嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制方案的研究

       一、引言

　　對工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域而言，大量的智能設備可通過(guò)各種途徑連到Internet上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )相互傳遞信息和數據，實(shí)現智能化現場(chǎng)設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監管控一體化。

      現場(chǎng)總線(xiàn)（FieldBus）就是順應這一形勢發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?，F場(chǎng)總線(xiàn)的出現，標志著(zhù)工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一新時(shí)代的開(kāi)始。這一技術(shù)的發(fā)展，對實(shí)現面向設備的自動(dòng)化系統起到了巨大的推動(dòng)作用。與傳統的集散控制系統（Distributed ControlSystem，DCS）相比，他具有全開(kāi)放、全分散、互操作等優(yōu)點(diǎn)，但還是有很大的局限性，主要表現在以下幾方面：

      1．目前的現場(chǎng)儀表和設備的計算能力和信息處理能力較低，復雜的控制功能仍集中在一臺控制計算機上，不能實(shí)現全分散控制，存在風(fēng)險集中的現象。

      2．現場(chǎng)總線(xiàn)僅作為系統的一個(gè)組成部分，位于系統的底層，不足以實(shí)現系統的全開(kāi)放性結構。系統架構呈垂直組合狀，數據通信存在瓶頸。

      3．IEC61158標準包括8種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)，相互之間差異較大，不能實(shí)現互操作，彼此連接存在一定困難。

      4．系統中所有控制器獨立運行，各執行獨立的數據處理，難以做到所有信息共享，導致系統實(shí)時(shí)性不盡如人意。

       上面的闡述說(shuō)明傳統經(jīng)典的PLC和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已不適合這種要求。即使是像工業(yè)PC，OPC等技術(shù)，只要他們被鑲嵌在傳統的系統結構中，也只能是對系統的功能作些邊緣性的提高。

       因此，為減輕繁重的編程工作和達到系統的簡(jiǎn)單化，需要對系統的結構進(jìn)行變革。隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷飛躍發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域中必然會(huì )產(chǎn)生一種能夠彌補現場(chǎng)總線(xiàn)缺陷，實(shí)現全系統統一、高效、實(shí)時(shí)的控制策略。工業(yè)以太網(wǎng)就是適應這一需要而迅速發(fā)展起來(lái)的控制技術(shù)。在所有的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中，以太網(wǎng)技術(shù)是至今最理想的選擇，他能滿(mǎn)足如下所有要求：

　　1．充分考慮今后的發(fā)展需要，具有高傳輸速率，目前達到100 Mb/s。

       2．高傳輸安全性和可靠性，集線(xiàn)器技術(shù)的確定性。

       3．集線(xiàn)器的應用可不需考慮網(wǎng)絡(luò )的擴展。

       4．建立了一種標準：一個(gè)新的工控總線(xiàn)標準。

      5．與IT連接，“世界標準”的TCP/IP技術(shù)的應用。

       6．在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的隨機網(wǎng)絡(luò )存取技術(shù)。

　　以太網(wǎng)（Ethernet），既是一種計算機接入局域網(wǎng)絡(luò )的術(shù)。由于以太網(wǎng)傳送速率的大幅度提高，物理層標準的工業(yè)化以及以太網(wǎng)集線(xiàn)器技術(shù)的形成，千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無(wú)碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現，使得這一先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)被推進(jìn)到早先認為不適宜的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中，形成了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。與目前的基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制網(wǎng)絡(luò )相比，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò )是一種低成本（許多商用以太網(wǎng)的芯片組與技術(shù)可以借用）、高性能的控制網(wǎng)絡(luò )解決方案。

