摘　要：分析了嵌入式工業以太網控制技術相對現場總線的優越性，提出了完整的網絡控制方案，具體分析了現場底層控制模塊的組成和開發細節，其中TCP/IP協議的開發是重點。方案結構簡潔，控制靈活，可實現企業信息的實時傳輸和真正共享。 關鍵詞：現場總線；工業以太網；嵌入式；節點控制模塊 1　引言 　　對工業自動化領域而言，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據，實現智能化現場設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監管控一體化。現場總線（FieldBus）就是順應這一形勢發展起來的新技術。現場總線的出現，標志著工業控制技術領域又一新時代的開始。這一技術的發展，對實現面向設備的自動化系統起到了巨大的推動作用。與傳統的集散控制系統（Distributed ControlSystem，DCS）相比，他具有全開放、全分散、互操作等優點，但還是有很大的局限性，主要表現在以下幾方面： 　　（1）目前的現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，不能實現全分散控制，存在風險集中的現象。 　　（2）現場總線僅作為系統的一個組成部分，位于系統的底層，不足以實現系統的全開放性結構。系統架構呈垂直組合狀，數據通信存在瓶頸。 　　（3）IEC61158標準包括8種類型的現場總線，相互之間差異較大，不能實現互操作，彼此連接存在一定困難。 　　（4）系統中所有控制器獨立運行，各執行獨立的數據處理，難以做到所有信息共享，導致系統實時性不盡如人意。　　 上面的闡述說明傳統經典的PLC和現場總線技術已不適合這種要求。即使是像工業PC，OPC等技術，只要他們被鑲嵌在傳統的系統結構中，也只能是對系統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的簡單化，需要對系統的結構進行變革。隨著信息技術的不斷飛躍發展，工業控制領域中必然會產生一種能夠彌補現場總線缺陷，實現全系統統一、高效、實時的控制策略。工業以太網就是適應這一需要而迅速發展起來的控制技術。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，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控制網絡中，形成了工業以太網技術。與目前的基于現場總線的控制網絡相比，基于工業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。 2　方案分析 2．1　嵌入式工業以太網控制系統方案設計 　　控制系統網絡分為3層：信息層、控制層和設備層（傳感/執行層）。傳統的控制系統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網絡架構的限制，可以位于現場，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模塊中的當前狀態值。 　　本方案中，網絡控制系統分為3部分： 　　（1）現場設備層　包括嵌入式節點控制模塊和現場工作機。前者主要完成現場數據的采集、前端數據的處理與保存并通過Internet接口與上層進行通信。控制模塊可實現服務器功能，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、監控性事務，如現場數據傳送、歷史數據處理、報表輸出等。 　　（2）內部信息層　主要由企業內部以太網組成。主要完成整個系統的信息收集和發布，即通過訪問現場節點控制模塊中的Web服務器，把位于監控之下的所有監控節點的數據通過HUB集線器集中在局域網服務器中，并統一管理和保存，通過Web瀏覽的方式向上層管理部門發布。 　　（3）Internet網絡層　該層通過交換機、路由器連接企業各個局域網，完成信息全球發布，位于辦公室的部門可以直觀地看到現場的工作情況、生產計劃完成情況和設備工作狀態等信息，即使遠在千里，也可以隨時隨地的掌握企業（公司）的運轉情況，使遠程辦公真正成為現實。工業以太網控制系統方案如圖1所示。 2．2　嵌入式接口控制模塊的實現 　　工業以太網體系結構中，以太網作為連接智能控制模塊的系統總線，內部和外部的數據通訊在此沒有區別。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議基本上已經統一，TCP/IP已成為標準網絡協議，這是以太網正常運作的“中樞”。工業以太網技術中關鍵一環是：在現場級的節點控制模塊（如遠程I/O模塊）中實現TCP/IP網絡通信協議，即建立協議棧。隨著電子和信息技術的高速發展，通過軟件方式或硬件方式將TCP/IP協議嵌入到節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，可實現虛擬外設（Virtual Peripheral）功能：CPU通過執行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現硬件外設功能（如UART，I2 C，SPI，CallerID，FSK等）。最特別的是，利用該特點可以實現流行的Internet協議棧，如HTTP，SMTP，POP3，TCP，UDP，ICMP，IP，PPP。 　　節點模塊的實現采用多任務方式，單片機在進行數據采集或完成I/O控制任務的同時，還可完成Internet協議處理。在應用層，可以選擇HTTP，SMTP，POP3中的任意一種作為單片機系統與Internet遠程管理終端之間的通訊協議；或者自己開發基于TCP，UDP協議的其他程序作為應用層軟件。使用以太網控制芯片，可將數據包發到以太網上，通過以太網接入Internet，實現真正的嵌入式TCP/IP設備。圖2為控制模塊結構示意圖。 　　