摘要：介紹了一種運用工業(yè)以太網技術的過程控制系統(tǒng)及其網絡應用層協議的設計思想?？刂葡到y(tǒng)的網絡架構分為兩層；以太網節(jié)點的硬件基于ARM7內核的處理器；軟件基于uClinux嵌入式操作系統(tǒng)；網絡的應用層協議自行定義，由C語言實現。經現場運行調試，控制系統(tǒng)和以太網節(jié)點均能穩(wěn)定運行，且應用層協議的實時性及容錯性是能夠得到保障的。
關鍵詞：工業(yè)以太網，控制系統(tǒng)，網絡架構，通信，應用層協議

引言
    近年來，隨著計算機、通信、網絡等信息技術的發(fā)展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。因此，需要建立包括從工業(yè)現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡平臺，建立以工業(yè)控制網絡技術為基礎的企業(yè)信息化系統(tǒng)。

    現在以太網正悄悄地進入了控制領域。近來以太網更是走向前臺，發(fā)展迅速。以太網已經成為目前市場上最受歡迎的通信網絡之一，它在工業(yè)控制領域管理層和控制層等中上層網絡通信中得到了廣泛應用，并有直接向下延伸應用于工業(yè)現場設備間通信的趨勢。

    傳統(tǒng)以太網是建立在IEEE802.3及TCP/IP基礎上的。但由于工業(yè)應用的特殊性，工業(yè)以太網對實時性、抗干擾性以及環(huán)境等因素具有很高的要求，原有商業(yè)以太網的技術難以滿足其需要。這就需要在原有基礎上再建立一套行之有效的應用層協議來滿足特定的工業(yè)環(huán)境。國際上現已有多種工業(yè)以太網應用層協議，如Ethernet/IP、Modbus-IDA、Profinet等。我國的標準EPA受國家“863”計劃支持，已由多家權威部門共同制訂而成。

    誠然上述多種標準技術成熟、且都有大公司背景，但其技術相對較復雜、有一定門檻、且配套設備成本較高，這就對實際應用與維護有較高要求，所以適用于大型系統(tǒng)。而有些控制系統(tǒng)并不需要復雜的網絡架構、且應用簡單、要求成本低，可以考慮為其設計一套簡潔高效、且成本低廉的方案。下面就為大家介紹筆者自行設計的工業(yè)以太網控制系統(tǒng)及其應用層協議。

1  控制系統(tǒng)架構

1.1 控制系統(tǒng)網絡架構

    控制系統(tǒng)網絡架構如圖1所示。控制層設備通過以太網相互通信，設備層設備通過串口相互通信。監(jiān)控站可為PC，現場設備可為閥門、傳感器等。

1.2 以太網節(jié)點的硬件結構

    以太網節(jié)點可使現場設備能與監(jiān)控站相互通信，它可對應用層協議進行解析。其硬件結構如圖2所示。CPU為三星公司基于ARM7TDMI內核的S3C44B0X處理器，RTL8019AS負責以太網通信功能。

1.3 以太網節(jié)點的軟件結構
    以太網節(jié)點的軟件結構如圖3所示。最底層的Bootloader為匯編與C混編的程序，完成系統(tǒng)的初始化工作并將系統(tǒng)控制權交給操作系統(tǒng)。uClinux為嵌入式操作系統(tǒng)，小巧且繼承了Linux系統(tǒng)優(yōu)秀的特性，由于它自帶網絡功能，所以應用程序可以方便地在此基礎上開發(fā)出網絡應用。

2 應用層協議的設計

2.1概述
    此協議為用于工業(yè)以太網控制系統(tǒng)的應用層協議，基于TCP/IP協議之上。工業(yè)以太網節(jié)點作為該協議解析器。現場設備可通過連接以太網節(jié)點具有網絡通信功能?，F場設備、節(jié)點和上層監(jiān)控系統(tǒng)進行通信時信息幀格式必須符合應用層協議的要求。

2.2基本概念

2.2.1 類
    在一個控制系統(tǒng)中不止有一種設備，這就需要對它們進行歸類，以便監(jiān)控系統(tǒng)能方便地對它們進行識別與控制，并且各個現場設備間也能進行互相通信。

    在本協議中用類ID來對各種現場設備進行識別，它的范圍為1～254。

2.2.2 對象
    在一個控制系統(tǒng)中，一類設備可能不止一臺，我們用對象來定義一類設備中的每個實例。它的范圍為1～254。

    注：系統(tǒng)默認上層主監(jiān)控站的類ID與對象ID為（0，0）。系統(tǒng)廣播的類ID與對象ID為（255，255）。

2.2.3關聯節(jié)點
    我們可以設置一個以太網節(jié)點的關聯節(jié)點，最多十個。關聯節(jié)點可理解為能同該節(jié)點協同工作的節(jié)點。當該節(jié)點產生某種行為如發(fā)生故障時，該節(jié)點能及時通知關聯節(jié)點使之采取相應的措施，從而使系統(tǒng)能更好的工作。

