嵌入式工業(yè)以太網控制方案的研究

       一、引言

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

      現(xiàn)場總線（FieldBus）就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術領域又一新時代的開始。這一技術的發(fā)展，對實現(xiàn)面向設備的自動化系統(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，不能實現(xiàn)全分散控制，存在風險集中的現(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)的全開放性結構。系統(tǒng)架構呈垂直組合狀，數(shù)據(jù)通信存在瓶頸。

      3．IEC61158標準包括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，導致系統(tǒng)實時性不盡如人意。

       上面的闡述說明傳統(tǒng)經典的PLC和現(xiàn)場總線技術已不適合這種要求。即使是像工業(yè)PC，OPC等技術，只要他們被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結構中，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)的結構進行變革。隨著信息技術的不斷飛躍發(fā)展，工業(yè)控制領域中必然會產生一種能夠彌補現(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)以太網就是適應這一需要而迅速發(fā)展起來的控制技術。在所有的網絡技術中，以太網技術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，集線器技術的確定性。

       3．集線器的應用可不需考慮網絡的擴展。

       4．建立了一種標準：一個新的工控總線標準。

      5．與IT連接，“世界標準”的TCP/IP技術的應用。

       6．在整個網絡中的隨機網絡存取技術。

　　以太網（Ethernet），既是一種計算機接入局域網絡的術。由于以太網傳送速率的大幅度提高，物理層標準的工業(yè)化以及以太網集線器技術的形成，千兆以太網技術和無碰撞全雙工光纖技術的出現(xiàn)，使得這一先進的網絡技術被推進到早先認為不適宜的工業(yè)控制網絡中，形成了工業(yè)以太網技術。與目前的基于現(xiàn)場總線的控制網絡相比，基于工業(yè)以太網技術的控制網絡是一種低成本（許多商用以太網的芯片組與技術可以借用）、高性能的控制網絡解決方案。

       二、方案分析

      （一）嵌入式工業(yè)以太網控制系統(tǒng)方案設計

　　控制系統(tǒng)網絡分為三層：信息層、控制層和設備層（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，而在控制層和設備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網絡。目前，幾乎所有的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網接口的產品。采用以太網架構以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網絡架構的限制，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支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，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模塊中的當前狀態(tài)值。

     本方案中，網絡控制系統(tǒng)分為三部分：

       1．現(xiàn)場設備層

       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）。后者主要負責一些輔助性、監(jiān)控性事務，如現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送、歷史數(shù)據(jù)處理、報表輸出等。

      2．內部信息層

      主要由企業(yè)內部以太網組成。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服務器中，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網絡層

      該層通過交換機、路由器連接企業(yè)各個局域網，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(xiàn)實。工業(yè)以太網控制系統(tǒng)方案如圖1所示。



     （二）嵌入式接口控制模塊的實現(xiàn)

　　工業(yè)以太網體系結構中，以太網作為連接智能控制模塊的系統(tǒng)總線，內部和外部的數(shù)據(jù)通訊在此沒有區(qū)別。集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間把內部通訊從外部通訊中分離出來。其中集線器技術和底層協(xié)議的集成，確保了以太網的確定性、兼容性和整體性。目前在傳輸層和網絡層的協(xié)議基本上已經統(tǒng)一，TCP/IP已成為標準網絡協(xié)議，這是以太網正常運作的“中樞”。工業(yè)以太網技術中關鍵一環(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網絡通信協(xié)議，即建立協(xié)議棧。隨著電子和信息技術的高速發(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絡接口。

　　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(tǒng)編程、調試功能。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?；谝陨咸攸c，可實現(xiàn)虛擬外設（Virtual Peripheral）功能：CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現(xiàn)硬件外設功能（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)采用多任務方式，單片機在進行數(shù)據(jù)采集或完成I/O控制任務的同時，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(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用層軟件。使用以太網控制芯片，可將數(shù)據(jù)包發(fā)到以太網上，通過以太網接入Internet，實現(xiàn)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(tǒng)與局域網的接口。數(shù)據(jù)的流向為：請求信息從局域網中來，通過RJ45送到網卡控制芯片，處理后05的數(shù)據(jù)包送入單片機協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經過單片機的處理，產生回復信息?；貜托畔⒌骄钟蚓W的過程與上面正好相反。

        接口控制模塊的特點：

　　1．不依賴PC機或高檔單片機，真正實現(xiàn)8b單片機系統(tǒng)直接接入Internet，整個系統(tǒng)完全自給自足。

       2．使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低。

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

　　4．系統(tǒng)提供10/100 Base-T網絡接口，直接支持EthernetIEEE802.3協(xié)議。

　　5．通過系統(tǒng)內置的RS232串行接口、支持Web頁面下載功能，可以實時、動態(tài)顯示并控制監(jiān)控點數(shù)據(jù)。

     （三）以太網通信協(xié)議開發(fā)