RJ45為此系統與局域網的接口。數據的流向為：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的數據包送入單片機協議棧，由協議棧對數據包進行解析，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。回復信息到局域網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8 b單片機系統直接接入Internet，整個系統完全自給自足。 　　（2）使用外圍器件少，系統成本低。 　　（3）支持IP，TCP，UDP，ICMP，HTTP，SMTP協議。 　　（4）系統提供10/100 Base-T網絡接口，直接支持EthernetIEEE802．3協議。 　　（5）通過系統內置的RS232串行接口、支持Web頁面下載功能，可以實時、動態顯示并控制監控點數據。 2．3　以太網通信協議開發 　　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據鏈路層。在物理層定義了電纜類型、連接器和信號電平；數據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議。如何在現有協議基礎上實現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。網絡協議棧實現原理如圖3所示。 　　圖3中的軟件協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以太網協議。總的來說，協議開發都集中在以下3個方面： 　　（1）網絡層協議　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協議（網際協議）、ICMP協議（Internet互聯網控制報文協議）以及IGMP協議（Internet組管理協議）。IP協議是主要應用對象。Internet中所有的數據都是以IP數據包格式傳輸，其最大特點是提供不可靠和無連接的數據報傳送服務。 　　在嵌入式控制模塊中開發協議棧，IP層的實現就是把要發送出去的消息進行IP打包，即加上IP包頭，使之符合IP數據包的格式發送到物理層；將接收到的來自物理層的數據包進行IP解包，即去掉包頭，送到TCP層。 　　（2）傳輸層協議　TCP提供一種面向連接的、可靠的字節流傳送服務，一旦數據報被破壞或丟失，則由TCP將其重新傳輸。在嵌入式模塊協議棧中，對TCP層的實現是通過提供的TCPAPI（應用程序接口）來實現的。 　　（3）應用層協議　HTTP是WWW上的協議。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作為他的傳輸協議，所以上述2個TCP連接也為WebServer所用。理所當然，TCPAPI的發送和接收函數也用來實行WebServer的請求及相應命令，完成數據傳輸。 　　在控制模塊中，可以用HTTP協議構造Web服務器，用SMTP協議構造郵件服務的客戶端，用PPP協議構造點到點的系統，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，實現遠程、實時控制。 2．4　系統應用平臺的開發 　　工業控制應用軟件的開發，主要是基于B/S網絡架構，控制底層通過建立智能節點模塊實現現場數據信息的收集并建立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據，并可將控制命令傳達。這種應用系統的重點在于底層服務器的開發。同時，系統的監控軟件采用網絡化設計，具有良好的擴展性和互聯性，帶有參數集中顯示、數據實時查詢等功能，還有所有設備聯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。 3　結語 　　網絡技術的飛速發展深刻影響著工業自動化技術的變革。嵌入式工業以太網這種高度開放、使用靈活方便、功能強大的新型工業控制網絡將會以非常高的效率把企業的現場設備層、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信息系統。他必將滲透到機械制造、汽車制造、半導體制造、石油化工等制造業的各個方面，同時也將廣泛運用于樓宇自控、電力系統監控、機器人控制、紡織包裝、印刷等一切需要數字信息交換與集成的領域。因此，以工業以太網作為一種全新的“現場總線”是未來工業控制網絡的必然選擇。他實現了現場設備層與企業內部信息網（Intranet）的無縫連接，在建立起一個真正統一的工業控制網絡的同時，把開放性的思想在更高程度上運用于工業控制網絡。 參考文獻 ［1］許華杰，明健．基于SX單片機實現WebServer和網絡協議棧［J］．單片機與嵌入式系統應用，2001，（11）:62-65. ［2］樂德廣，郭東輝．基于SX微處理器的嵌入式Internet技術及其應用系統的設計［J］．嵌入式系統論文集，2000,（11）:127-132. ［3］UBICOM，Inc．Application note37 Web server＆send emailclient implementation with Ethernet as the physical layer [S].January 2000,34-40. ［4］劉三山，萬曼影．以太網和現場總線的混合網絡設計［J］．自動化與儀表,2001,（6）:20-23. ［5］吳譽，張衛東，許曉鳴．以太網與現場總線的互聯方法［J］．測控技術,2000,（1）:11-14. ［6］Dick Johnson．Ethernet edges toward processcontrol［J］．ControlEngineering 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