嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制方案的研究

       一、引言

　　對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域而言，大量的智能設(shè)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(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線（FieldBus）就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)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(shí)代的開(kāi)始。這一技術(shù)的發(fā)展，對(duì)實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用。與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（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(xiàn)在以下幾方面：

      1．目前的現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備的計(jì)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(tái)控制計(jì)算機(jī)上，不能實(shí)現(xiàn)全分散控制，存在風(fēng)險(xiǎn)集中的現(xiàn)象。

      2．現(xiàn)場(chǎng)總線僅作為系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，位于系統(tǒng)的底層，不足以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全開(kāi)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(chǎng)總線，相互之間差異較大，不能實(shí)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(dú)立運(yùn)行，各執(zhí)行獨(dú)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(shí)時(shí)性不盡如人意。

       上面的闡述說(shuō)明傳統(tǒng)經(jīng)典的PLC和現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(dá)到系統(tǒng)的簡(jiǎn)單化，需要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(huì)產(chǎn)生一種能夠彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線缺陷，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一、高效、實(shí)時(shí)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(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(dá)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(kuò)展。

       4．建立了一種標(biāo)準(zhǔn)：一個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)存取技術(shù)。

　　以太網(wǎng)（Ethernet），既是一種計(jì)算機(jī)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(wú)碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被推進(jìn)到早先認(rèn)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(chǎng)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(jì)

　　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(chǎng)總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，幾乎所有的PLC和遠(yuǎn)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(chǎng)，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來(lái)越強(qiáng)，在有些控制器和遠(yuǎn)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(yuǎn)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(chǎng)設(shè)備層

       包括嵌入式節(jié)點(diǎn)控制模塊和現(xiàn)場(chǎng)工作機(jī)。前者主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、前端數(shù)據(jù)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(xiàn)服務(wù)器功能，信息層可通過(guò)Web瀏覽的方式訪問(wèn)（支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信）。后者主要負(fù)責(zé)一些輔助性、監(jiān)控性事務(wù)，如現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送、歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)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(gè)系統(tǒng)的信息收集和發(fā)布，即通過(guò)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(guò)交換機(jī)、路由器連接企業(yè)各個(gè)局域網(wǎng)，完成信息全球發(fā)布，位于辦公室的部門可以直觀地看到現(xiàn)場(chǎng)的工作情況、生產(chǎn)計(jì)劃完成情況和設(shè)備工作狀態(tài)等信息，即使遠(yuǎn)在千里，也可以隨時(shí)隨地的掌握企業(yè)（公司）的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使遠(yuǎn)程辦公真正成為現(xiàn)實(shí)。工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)方案如圖1所示。



     （二）嵌入式接口控制模塊的實(shí)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(méi)有區(qū)別。集線器技術(shù)被集成在每個(gè)控制器中，通過(guò)分配地址空間把內(nèi)部通訊從外部通訊中分離出來(lái)。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(yùn)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(chǎng)級(jí)的節(jié)點(diǎn)控制模塊（如遠(yuǎn)程I/O模塊）中實(shí)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(guò)軟件方式或硬件方式將TCP/IP協(xié)議嵌入到節(jié)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(shè)計(jì)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(jī)，帶有片上Flash程序存儲(chǔ)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(shí)鐘周期指令，在100 MHz晶振驅(qū)動(dòng)下指令執(zhí)行速度可達(dá)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(xiàn)虛擬外設(shè)（Virtual Peripheral）功能：CPU通過(guò)執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動(dòng)普通I/O口實(shí)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(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)流行的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP。

      節(jié)點(diǎn)模塊的實(shí)現(xiàn)采用多任務(wù)方式，單片機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yīng)用層，可以選擇HTTP、SMTP、POP3中的任意一種作為單片機(jī)系統(tǒng)與Internet遠(yuǎn)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(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(guò)以太網(wǎng)接入Internet，實(shí)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。



       RJ45為此系統(tǒng)與局域網(wǎng)的接口。數(shù)據(jù)的流向?yàn)椋赫?qǐng)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(shù)據(jù)包送入單片機(jī)協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請(qǐng)求信息。請(qǐng)求信息再經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，產(chǎn)生回復(fù)信息?；貜?fù)信息到局域網(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PC機(jī)或高檔單片機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)8b單片機(jī)系統(tǒng)直接接入Internet，整個(gè)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(wǎng)絡(luò)接口，直接支持EthernetIEEE802.3協(xié)議。

　　5．通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)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(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)。

     （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(shè)計(jì)的。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（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(hào)電平；數(shù)據(jù)鏈路層定義了幀格式、差錯(cuò)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(xiàn)有協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)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(xiàn)原理如圖3所示。



       圖3中的軟件協(xié)議棧都用單片機(jī)語(yǔ)言編寫，存儲(chǔ)在單片機(jī)的Flash程序存儲(chǔ)器中。國(guó)內(nèi)外不同廠家紛紛針對(duì)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(bào)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(yīng)用對(duì)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(diǎn)是提供不可靠和無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)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(xiàn)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(shù)據(jù)包的格式發(fā)送到物理層；將接收到的來(lái)自物理層的數(shù)據(jù)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(jié)流傳送服務(wù)，一旦數(shù)據(jù)報(bào)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(duì)TCP層的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)提供的TCPAPI（應(yīng)用程序接口）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

     3．應(yīng)用層協(xié)議

      HTTP是WWW上的協(xié)議。當(dāng)用戶要瀏覽服務(wù)器上的一個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，HTTP請(qǐng)求就會(huì)從用戶的瀏覽器發(fā)送到HTTP服務(wù)器。服務(wù)器響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，把指定的網(wǎng)頁(yè)傳送回來(lái)，用戶才看到了網(wǎng)頁(yè)。因?yàn)镠TTP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(dāng)然，TCPAPI的發(fā)送和接收函數(shù)也用來(lái)實(shí)行WebServer的請(qǐng)求及相應(yīng)命令，完成數(shù)據(jù)傳輸。

　　在控制模塊中，可以用HTTP協(xié)議構(gòu)造Web服務(wù)器，用SMTP協(xié)議構(gòu)造郵件服務(wù)的客戶端，用PPP協(xié)議構(gòu)造點(diǎn)到點(diǎn)的系統(tǒng)，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(chǔ)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(lái)指定返回給客戶端的網(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)中任何類型Web服務(wù)器都可與之進(jìn)行交互式通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)控制。

      （四）系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

　　工業(yè)控制應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，主要是基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制底層通過(guò)建立智能節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的收集并建立Web資源服務(wù)器，客戶端只需要通過(guò)瀏覽器即可實(shí)時(shí)讀取到其中的數(shù)據(jù)，并可將控制命令傳達(dá)。這種應(yīng)用系統(tǒng)的重點(diǎn)在于底層服務(wù)器的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性和互聯(lián)性，帶有參數(shù)集中顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢等功能，還有所有設(shè)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(cè)、資源共享等。

     三、結(jié)語(yǔ)

　　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展深刻影響著工業(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(qiáng)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。他必將滲透到機(jī)械制造、汽車制造、半導(dǎo)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(yùn)用于樓宇自控、電力系統(tǒng)監(jiān)控、機(jī)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(lǐng)域。因此，以工業(yè)以太網(wǎng)作為一種全新的“現(xiàn)場(chǎng)總線”是未來(lái)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。他實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層與企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)（Intranet）的無(wú)縫連接，在建立起一個(gè)真正統(tǒng)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(yùn)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。
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