCS80C196芯片，完成遙信、遙測、電能脈沖記數及遙控輸出等功能，采用16 bit數據總線(xiàn)。

Webit-GRTU通訊模塊則是以Atmel公司的AT90S8515微控制器為核心，配以RealtekRTL8019AS 10M以太網(wǎng)接口芯片，具有RJ-45接口、14位TTL電平雙向I/O、UART口和ECP系統編程口，如圖3所示。圖中軟件結構主要包括：實(shí)時(shí)內核WebitX 2.0、thin TCP/IP協(xié)議棧和RSC（Remote System Control）。其中RSC主要用于系統參數設置、電源監測，系統的遠程復位和啟動(dòng)；thin TCP/IP協(xié)議棧包括ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、HTTP、TFTP、SNMP等協(xié)議。另外，外部設置了SEEPROM存儲器，用于存放用戶(hù)數據，如系統參數、HTML網(wǎng)頁(yè)、GIF和JPEG圖像等，由WebitX 2.0的文件系統來(lái)管理。系統有RS-232、RS-485串行通訊接口，數據傳輸率在300~57 600之間選擇，以IEC 60870-5-101通訊規約通訊；以太網(wǎng)通訊速率為10 Mbps，支持標準的TCP/IP協(xié)議，以IEC 60870-5-104通訊規約通訊。

通訊模塊和數據采集控制模塊的數據交換通過(guò)IDT7130開(kāi)辟公用內存區進(jìn)行。這是一種高速雙口靜態(tài)RAM，片內含總線(xiàn)仲裁電路，有兩套獨立的控制和地址總線(xiàn)，適用于CPU間大量數據快速雙向傳遞。

公用內存區則主要用于存放RTU遙信、遙測等四遙信息。

4典型應用

圖4是某鋼廠(chǎng)LF（Laddle Furnace）精煉爐控制系統的網(wǎng)絡(luò )結構拓撲圖，它是Webit-GRTU的一個(gè)典型應用（由于該控制系統比較龐大與復雜，本文主要針對Webit-GRTU的控制部分）。

4.1工藝

Webit-GRTU控制該系統的喂絲機部分，它與LF爐本體控制PLC、上料控制PLC以及操作員站處于同一TCP/IP局域網(wǎng)絡(luò )中。在鋼水精煉過(guò)程中，LF爐要不斷地通過(guò)喂絲機來(lái)添加金屬復合材料。而金屬添加量因鋼水的品種和成份含量的不同而不同，并要求隨精煉時(shí)間的推移不斷進(jìn)行調整。其作業(yè)現場(chǎng)溫度高、電弧干擾強、環(huán)境惡劣，不適合手工現場(chǎng)操作。

一方面，Webit-GRTU自身可以通過(guò)內置軟件實(shí)現喂絲機的智能控制和人工控制，調整喂絲機的喂絲速度和時(shí)間間隔，另一方面，Webit-GRTU需要和LF爐本體控制系統保持通訊，不斷地接受鋼水品種、成份、精煉時(shí)間及其他相關(guān)參數和指令，優(yōu)化喂絲機的控制過(guò)程。

4.2性能分析

本系統中的主站通訊全部采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )結構，分布式I/O采用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)結構。Webit-GRTU、Intouch監控系統、Siemens PLC S7-400等之間無(wú)需中間轉換裝置便能較好地協(xié)同工作、交互數據。其中Webit-GRTU發(fā)揮了獨立智能控制及協(xié)調能力，并經(jīng)受住鋼廠(chǎng)惡劣環(huán)境的考驗。

比較原來(lái)使用Modbus通訊的RTU，每個(gè)操作站和服務(wù)器接收RTU數據都要配置專(zhuān)門(mén)的Modbus通訊模塊和通訊軟件，而使用Webit-GRTU，通過(guò)ActiveX、DDE、OPC很方便的將RTU控制和PLC控制系統融為一體，無(wú)須額外的軟硬件投資。Webit-GRTU采用了RTL8019AS 10M以太網(wǎng)卡，經(jīng)測試，單字節傳輸速率一般在720μs左右，與傳統的RTU串行傳輸方式相比，速度提高了30~100倍左右。實(shí)際應用中，操作站畫(huà)面的數據掃描周期由原來(lái)的5~10 s縮小到2 s以?xún)?，完全符合工藝控制要求。同時(shí)Webit-GRTU突破了傳輸距離的限制，通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由，可以將信息傳遞到Internet網(wǎng)的任一角落。

5結論

Webit-GRTU不僅遵循IEC 60870-5-101/104通訊規約，較好地解決了設備之間的互聯(lián)及升級問(wèn)題，而且將RTU的通訊速率提高到了微秒級，保證系統的實(shí)時(shí)性。實(shí)踐證明，Webit-GRTU具有網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)簡(jiǎn)捷，可擴展性好，抗干擾能力強。它為傳統RTU低成本更新?lián)Q代提供改造參考，通過(guò)統一的Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò )覆蓋全部智能設備，為實(shí)現管控一體化的透明工廠(chǎng)思想開(kāi)辟了一條有效途徑。