嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的應用研究

　　1 引言

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)成為了各國工控界的一個(gè)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。國內開(kāi)展這項研究較早的浙江大學(xué)，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，浙大中控等單位在國家“863”課題的支持下，起草了“用于工業(yè)測量和控制系統的EPA系統結構和通信標準”，并力圖在化工領(lǐng)域建成幾個(gè)示范性應用項目。廣東工業(yè)大學(xué)聯(lián)合中南大學(xué)，中科院自動(dòng)化所開(kāi)展了嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的研究，并進(jìn)行了“基于uClinux嵌入式系統的工業(yè)以太網(wǎng)控制器開(kāi)發(fā)”，致力于發(fā)揮嵌入式系統在工控領(lǐng)域的優(yōu)勢。

　　2 應用背景

　　壓力、溫度、水位和流量是化工、污水處理以及鋼鐵等行業(yè)中最常用的控制系統，為了研究在各種行業(yè)、不同工藝流程下的通用網(wǎng)絡(luò )控制系統，所以本文中將不強調工藝流程。而應用試驗的對象也將使用中南大學(xué)率先研發(fā)的仿工業(yè)現場(chǎng)的被控對象，本文將對最常用的壓力、溫度、水位和流量四個(gè)控制系統進(jìn)行全面仿真工業(yè)現場(chǎng)的試驗。

　　3 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統結構

　　將企業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )分為控制層和設備層。針對現場(chǎng)對網(wǎng)絡(luò )可靠性參數的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò )改進(jìn)傳統以太網(wǎng)拓撲結構。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲，可以增加網(wǎng)絡(luò )的可靠性。

　　而解決網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性問(wèn)題則采用了控制區域（Control Domain）概念，將控制現場(chǎng)分區，減少各個(gè)控制區資源競爭的情況。而控制區域之間的是通過(guò)以太網(wǎng)交換機（交換式）來(lái)通信。

　　改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò )由100M以太網(wǎng)構成組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò )。

　　每個(gè)控制區域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執行機構。如圖2所示。

　　而位于控制區域中的工業(yè)以太網(wǎng)控制器采用嵌入式系統來(lái)設計。

　　4 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器設計

　　工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件設計采用核心板與接口板分開(kāi)設計的方式，增強了系統應用的靈活性，方便系統調試。圖3中，虛線(xiàn)框所包含的模塊組成核心板，虛線(xiàn)框以外的模塊組成接口板。圖中，以太網(wǎng)控制器中CPU是控制核心，負責控制所有輔助設備。存儲器采用SDRAM和FLASH兩種類(lèi)型，能滿(mǎn)足系統運行和調試的需要?；径丝诎ㄒ蕴W(wǎng)接口，USB接口，還有兩個(gè)RS232的串口，能滿(mǎn)足系統應用和調試的需要。A/D和D/A模塊主要用于現場(chǎng)數據的采集與控制信號的輸出 DC/DC模塊主要負責整個(gè)系統的供電。擴展接口考慮了系統的可擴展性。

　　控制器的操作系統考慮到性?xún)r(jià)比以及現場(chǎng)控制需要，采用了 uClinux。uClinux是一個(gè)完全符合 GNU/GPL公約的操作系統，完全開(kāi)放代碼，其是專(zhuān)門(mén)為控制領(lǐng)域而裁減設計的嵌入式操作系統 uClinux從Linux 2.0/2.4內核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專(zhuān)門(mén)針對沒(méi)有 MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒(méi)有虛擬內存或內存管理單元（MMU）的處理器，例如Cold Fire。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。特別的為了應用到工業(yè)實(shí)時(shí)領(lǐng)域，還可以進(jìn)一步增強uClinux的實(shí)時(shí)性。

　　整個(gè)嵌人式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn)：

　　控制器具有很高的性能。CPU采用高集成度的Motorola Cold Fire微處理器，主頻達到50Mhz，且其具有豐富的接口資源，增強了系統穩定性，嵌入式的uClinux能完成復雜的算法計算以及任務(wù)調度、網(wǎng)絡(luò )等功能;

　　控制器具有很高的集成度。由于Motorola CPU具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實(shí)現控制器的微型化、Internet化;

　　控制器具有很高的實(shí)時(shí)性。在設計硬件和軟件時(shí)都充分考慮了系統的實(shí)時(shí)性。硬件設計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時(shí)采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”;操作系統中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時(shí)”。

　　5 應用技術(shù)方案

　　在試用嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統時(shí)，選用四套不同控制裝置，包括壓力，溫度，水位以及流量控制系統。選擇壓力、溫度、水位、流量及各自調節閥門(mén)等10多個(gè)I/O信號。

　　以壓力控制系統為例，如圖4所示，它有3個(gè)互相串聯(lián)的不同大小的氣缸裝置、兩路進(jìn)氣管道以及其上的手動(dòng)閥F1～F3、兩臺電/氣轉換器、氣閉式氣動(dòng)閥Vcl 和Vc2以及3臺壓力變送器組成。其中，電/氣轉換器的輸入控制信號為4～20mA，對應輸出蒸汽壓力20～100kPa（蒸汽源012MPa），相應氣閉式氣動(dòng)閥的開(kāi)度為100%～0，壓力變送器的輸入壓力信號為O～80kPa，對應輸出電流信號為4～20mA。

　　然后將根據測試點(diǎn)實(shí)際情況，將信號分組：本文中每個(gè)控制系統分為一組信號，如壓力系統包括控制信號u1、u2，氣閉式氣動(dòng)閥Vcl、Vc2以及R1- R3?？梢钥吹剑?/p>

　　每個(gè)控制區域包括以太網(wǎng)交換機、嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器以及若干變送和執行機構;

　　每個(gè)控制區域通過(guò)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)和交換機連人控制層骨干網(wǎng);

　　操作站和工程師站在控制室通過(guò)交換機連出到企業(yè)信息層網(wǎng)絡(luò )。

　　6 結束語(yǔ)

　　該套系統自2004年1月在實(shí)驗室仿工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境中運行以來(lái)一直穩定工作，實(shí)際運行結果表明提高了網(wǎng)絡(luò )控制系統的可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性，準備近期正式移植到工業(yè)現場(chǎng)。

　　以太網(wǎng)在工業(yè)現場(chǎng)中的應用與uClinux嵌入式系統是兩個(gè)現在研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，以太網(wǎng)與uClinux在工業(yè)控制領(lǐng)域有著(zhù)非常好的應用前景。本文所完成的一些工作都將為這兩部分的深入研究開(kāi)發(fā)有很好借鑒的意義，對嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)的應用研究起到很好的參考作用。