       二、方案分析

      （一）嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制系統方案設計

　　控制系統網(wǎng)絡(luò )分為三層：信息層、控制層和設備層（傳感/執行層）。傳統的控制系統在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設備層一般采用不同的現場(chǎng)總線(xiàn)或其他專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。目前，幾乎所有的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。采用以太網(wǎng)架構以后，控制器的位置也可以突破傳統網(wǎng)絡(luò )架構的限制，可以位于現場(chǎng)，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來(lái)越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶(hù)也可以和控制層的用戶(hù)一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態(tài)值。

     本方案中，網(wǎng)絡(luò )控制系統分為三部分：

       1．現場(chǎng)設備層

       包括嵌入式節點(diǎn)控制模塊和現場(chǎng)工作機。前者主要完成現場(chǎng)數據的采集、前端數據的處理與保存并通過(guò)Internet接口與上層進(jìn)行通信?？刂颇K可實(shí)現服務(wù)器功能，信息層可通過(guò)Web瀏覽的方式訪(fǎng)問(wèn)（支持點(diǎn)對多點(diǎn)通信）。后者主要負責一些輔助性、監控性事務(wù)，如現場(chǎng)數據傳送、歷史數據處理、報表輸出等。

      2．內部信息層

      主要由企業(yè)內部以太網(wǎng)組成。主要完成整個(gè)系統的信息收集和發(fā)布，即通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)現場(chǎng)節點(diǎn)控制模塊中的Web服務(wù)器，把位于監控之下的所有監控節點(diǎn)的數據通過(guò)HUB集線(xiàn)器集中在局域網(wǎng)服務(wù)器中，并統一管理和保存，通過(guò)Web瀏覽的方式向上層管理部門(mén)發(fā)布。

      3．Internet網(wǎng)絡(luò )層

      該層通過(guò)交換機、路由器連接企業(yè)各個(gè)局域網(wǎng)，完成信息全球發(fā)布，位于辦公室的部門(mén)可以直觀(guān)地看到現場(chǎng)的工作情況、生產(chǎn)計劃完成情況和設備工作狀態(tài)等信息，即使遠在千里，也可以隨時(shí)隨地的掌握企業(yè)（公司）的運轉情況，使遠程辦公真正成為現實(shí)。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統方案如圖1所示。



     （二）嵌入式接口控制模塊的實(shí)現

　　工業(yè)以太網(wǎng)體系結構中，以太網(wǎng)作為連接智能控制模塊的系統總線(xiàn)，內部和外部的數據通訊在此沒(méi)有區別。集線(xiàn)器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過(guò)分配地址空間把內部通訊從外部通訊中分離出來(lái)。其中集線(xiàn)器技術(shù)和底層協(xié)議的集成，確保了以太網(wǎng)的確定性、兼容性和整體性。目前在傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層的協(xié)議基本上已經(jīng)統一，TCP/IP已成為標準網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，這是以太網(wǎng)正常運作的“中樞”。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中關(guān)鍵一環(huán)是：在現場(chǎng)級的節點(diǎn)控制模塊（如遠程I/O模塊）中實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，即建立協(xié)議棧。隨著(zhù)電子和信息技術(shù)的高速發(fā)展，通過(guò)軟件方式或硬件方式將TCP/IP協(xié)議嵌入到節點(diǎn)模塊已經(jīng)成為可能。軟件方式將TCP/IP嵌入到微處理器的ROM中，硬件方式是設計嵌入式處理器和ASIC器件芯片而直接用作網(wǎng)絡(luò )接口。

　　方案采用基于RISC結構的單片機，帶有片上Flash程序存儲器，具有在系統編程、調試功能。由于采用CPU并行流水線(xiàn)方式及單時(shí)鐘周期指令，在100 MHz晶振驅動(dòng)下指令執行速度可達100 MI/s，所有I/O管腳可以通過(guò)編程靈活配置?；谝陨咸攸c(diǎn)，可實(shí)現虛擬外設（Virtual Peripheral）功能：CPU通過(guò)執行虛擬軟件模塊直接驅動(dòng)普通I/O口實(shí)現硬件外設功能（如UART、I2C、SPI、CallerID、FSK等）。最特別的是，利用該特點(diǎn)可以實(shí)現流行的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP。

