基于嵌入式Internet技術(shù)的通用RTU設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程終端設(shè)備（Remote Terminal Unit，RTU）是一種遠(yuǎn)程測(cè)控智能裝置。它不僅可以采集、監(jiān)測(cè)、計(jì)算和存貯現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備信號(hào)，而且能獨(dú)立地完成預(yù)定的控制程序、執(zhí)行上位機(jī)的指令，并將執(zhí)行結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳上位機(jī)。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(xiàn)復(fù)雜的特殊算法。

然而，隨著自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展以及ERP戰(zhàn)略的廣泛實(shí)施，各種應(yīng)用和服務(wù)對(duì)信息的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性等提出了越來越高的要求。目前傳統(tǒng)RTU無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是實(shí)現(xiàn)方法上都已經(jīng)很難滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的要求。主要表現(xiàn)在：（1）通信規(guī)約不統(tǒng)一。存在眾多的通信規(guī)約，如DNP 3.0、Modbus、SCI、CDC、CDT等等，各大生產(chǎn)廠家都遵循著自己的一套通信規(guī)約，不同設(shè)備之間的互聯(lián)及升級(jí)較困難；（2）通訊速率較低。傳統(tǒng)的RTU通信方式多為RS-232/422/485總線方式，最基本的“四遙”量只能以秒級(jí)傳送，通信速率成為系統(tǒng)性能的瓶頸，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

90年代后期，Internet/Intranet技術(shù)日趨成熟，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化及普適計(jì)算模式的概念不斷形成，新投入的自動(dòng)化系統(tǒng)及管理網(wǎng)絡(luò)開始廣泛地采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，新的自動(dòng)化控制與通訊國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)也不斷出臺(tái)。這就要求新型的RTU能夠充分利用現(xiàn)有通信資源，提高數(shù)據(jù)的吞吐量，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又具有更好的開放性、兼容性。為適應(yīng)這一發(fā)展潮流，本文遵照國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60870-5-104通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)上對(duì)Webit-GRTU系統(tǒng)進(jìn)行全面的遠(yuǎn)程訪問，為傳統(tǒng)RTU低成本更新?lián)Q代開辟了一條途徑。

1嵌入式Internet技術(shù)與Webit

嵌入式Internet技術(shù)是一種設(shè)備接入技術(shù)或者說是一種異種網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)，它主要解決的問題是通過Web和嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)從不同的子網(wǎng)、不同物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設(shè)備和異類子網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控、診斷、管理及維護(hù)等操作，使用戶對(duì)接入到Internet上的各種設(shè)備或其他類型的子網(wǎng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)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(jī)、攝像機(jī)、UPS、RTU等設(shè)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(xiàn)全球化的通信和控制。

Internet通信協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU速度、存儲(chǔ)器容量等的要求較高，用于PC機(jī)系統(tǒng)不存在任何困難，但是用于自身資源受限的嵌入式系統(tǒng)就必須根據(jù)需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和處理方案。Webit根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)內(nèi)核WebitX 2.0基礎(chǔ)上對(duì)TCP/IP協(xié)議簇中的各層協(xié)議做了不同程度的裁減，結(jié)構(gòu)小巧、成本低廉、性能可靠，同時(shí)擁有高速、開放、實(shí)時(shí)的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)通訊能力。

2 IEC 60870-5-104通信規(guī)約及TCP/IP協(xié)議棧

IEC 60870-5-104通信標(biāo)準(zhǔn)是“采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸文件集的IEC 60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問”的遠(yuǎn)動(dòng)傳輸規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)。

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

通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在TCP/IP的框架內(nèi)，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，運(yùn)用到不同的網(wǎng)絡(luò)類型，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(jié)合而形成的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖：由于IEC60870-5-101中未采用應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI），因此IEC60870-5-104中的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU）相當(dāng)于IEC60870-5-101中的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU），并且IEC60870-5-104還對(duì)應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI）作了定義，所以APDU是ASDU與APCI的結(jié)合。APCI的控制域定義了防止報(bào)文丟失和重復(fù)的控制信息，以及對(duì)報(bào)文的開始、停止和傳輸連接的監(jiān)控。