       以太網是按照局域網的要求設計的。以太網標準（IEEE802．3）定義了OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。在物理層定義了電纜類型、連接器和信號電平；數(shù)據(jù)鏈路層定義了幀格式、差錯控制方式、信道分配方法等。但以太網不能完成OSI模型第3層以上的功能，從這個意義上來說，他不屬于完整的網絡協(xié)議。如何在現(xiàn)有協(xié)議基礎上實現(xiàn)OSI模型的網絡層、傳輸層以及應用層，才是解決問題的關鍵所在。

      網絡協(xié)議棧實現(xiàn)原理如圖3所示。



       圖3中的軟件協(xié)議棧都用單片機語言編寫，存儲在單片機的Flash程序存儲器中。國內外不同廠家紛紛針對自己的以太網產品推出了不同的工業(yè)以太網協(xié)議?？偟膩碚f，協(xié)議開發(fā)都集中在以下三個方面：

　　1．網絡層協(xié)議

       網絡層主要處理分組在網絡中的活動，例如分組的選擇、路由的確定。包括：IP協(xié)議（網際協(xié)議）、ICMP協(xié)議（Internet互聯(lián)網控制報文協(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(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸，其最大特點是提供不可靠和無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務。

　　在嵌入式控制模塊中開發(fā)協(xié)議棧，IP層的實現(xiàn)就是把要發(fā)送出去的消息進行IP打包，即加上IP包頭，使之符合IP數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送到物理層；將接收到的來自物理層的數(shù)據(jù)包進行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(jié)流傳送服務，一旦數(shù)據(jù)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層的實現(xiàn)是通過提供的TCPAPI（應用程序接口）來實現(xiàn)的。

     3．應用層協(xié)議

      HTTP是WWW上的協(xié)議。當用戶要瀏覽服務器上的一個網頁時，HTTP請求就會從用戶的瀏覽器發(fā)送到HTTP服務器。服務器響應這個請求，把指定的網頁傳送回來，用戶才看到了網頁。因為HTTP層的下面是TCP層，也就是說HTTP把TCP作為他的傳輸協(xié)議，所以上述兩個TCP連接也為WebServer所用。理所當然，TCPAPI的發(fā)送和接收函數(shù)也用來實行WebServer的請求及相應命令，完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　在控制模塊中，可以用HTTP協(xié)議構造Web服務器，用SMTP協(xié)議構造郵件服務的客戶端，用PPP協(xié)議構造點到點的系統(tǒng)，最終建立C/S模型。所有的服務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(tǒng)一資源定位器來指定返回給客戶端的網絡資源（如HTML、文本文檔、圖像、Java腳本、Java applet、PDF文檔等）。網絡中任何類型Web服務器都可與之進行交互式通信，實現(xiàn)遠程、實時控制。

      （四）系統(tǒng)應用平臺的開發(fā)

　　工業(yè)控制應用軟件的開發(fā)，主要是基于B/S網絡架構，控制底層通過建立智能節(jié)點模塊實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的收集并建立Web資源服務器，客戶端只需要通過瀏覽器即可實時讀取到其中的數(shù)據(jù)，并可將控制命令傳達。這種應用系統(tǒng)的重點在于底層服務器的開發(fā)。同時，系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用網絡化設計，具有良好的擴展性和互聯(lián)性，帶有參數(shù)集中顯示、數(shù)據(jù)實時查詢等功能，還有所有設備聯(lián)網所帶來的特殊功能如：控制模塊自動切換、網絡故障檢測、資源共享等。

     三、結語

　　網絡技術的飛速發(fā)展深刻影響著工業(yè)自動化技術的變革。嵌入式工業(yè)以太網這種高度開放、使用靈活方便、功能強大的新型工業(yè)控制網絡將會以非常高的效率把企業(yè)的現(xiàn)場設備層、控制層以及管理層連接在一起，形成以網絡集成自動化為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)。他必將滲透到機械制造、汽車制造、半導體制造、石油化工等制造業(yè)的各個方面，同時也將廣泛運用于樓宇自控、電力系統(tǒng)監(jiān)控、機器人控制、紡織包裝、印刷等一切需要數(shù)字信息交換與集成的領域。因此，以工業(yè)以太網作為一種全新的“現(xiàn)場總線”是未來工業(yè)控制網絡的必然選擇。他實現(xiàn)了現(xiàn)場設備層與企業(yè)內部信息網（Intranet）的無縫連接，在建立起一個真正統(tǒng)一的工業(yè)控制網絡的同時，把開放性的思想在更高程度上運用于工業(yè)控制網絡。
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