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。

 

　　RJ45为此系统与局域网的接口。数据的流向为：请求信息从局域网中来，通过RJ45送到网卡控制芯片，处理后05的数据包送入单片机协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始请求信息。请求信息再经过单片机的处理，产生回复信息。回复信息到局域网的过程与上面正好相反。

　　接口控制模块的特点：

　　1．不依赖PC机或高档单片机，真正实现8b单片机系统直接接入Internet，整个系统完全自给自足。

　　2．使用外围器件少，系统成本低。

　　3．支持IP、TCP、UDP、ICMP、HTTP、SMTP协议。

　　4．系统提供10/100 Base-T网络接口，直接支持EthernetIEEE802.3协议。

　　5．通过系统内置的RS232串行接口、支持Web页面下载功能，可以实时、动态显示并控制监控点数据。

　　（三）以太网通信协议开发

　　以太网是按照局域网的要求设计的。以太网标准（IEEE802．3）定义了OSI参考模型的物理层和数据链路层。在物理层定义了电缆类型、连接器和信号电平；数据链路层定义了帧格式、差错控制方式、信道分配方法等。但以太网不能完成OSI模型第3层以上的功能，从这个意义上来说，他不属于完整的网络协议。如何在现有协议基础上实现OSI模型的网络层、传输层以及应用层，才是解决问题的关键所在。

　　网络协议栈实现原理如图3所示。

 

　　图3中的软件协议栈都用单片机语言编写，存储在单片机的Flash程序存储器中。国内外不同厂家纷纷针对自己的以太网产品推出了不同的工业以太网协议。总的来说，协议开发都集中在以下三个方面：

　　1．网络层协议

　　网络层主要处理分组在网络中的活动，例如分组的选择、路由的确定。包括：IP协议（网际协议）、ICMP协议（Internet互联网控制报文协议）以及IGMP协议（Internet组管理协议）。IP协议是主要应用对象。Internet中所有的数据都是以IP数据包格式传输，其最大特点是提供不可靠和无连接的数据报传送服务。

　　在嵌入式控制模块中开发协议栈，IP层的实现就是把要发送出去的消息进行IP打包，即加上IP包头，使之符合IP数据包的格式发送到物理层；将接收到的来自物理层的数据包进行IP解包，即去掉包头，送到TCP层。

　　2．传输层协议

　　TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流传送服务，一旦数据报被破坏或丢失，则由TCP将其重新传输。在嵌入式模块协议栈中，对TCP层的实现是通过提供的TCPAPI（应用程序接口）来实现的。

　    3．应用层协议

　　HTTP是WWW上的协议。当用户要浏览服务器上的一个网页时，HTTP请求就会从用户的浏览器发送到HTTP服务器。服务器响应这个请求，把指定的网页传送回来，用户才看到了网页。因为HTTP层的下面是TCP层，也就是说HTTP把TCP作为他的传输协议，所以上述两个TCP连接也为WebServer所用。理所当然，TCPAPI的发送和接收函数也用来实行WebServer的请求及相应命令，完成数据传输。

　　在控制模块中，可以用HTTP协议构造Web服务器，用SMTP协议构造邮件服务的客户端，用PPP协议构造点到点的系统，最终建立C/S模型。所有的服务器资源都存放在外部存储器（E2PROM）中，他的容量决定了WebServer的资源文件的大小。HTTP使用统一资源定位器来指定返回给客户端的网络资源（如HTML、文本文档、图像、Java脚本、Java applet、PDF文档等）。网络中任何类型Web服务器都可与之进行交互式通信，实现远程、实时控制。

　　（四）系统应用平台的开发

　　工业控制应用软件的开发，主要是基于B/S网络架构，控制底层通过建立智能节点模块实现现场数据信息的收集并建立Web资源服务器，客户端只需要通过浏览器即可实时读取到其中的数据，并可将控制命令传达。这种应用系统的重点在于底层服务器的开发。同时，系统的监控软件采用网络化设计，具有良好的扩展性和互联性，带有参数集中显示、数据实时查询等功能，还有所有设备联网所带来的特殊功能如：控制模块自动切换、网络故障检测、资源共享等。

三、结语

　　网络技术的飞速发展深刻影响着工业自动化技术的变革。嵌入式工业以太网这种高度开放、使用灵活方便、功能强大的新型工业控制网络将会以非常高的效率把企业的现场设备层、控制层以及管理层连接在一起，形成以网络集成自动化为基础的企业信息系统。他必将渗透到机械制造、汽车制造、半导体制造、石油化工等制造业的各个方面，同时也将广泛运用于楼宇自控、电力系统监控、机器人控制、纺织包装、印刷等一切需要数字信息交换与集成的领域。因此，以工业以太网作为一种全新的“现场总线”是未来工业控制网络的必然选择。他实现了现场设备层与企业内部信息网（Intranet）的无缝连接，在建立起一个真正统一的工业控制网络的同时，把开放性的思想在更高程度上运用于工业控制网络。