嵌入式工业以太网控制方案的研究

　　一、引言

　　对工业自动化领域而言，大量的智能设备可通过各种途径连到Internet上，通过网络相互传递信息和数据，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及监管控一体化。

　　现场总线（FieldBus）就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始。这一技术的发展，对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用。与传统的集散控制系统（Distributed ControlSystem，DCS）相比，他具有全开放、全分散、互操作等优点，但还是有很大的局限性，主要表现在以下几方面：

　　1．目前的现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，复杂的控制功能仍集中在一台控制计算机上，不能实现全分散控制，存在风险集中的现象。

　　2．现场总线仅作为系统的一个组成部分，位于系统的底层，不足以实现系统的全开放性结构。系统架构呈垂直组合状，数据通信存在瓶颈。

　　3．IEC61158标准包括8种类型的现场总线，相互之间差异较大，不能实现互操作，彼此连接存在一定困难。

　　4．系统中所有控制器独立运行，各执行独立的数据处理，难

　　以做到所有信息共享，导致系统实时性不尽如人意。

　　上面的阐述说明传统经典的PLC和现场总线技术已不适合这种要求。即使是像工业PC，OPC等技术，只要他们被镶嵌在传统的系统结构中，也只能是对系统的功能作些边缘性的提高。

　　因此，为减轻繁重的编程工作和达到系统的简单化，需要对系统的结构进行变革。随着信息技术的不断飞跃发展，工业控制领域中必然会产生一种能够弥补现场总线缺陷，实现全系统统一、高效、实时的控制策略。工业以太网就是适应这一需要而迅速发展起来的控制技术。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择，他能满足如下所有要求：

　　1．充分考虑今后的发展需要，具有高传输速率，目前达到100 Mb/s。

　　2．高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性。

　　3．集线器的应用可不需考虑网络的扩展。

　　4．建立了一种标准：一个新的工控总线标准。

　　5．与IT连接，“世界标准”的TCP/IP技术的应用。

　　6．在整个网络中的随机网络存取技术。

　　以太网（Ethernet），既是一种计算机接入局域网络的术。由于以太网传送速率的大幅度提高，物理层标准的工业化以及以太网集线器技术的形成，千兆以太网技术和无碰撞全双工光纤技术的出现，使得这一先进的网络技术被推进到早先认为不适宜的工业控制网络中，形成了工业以太网技术。与目前的基于现场总线的控制网络相比，基于工业以太网技术的控制网络是一种低成本（许多商用以太网的芯片组与技术可以借用）、高性能的控制网络解决方案。

　　二、方案分析

　　（一）嵌入式工业以太网控制系统方案设计

　　控制系统网络分为三层：信息层、控制层和设备层（传感/执行层）。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，几乎所有的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。

　　本方案中，网络控制系统分为三部分：

　　1．现场设备层

　　包括嵌入式节点控制模块和现场工作机。前者主要完成现场数据的采集、前端数据的处理与保存并通过Internet接口与上层进行通信。控制模块可实现服务器功能，信息层可通过Web浏览的方式访问（支持点对多点通信）。后者主要负责一些辅助性、监控性事务，如现场数据传送、历史数据处理、报表输出等。

　　2．内部信息层

　　主要由企业内部以太网组成。主要完成整个系统的信息收集和发布，即通过访问现场节点控制模块中的Web服务器，把位于监控之下的所有监控节点的数据通过HUB集线器集中在局域网服务器中，并统一管理和保存，通过Web浏览的方式向上层管理部门发布。

　　3．Internet网络层

　　该层通过交换机、路由器连接企业各个局域网，完成信息全球发布，位于办公室的部门可以直观地看到现场的工作情况、生产计划完成情况和设备工作状态等信息，即使远在千里，也可以随时随地的掌握企业（公司）的运转情况，使远程办公真正成为现实。工业以太网控制系统方案如图1所示。

　　（二）嵌入式接口控制模块的实现

　　工业以太网体系结构中，以太网作为连接智能控制模块的系统总线，内部和外部的数据通讯在此没有区别。集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间把内部通讯从外部通讯中分离出来。其中集线器技术和底层协议的集成，确保了以太网的确定性、兼容性和整体性。目前在传输层和网络层的协议基本上已经统一，TCP/IP已成为标准网络协议，这是以太网正常运作的“中枢”。工业以太网技术中关键一环是：在现场级的节点控制模块（如远程I/O模块）中实现TCP/IP网络通信协议，即建立协议栈。随着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式或硬件方式将TCP/IP协议嵌入到节点模块已经成为可能。软件方式将TCP/IP嵌入到微处理器的ROM中，硬件方式是设计嵌入式处理器和ASIC器件芯片而直接用作网络接口。

　　方案采用基于RISC结构的单片机，带有片上Flash程序存储器，具有在系统编程、调试功能。由于采用CPU并行流水线方式及单时钟周期指令，在100 MHz晶振驱动下指令执行速度可达100 MI/s，所有I/O管脚可以通过编程灵活配置。基于以上特点，可实现虚拟外设（Virtual Peripheral）功能：CPU通过执行虚拟软件模块直接驱动普通I/O口实现硬件外设功能（如UART、I2C、SPI、CallerID、FSK等）。最特别的是，利用该特点可以实现流行的Internet协议栈，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP。

　　节点模块的实现采用多任务方式，单片机在进行数据采集或完成I/O控制任务的同时，还可完成Internet协议处理。在应用层，可以选择HTTP、SMTP、POP3中的任意一种作为单片机系统与Internet远程管理终端之间的通讯协议；或者自己开发基于TCP，UDP协议的其他程序作为应用层软件。使用以太网控制芯片，可将数据包发到以太网上，通过以太网接入Internet，实现真正的嵌入式TCP/IP设备。图2为控制模块结构示意图。