一、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。

　　二、方案分析

　　（一）嵌入式工業以太網控制系統方案設計

　　控制系統網絡分為三層：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，網絡控制系統分為三部分：

　　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。

　　（二）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、I2C、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。