3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1設(shè)計(jì)思想

RTU作為一種遠(yuǎn)程測(cè)控智能裝置，與Webit綁定后應(yīng)將RTU與Webit的功能充分發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和Internet的透明互聯(lián)，將設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)真正融合在一起。智能、簡(jiǎn)便、可靠、通用、開放是這套R(shí)TU系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想：（1）Webit-GRTU在通訊實(shí)現(xiàn)上嚴(yán)格遵循IEC 60870-5-101/104通信規(guī)約，兼容所有標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)互聯(lián)，組成強(qiáng)大的SCADA系統(tǒng)。（2）采用通訊和控制分開的體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集和控制采用內(nèi)部擴(kuò)展總線，根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，進(jìn)行靈活的組合，獨(dú)立地完成邏輯控制。RTU通訊部分采用單獨(dú)的微控制器，并根據(jù)不同的通訊規(guī)約下載不同的軟件，便于軟件升級(jí)及擴(kuò)展。（3）使用簡(jiǎn)便。通過嵌入式WEB服務(wù)器，技術(shù)人員在提示幫助下，通過IE或Netscape瀏覽器設(shè)置所有參數(shù)；并可通過仿真軟件，模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，便于調(diào)試和培訓(xùn)。（4）通用性強(qiáng)，既可廣泛用于控制相對(duì)簡(jiǎn)單的普通民用設(shè)施，也可應(yīng)用在惡劣環(huán)境下的復(fù)雜控制中。

3.2 Webit-GRTU體系結(jié)構(gòu)

Webit-GRTU采用通訊和控制分開的體系結(jié)構(gòu)。Webit-GRTU的數(shù)據(jù)采集與控制輸出部分采用了INTELMCS80C196芯片，完成遙信、遙測(cè)、電能脈沖記數(shù)及遙控輸出等功能，采用16 bit數(shù)據(jù)總線。

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(tǒng)編程口，如圖3所示。圖中軟件結(jié)構(gòu)主要包括：實(shí)時(shí)內(nèi)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(tǒng)參數(shù)設(shè)置、電源監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程復(fù)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(shè)置了SEEPROM存儲(chǔ)器，用于存放用戶數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)參數(shù)、HTML網(wǎng)頁(yè)、GIF和JPEG圖像等，由WebitX 2.0的文件系統(tǒng)來管理。系統(tǒng)有RS-232、RS-485串行通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸率在300~57 600之間選擇，以IEC 60870-5-101通訊規(guī)約通訊；以太網(wǎng)通訊速率為10 Mbps，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，以IEC 60870-5-104通訊規(guī)約通訊。

通訊模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊的數(shù)據(jù)交換通過IDT7130開辟公用內(nèi)存區(qū)進(jìn)行。這是一種高速雙口靜態(tài)RAM，片內(nèi)含總線仲裁電路，有兩套獨(dú)立的控制和地址總線，適用于CPU間大量數(shù)據(jù)快速雙向傳遞。

公用內(nèi)存區(qū)則主要用于存放RTU遙信、遙測(cè)等四遙信息。

4典型應(yīng)用

圖4是某鋼廠LF（Laddle Furnace）精煉爐控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，它是Webit-GRTU的一個(gè)典型應(yīng)用（由于該控制系統(tǒng)比較龐大與復(fù)雜，本文主要針對(duì)Webit-GRTU的控制部分）。

4.1工藝

Webit-GRTU控制該系統(tǒng)的喂絲機(jī)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。在鋼水精煉過程中，LF爐要不斷地通過喂絲機(jī)來添加金屬?gòu)?fù)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(diào)整。其作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度高、電弧干擾強(qiáng)、環(huán)境惡劣，不適合手工現(xiàn)場(chǎng)操作。

一方面，Webit-GRTU自身可以通過內(nèi)置軟件實(shí)現(xiàn)喂絲機(jī)的智能控制和人工控制，調(diào)整喂絲機(jī)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(tǒng)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(shù)和指令，優(yōu)化喂絲機(jī)的控制過程。

4.2性能分析

本系統(tǒng)中的主站通訊全部采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分布式I/O采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)。Webit-GRTU、Intouch監(jiān)控系統(tǒng)、Siemens PLC S7-400等之間無(wú)需中間轉(zhuǎn)換裝置便能較好地協(xié)同工作、交互數(shù)據(jù)。其中Webit-GRTU發(fā)揮了獨(dú)立智能控制及協(xié)調(diào)能力，并經(jīng)受住鋼廠惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

比較原來使用Modbus通訊的RTU，每個(gè)操作站和服務(wù)器接收RTU數(shù)據(jù)都要配置專門的Modbus通訊模塊和通訊軟件，而使用Webit-GRTU，通過ActiveX、DDE、OPC很方便的將RTU控制和PLC控制系統(tǒng)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(cè)試，單字節(jié)傳輸速率一般在720μs左右，與傳統(tǒng)的RTU串行傳輸方式相比，速度提高了30~100倍左右。實(shí)際應(yīng)用中，操作站畫面的數(shù)據(jù)掃描周期由原來的5~10 s縮小到2 s以內(nèi)，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(jié)論

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