      節點(diǎn)模塊的實(shí)現采用多任務(wù)方式，單片機在進(jìn)行數據采集或完成I/O控制任務(wù)的同時(shí)，還可完成Internet協(xié)議處理。在應用層，可以選擇HTTP、SMTP、POP3中的任意一種作為單片機系統與Internet遠程管理終端之間的通訊協(xié)議；或者自己開(kāi)發(fā)基于TCP，UDP協(xié)議的其他程序作為應用層軟件。使用以太網(wǎng)控制芯片，可將數據包發(fā)到以太網(wǎng)上，通過(guò)以太網(wǎng)接入Internet，實(shí)現真正的嵌入式TCP/IP設備。圖2為控制模塊結構示意圖。



       RJ45為此系統與局域網(wǎng)的接口。數據的流向為：請求信息從局域網(wǎng)中來(lái)，通過(guò)RJ45送到網(wǎng)卡控制芯片，處理后05的數據包送入單片機協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數據包進(jìn)行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過(guò)單片機的處理，產(chǎn)生回復信息?；貜托畔⒌骄钟蚓W(wǎng)的過(guò)程與上面正好相反。

        接口控制模塊的特點(diǎn)：

　　1．不依賴(lài)PC機或高檔單片機，真正實(shí)現8b單片機系統直接接入Internet，整個(gè)系統完全自給自足。

       2．使用外圍器件少，系統成本低。

　　3．支持IP、TCP、UDP、ICMP、HTTP、SMTP協(xié)議。

　　4．系統提供10/100 Base-T網(wǎng)絡(luò )接口，直接支持EthernetIEEE802.3協(xié)議。

　　5．通過(guò)系統內置的RS232串行接口、支持Web頁(yè)面下載功能，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示并控制監控點(diǎn)數據。

     （三）以太網(wǎng)通信協(xié)議開(kāi)發(fā)

       以太網(wǎng)是按照局域網(wǎng)的要求設計的。以太網(wǎng)標準（IEEE802．3）定義了OSI參考模型的物理層和數據鏈路層。在物理層定義了電纜類(lèi)型、連接器和信號電平；數據鏈路層定義了幀格式、差錯控制方式、信道分配方法等。但以太網(wǎng)不能完成OSI模型第3層以上的功能，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，他不屬于完整的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。如何在現有協(xié)議基礎上實(shí)現OSI模型的網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層以及應用層，才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

      網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧實(shí)現原理如圖3所示。



       圖3中的軟件協(xié)議棧都用單片機語(yǔ)言編寫(xiě)，存儲在單片機的Flash程序存儲器中。國內外不同廠(chǎng)家紛紛針對自己的以太網(wǎng)產(chǎn)品推出了不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議?？偟膩?lái)說(shuō)，協(xié)議開(kāi)發(fā)都集中在以下三個(gè)方面：

　　1．網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議

       網(wǎng)絡(luò )層主要處理分組在網(wǎng)絡(luò )中的活動(dòng)，例如分組的選擇、路由的確定。包括：IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP協(xié)議（Internet互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議）以及IGMP協(xié)議（Internet組管理協(xié)議）。IP協(xié)議是主要應用對象。Internet中所有的數據都是以IP數據包格式傳輸，其最大特點(diǎn)是提供不可靠和無(wú)連接的數據報傳送服務(wù)。

　　在嵌入式控制模塊中開(kāi)發(fā)協(xié)議棧，IP層的實(shí)現就是把要發(fā)送出去的消息進(jìn)行IP打包，即加上IP包頭，使之符合IP數據包的格式發(fā)送到物理層；將接收到的來(lái)自物理層的數據包進(jìn)行IP解包，即去掉包頭，送到TCP層。

