嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的應用研究

　　1 引言

　　隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)成為了各國工控界的一個研究熱點領域。國內(nèi)開展這項研究較早的浙江大學，中科院沈陽自動化所，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(tǒng)的EPA系統(tǒng)結構和通信標準”，并力圖在化工領域建成幾個示范性應用項目。廣東工業(yè)大學聯(lián)合中南大學，中科院自動化所開展了嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的研究，并進行了“基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)控制器開發(fā)”，致力于發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)在工控領域的優(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(tǒng)，為了研究在各種行業(yè)、不同工藝流程下的通用網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，所以本文中將不強調(diào)工藝流程。而應用試驗的對象也將使用中南大學率先研發(fā)的仿工業(yè)現(xiàn)場的被控對象，本文將對最常用的壓力、溫度、水位和流量四個控制系統(tǒng)進行全面仿真工業(yè)現(xiàn)場的試驗。

　　3 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結構

　　將企業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡分為控制層和設備層。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡可靠性參數(shù)的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡改進傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結構。采用環(huán)形網(wǎng)絡拓撲，可以增加網(wǎng)絡的可靠性。

　　而解決網(wǎng)絡的實時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過以太網(wǎng)交換機（交換式）來通信。

　　改進后的網(wǎng)絡結構如圖1所示。控制層網(wǎng)絡由100M以太網(wǎng)構成組成環(huán)形網(wǎng)絡。

　　每個控制區(qū)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(zhí)行機構。如圖2所示。

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

　　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設計的方式，增強了系統(tǒng)應用的靈活性，方便系統(tǒng)調(diào)試。圖3中，虛線框所包含的模塊組成核心板，虛線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兩種類型，能滿足系統(tǒng)運行和調(diào)試的需要?；径丝诎ㄒ蕴W(wǎng)接口，USB接口，還有兩個RS232的串口，能滿足系統(tǒng)應用和調(diào)試的需要。A/D和D/A模塊主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制信號的輸出 DC/DC模塊主要負責整個系統(tǒng)的供電。擴展接口考慮了系統(tǒng)的可擴展性。

　　控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了 uClinux。uClinux是一個完全符合 GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領域而裁減設計的嵌入式操作系統(tǒng) uClinux從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有 MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器，例如Cold Fire。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。特別的為了應用到工業(yè)實時領域，還可以進一步增強uClinux的實時性。

　　整個嵌人式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點：

　　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(tǒng)穩(wěn)定性，嵌入式的uClinux能完成復雜的算法計算以及任務調(diào)度、網(wǎng)絡等功能;

　　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，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;

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

　　5 應用技術方案

　　在試用嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)時，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(tǒng)。選擇壓力、溫度、水位、流量及各自調(diào)節(jié)閥門等10多個I/O信號。

　　以壓力控制系統(tǒng)為例，如圖4所示，它有3個互相串聯(lián)的不同大小的氣缸裝置、兩路進氣管道以及其上的手動閥F1～F3、兩臺電/氣轉(zhuǎn)換器、氣閉式氣動閥Vcl 和Vc2以及3臺壓力變送器組成。其中，電/氣轉(zhuǎn)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），相應氣閉式氣動閥的開度為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(jù)測試點實際情況，將信號分組：本文中每個控制系統(tǒng)分為一組信號，如壓力系統(tǒng)包括控制信號u1、u2，氣閉式氣動閥Vcl、Vc2以及R1- R3?？梢钥吹剑?/p>

　　每個控制區(qū)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(zhí)行機構;

　　每個控制區(qū)域通過嵌入式工業(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交換機連出到企業(yè)信息層網(wǎng)絡。

　　6 結束語

　　該套系統(tǒng)自2004年1月在實驗室仿工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境中運行以來一直穩(wěn)定工作，實際運行結果表明提高了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的可靠性、實時性和安全性，準備近期正式移植到工業(yè)現(xiàn)場。

　　以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場中的應用與uClinux嵌入式系統(tǒng)是兩個現(xiàn)在研究的熱點領域，以太網(wǎng)與uClinux在工業(yè)控制領域有著非常好的應用前景。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。