嵌入式工业以太网控制方案的研究

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1、嵌入式工业以太网控制方案的研究

2、第1摘　要：分析了嵌入式工业以太网控制技术相对现场总线的优越性，提出了完整的网络控制方案，具体分析了现场底层控制模块的组成和开发细节，其中TCP/IP协议的开发是重点。方案结构简洁，控制灵活，可实现企业信息的实时传输和真正共享。关键词：现场总线；工业以太网；嵌入式；节点控制模块1　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Inter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

3、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(DistributedControlSystem，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

4、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

5、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100Mb/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(Ether)，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

6、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。2　方案分析2．1　嵌入式工业以太网控制系统方案设计　　控制系统网络分为3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

7、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100MHz晶振驱动下指令执行速度可达100MI/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(VirtualPeripheral)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

8、，利用该特点可以实现流行的Inter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Inter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Inter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Inter，实现真正的嵌入式TCP/IP