一、引言

　　對工業(yè)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(xiàn)智能化現(xiàn)場設備的功能自治性、系統(tǒng)結構的高度分散性以及監(jiān)管控一體化。

　　現(xiàn)場總線（FieldBus）就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術領域又一新時代的開始。這一技術的發(fā)展，對實現(xiàn)面向設備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用。與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（Distributed ControlSystem，DCS）相比，他具有全開放、全分散、互操作等優(yōu)點，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(xiàn)全分散控制，存在風險集中的現(xiàn)象。

　　2．現(xiàn)場總線僅作為系統(tǒng)的一個組成部分，位于系統(tǒng)的底層，不足以實現(xiàn)系統(tǒng)的全開放性結構。系統(tǒng)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(xiàn)場總線，相互之間差異較大，不能實現(xiàn)互操作，彼此連接存在一定困難。

　　4．系統(tǒng)中所有控制器獨立運行，各執(zhí)行獨立的數據處理，難

　　以做到所有信息共享，導致系統(tǒng)實時性不盡如人意。

　　上面的闡述說明傳統(tǒng)經典的PLC和現(xiàn)場總線技術已不適合這種要求。即使是像工業(yè)PC，OPC等技術，只要他們被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結構中，也只能是對系統(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到系統(tǒng)的簡單化，需要對系統(tǒng)的結構進行變革。隨著信息技術的不斷飛躍發(fā)展，工業(yè)控制領域中必然會產生一種能夠彌補現(xiàn)場總線缺陷，實現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一、高效、實時的控制策略。工業(yè)以太網就是適應這一需要而迅速發(fā)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(fā)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(yè)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(xiàn)，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(yè)控制網絡中，形成了工業(yè)以太網技術。與目前的基于現(xiàn)場總線的控制網絡相比，基于工業(yè)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。

　　二、方案分析

　?。ㄒ唬?a target="_blank">嵌入式工業(yè)以太網控制系統(tǒng)方案設計

　　控制系統(tǒng)網絡分為三層：信息層、控制層和設備層（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，而在控制層和設備層一般采用不同的現(xiàn)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(tǒng)網絡架構的限制，可以位于現(xiàn)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(tài)值。

　　本方案中，網絡控制系統(tǒng)分為三部分：

　　1．現(xiàn)場設備層

　　包括嵌入式節(jié)點控制模塊和現(xiàn)場工作機。前者主要完成現(xiàn)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?？刂颇K可實現(xiàn)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(jiān)控性事務，如現(xiàn)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(yè)內部以太網組成。主要完成整個系統(tǒng)的信息收集和發(fā)布，即通過訪問現(xiàn)場節(jié)點控制模塊中的Web服務器，把位于監(jiān)控之下的所有監(jiān)控節(jié)點的數據通過HUB集線器集中在局域網服務器中，并統(tǒng)一管理和保存，通過Web瀏覽的方式向上層管理部門發(fā)布。

　　3．Internet網絡層

　　該層通過交換機、路由器連接企業(yè)各個局域網，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)場的工作情況、生產計劃完成情況和設備工作狀態(tài)等信息，即使遠在千里，也可以隨時隨地的掌握企業(yè)（公司）的運轉情況，使遠程辦公真正成為現(xiàn)實。工業(yè)以太網控制系統(tǒng)方案如圖1所示。

　?。ǘ┣度胧浇涌诳刂颇K的實現(xiàn)

　　工業(yè)以太網體系結構中，以太網作為連接智能控制模塊的系統(tǒng)總線，內部和外部的數據通訊在此沒有區(qū)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(xié)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(xié)議基本上已經統(tǒng)一，TCP/IP已成為標準網絡協(xié)議，這是以太網正常運作的“中樞”。工業(yè)以太網技術中關鍵一環(huán)是：在現(xiàn)場級的節(jié)點控制模塊（如遠程I/O模塊）中實現(xiàn)TCP/IP網絡通信協(xié)議，即建立協(xié)議棧。隨著電子和信息技術的高速發(fā)展，通過軟件方式或硬件方式將TCP/IP協(xié)議嵌入到節(jié)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(tǒng)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(zhí)行速度可達100 MI/s，所有I/O管腳可以通過編程靈活配置?；谝陨咸攸c，可實現(xiàn)虛擬外設（Virtual Peripheral）功能：CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現(xiàn)硬件外設功能（如UART、I2C、SPI、CallerID、FSK等）。最特別的是，利用該特點可以實現(xiàn)流行的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP、PPP。

　　節(jié)點模塊的實現(xiàn)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(xié)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(tǒng)與Internet遠程管理終端之間的通訊協(xié)議；或者自己開發(fā)基于TCP，UDP協(xié)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(fā)到以太網上，通過以太網接入Internet，實現(xiàn)真正的嵌入式TCP/IP設備。圖2為控制模塊結構示意圖。