       2．傳輸層協(xié)議

      TCP提供一種面向連接的、可靠的字節流傳送服務(wù)，一旦數據報被破壞或丟失，則由TCP將其重新傳輸。在嵌入式模塊協(xié)議棧中，對TCP層的實(shí)現是通過(guò)提供的TCPAPI（應用程序接口）來(lái)實(shí)現的。

     3．應用層協(xié)議

      HTTP是WWW上的協(xié)議。當用戶(hù)要瀏覽服務(wù)器上的一個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，HTTP請求就會(huì )從用戶(hù)的瀏覽器發(fā)送到HTTP服務(wù)器。服務(wù)器響應這個(gè)請求，把指定的網(wǎng)頁(yè)傳送回來(lái)，用戶(hù)才看到了網(wǎng)頁(yè)。因為HTTP層的下面是TCP層，也就是說(shuō)HTTP把TCP作為他的傳輸協(xié)議，所以上述兩個(gè)TCP連接也為WebServer所用。理所當然，TCPAPI的發(fā)送和接收函數也用來(lái)實(shí)行WebServer的請求及相應命令，完成數據傳輸。

　　在控制模塊中，可以用HTTP協(xié)議構造Web服務(wù)器，用SMTP協(xié)議構造郵件服務(wù)的客戶(hù)端，用PPP協(xié)議構造點(diǎn)到點(diǎn)的系統，最終建立C/S模型。所有的服務(wù)器資源都存放在外部存儲器（E2PROM）中，他的容量決定了WebServer的資源文件的大小。HTTP使用統一資源定位器來(lái)指定返回給客戶(hù)端的網(wǎng)絡(luò )資源（如HTML、文本文檔、圖像、Java腳本、Java applet、PDF文檔等）。網(wǎng)絡(luò )中任何類(lèi)型Web服務(wù)器都可與之進(jìn)行交互式通信，實(shí)現遠程、實(shí)時(shí)控制。

      （四）系統應用平臺的開(kāi)發(fā)

　　工業(yè)控制應用軟件的開(kāi)發(fā)，主要是基于B/S網(wǎng)絡(luò )架構，控制底層通過(guò)建立智能節點(diǎn)模塊實(shí)現現場(chǎng)數據信息的收集并建立Web資源服務(wù)器，客戶(hù)端只需要通過(guò)瀏覽器即可實(shí)時(shí)讀取到其中的數據，并可將控制命令傳達。這種應用系統的重點(diǎn)在于底層服務(wù)器的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，系統的監控軟件采用網(wǎng)絡(luò )化設計，具有良好的擴展性和互聯(lián)性，帶有參數集中顯示、數據實(shí)時(shí)查詢(xún)等功能，還有所有設備聯(lián)網(wǎng)所帶來(lái)的特殊功能如：控制模塊自動(dòng)切換、網(wǎng)絡(luò )故障檢測、資源共享等。

     三、結語(yǔ)

　　網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展深刻影響著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的變革。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)這種高度開(kāi)放、使用靈活方便、功能強大的新型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )將會(huì )以非常高的效率把企業(yè)的現場(chǎng)設備層、控制層以及管理層連接在一起，形成以網(wǎng)絡(luò )集成自動(dòng)化為基礎的企業(yè)信息系統。他必將滲透到機械制造、汽車(chē)制造、半導體制造、石油化工等制造業(yè)的各個(gè)方面，同時(shí)也將廣泛運用于樓宇自控、電力系統監控、機器人控制、紡織包裝、印刷等一切需要數字信息交換與集成的領(lǐng)域。因此，以工業(yè)以太網(wǎng)作為一種全新的“現場(chǎng)總線(xiàn)”是未來(lái)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的必然選擇。他實(shí)現了現場(chǎng)設備層與企業(yè)內部信息網(wǎng)（Intranet）的無(wú)縫連接，在建立起一個(gè)真正統一的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的同時(shí)，把開(kāi)放性的思想在更高程度上運用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )。
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