嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制方案的研究

　　一、引言

　　對工業(yè)自動化領(lǐng)域而言，大量的智能設(shè)備可通過各種途徑連到Internet上，通過網(wǎng)絡(luò)相互傳遞信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備的功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及監(jiān)管控一體化。

　　現(xiàn)場總線（FieldBus）就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一新時代的開始。這一技術(shù)的發(fā)展，對實現(xiàn)面向設(shè)備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用。與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（Distributed ControlSystem，DCS）相比，他具有全開放、全分散、互操作等優(yōu)點，但還是有很大的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

　　1．目前的現(xiàn)場儀表和設(shè)備的計算能力和信息處理能力較低，復(fù)雜的控制功能仍集中在一臺控制計算機上，不能實現(xiàn)全分散控制，存在風(fēng)險集中的現(xiàn)象。

　　2．現(xiàn)場總線僅作為系統(tǒng)的一個組成部分，位于系統(tǒng)的底層，不足以實現(xiàn)系統(tǒng)的全開放性結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)呈垂直組合狀，數(shù)據(jù)通信存在瓶頸。

　　3．IEC61158標(biāo)準(zhǔn)包括8種類型的現(xiàn)場總線，相互之間差異較大，不能實現(xiàn)互操作，彼此連接存在一定困難。

　　4．系統(tǒng)中所有控制器獨立運行，各執(zhí)行獨立的數(shù)據(jù)處理，難

　　以做到所有信息共享，導(dǎo)致系統(tǒng)實時性不盡如人意。

　　上面的闡述說明傳統(tǒng)經(jīng)典的PLC和現(xiàn)場總線技術(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(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，也只能是對系統(tǒng)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(tǒng)的簡單化，需要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行變革。隨著信息技術(shù)的不斷飛躍發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域中必然會產(chǎn)生一種能夠彌補現(xiàn)場總線缺陷，實現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一、高效、實時的控制策略。工業(yè)以太網(wǎng)就是適應(yīng)這一需要而迅速發(fā)展起來的控制技術(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，集線器技術(shù)的確定性。

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

　　4．建立了一種標(biāo)準(zhǔn)：一個新的工控總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　5．與IT連接，“世界標(biāo)準(zhǔn)”的TCP/IP技術(shù)的應(yīng)用。

　　6．在整個網(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(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化以及以太網(wǎng)集線器技術(shù)的形成，千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被推進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(xiàn)場總線的控制網(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(tǒng)方案設(shè)計

　　控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三層：信息層、控制層和設(shè)備層（傳感/執(zhí)行層）。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，幾乎所有的PLC和遠程I/O供應(yīng)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(gòu)以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場，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也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。

　　本方案中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分為三部分：

　　1．現(xiàn)場設(shè)備層

　　包括嵌入式節(jié)點控制模塊和現(xiàn)場工作機。前者主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、前端數(shù)據(jù)的處理與保存并通過Internet接口與上層進行通信?？刂颇K可實現(xiàn)服務(wù)器功能，信息層可通過Web瀏覽的方式訪問（支持點對多點通信）。后者主要負責(zé)一些輔助性、監(jiān)控性事務(wù)，如現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送、歷史數(shù)據(jù)處理、報表輸出等。

　　2．內(nèi)部信息層

　　主要由企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)組成。主要完成整個系統(tǒng)的信息收集和發(fā)布，即通過訪問現(xiàn)場節(jié)點控制模塊中的Web服務(wù)器，把位于監(jiān)控之下的所有監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)通過HUB集線器集中在局域網(wǎng)服務(wù)器中，并統(tǒng)一管理和保存，通過Web瀏覽的方式向上層管理部門發(fā)布。

　　3．Internet網(wǎng)絡(luò)層

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

　?。ǘ┣度胧浇涌诳刂颇K的實現(xiàn)

　　工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)作為連接智能控制模塊的系統(tǒng)總線，內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)通訊在此沒有區(qū)別。集線器技術(shù)被集成在每個控制器中，通過分配地址空間把內(nèi)部通訊從外部通訊中分離出來。其中集線器技術(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(tǒng)一，TCP/IP已成為標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場級的節(jié)點控制模塊（如遠程I/O模塊）中實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，即建立協(xié)議棧。隨著電子和信息技術(shù)的高速發(fā)展，通過軟件方式或硬件方式將TCP/IP協(xié)議嵌入到節(jié)點模塊已經(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(shè)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(jié)構(gòu)的單片機，帶有片上Flash程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程、調(diào)試功能。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，在100 MHz晶振驅(qū)動下指令執(zhí)行速度可達100 MI/s，所有I/O管腳可以通過編程靈活配置。基于以上特點，可實現(xiàn)虛擬外設(shè)（Virtual Peripheral）功能：CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動普通I/O口實現(xiàn)硬件外設(shè)功能（如UART、I2C、SPI、CallerID、FSK等）。最特別的是，利用該特點可以實現(xiàn)流行的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP。

　　節(jié)點模塊的實現(xiàn)采用多任務(wù)方式，單片機在進行數(shù)據(jù)采集或完成I/O控制任務(wù)的同時，還可完成Internet協(xié)議處理。在應(yīng)用層，可以選擇HTTP、SMTP、POP3中的任意一種作為單片機系統(tǒng)與Internet遠程管理終端之間的通訊協(xié)議；或者自己開發(fā)基于TCP，UDP協(xié)議的其他程序作為應(yīng)用層軟件。使用以太網(wǎng)控制芯片，可將數(shù)據(jù)包發(fā)到以太網(wǎng)上，通過以太網(wǎng)接入Internet，實現(xiàn)真正的嵌入式TCP/IP設(shè)備。圖2為控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。