2.2.4 參數設置
    以太網節(jié)點是本協議中類ID與對象ID的載體。每臺節(jié)點在使用前都要對它的參數進行設置，包括它的類ID、對象ID以及其關聯節(jié)點等。這個工作由PC上的配置軟件來完成，將PC與節(jié)點用串口相連，PC上的配置軟件通過相應的協議對節(jié)點進行設置。

2.2.5 握手
    設備在進行通信前先確認一下連接是否正常，此過程為握手。在本系統(tǒng)中握手分兩階段進行。

    首先，上位機則處于等待狀態(tài)中，以太網節(jié)點上電經過一個隨機時間后主動發(fā)送握手信息給上位機。當上位機收到握手信號后立即回復信息。握手時節(jié)點需將其類ID、對象ID以及IP地址發(fā)給監(jiān)控站，監(jiān)控站將節(jié)點的信息存入數據庫，以備查詢。

    節(jié)點與監(jiān)控站握手成功后再通過串口與現場設備進行握手。

    只有兩階段握手都成功后，節(jié)點才能進入下階段工作。

2.2.6 信息幀格式
    本協議中信息幀主要分為兩種：數據幀與命令幀。

    數據幀為一般的I/O信息，而命令幀則包含控制、查詢及設置等命令。

    在本協議中控制層與設備層的信息幀格式略有不同。節(jié)點與監(jiān)控站之間傳輸的為控制層信息幀，它們可由節(jié)點轉換成設備層信息幀。節(jié)點與現場設備間傳輸的為設備層信息幀，它們是現場設備能讀得懂的原始信息，可由節(jié)點封裝成控制層信息幀。兩層協議的差異將在下節(jié)提及。

2.3協議詳解
2.3.1 數據幀
    

    7E為幀頭；若該幀為設備層信息幀，則不包含類ID與對象ID；長度為所包含的數據長度；校驗為除校驗字節(jié)之外所有字節(jié)的異或結果。

2.3.2 命令幀
    
    7F為幀頭；若該幀為設備層信息幀，則不包含類ID與對象ID；長度為所包含的命令長度；校驗為除校驗字節(jié)之外所有字節(jié)的異或結果。

2.3.3 參數設置信息幀
    每臺以太網節(jié)點在投入工作前都要進行參數設置，該工作按照特定的協議進行。

    設置參數時將節(jié)點與PC相連，通過配置軟件對節(jié)點進行設置。它們在通信前先要進行握手，然后再進行配置信息的傳輸。具體協議如下：

    PCà節(jié)點：握手命令，命令00。
    

    節(jié)點àPC：一般回復命令，命令B0。
    

    PCà節(jié)點：配置命令，命令01。
    

    節(jié)點àPC：一般回復命令，命令B1。
    

2.3.4 控制系統(tǒng)中通信的握手協議
    控制系統(tǒng)中的各個以太網節(jié)點在上電后都要與監(jiān)控站進行握手，以確保連接正常，之后才能進行協議轉換等通信工作。在與監(jiān)控站握手成功后再與現場設備進行握手，兩次握手均成功后才能進行正常通信。若設備層有故障，則以太網節(jié)點向主監(jiān)控站發(fā)送錯誤報告。

    協議具體內容如下：

    節(jié)點à監(jiān)控站：握手信息，發(fā)送參數，命令02。
    

    監(jiān)控站à節(jié)點：回復命令，命令B2。
    

    節(jié)點à現場設備：握手信息，命令03。
    

    現場設備à節(jié)點：回復命令，命令B3。
    

2.3.5 錯誤報警機制
    當現場設備或連接線路發(fā)生故障時，節(jié)點將向監(jiān)控站發(fā)送錯誤報告。

    節(jié)點à監(jiān)控站或關聯節(jié)點：錯誤報告命令，命令E0。
    
    現場設備亦可主動向節(jié)點發(fā)送錯誤報告，再由節(jié)點發(fā)送至監(jiān)控站。

    現場設備à以太網節(jié)點：現場設備或連接線路發(fā)生故障，命令E0。
    

2.3.6 設備層可靠性保障機制
    設備層中的信息通過串口傳送，串口兩端的設備在向對方發(fā)送信息后，都會等待對方的應答幀，只有在收到應答幀后通信才算成功。當經過一段時間仍未收到應答幀時，發(fā)送方須重新發(fā)送信息給對方。當節(jié)點察覺重發(fā)多次后仍無回音時，則會向監(jiān)控站報告錯誤。

    現場設備ßà以太網節(jié)點：設備層應答幀，命令B4。
    

3 總結
    經過一段時間的現場運行調試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定。即使系統(tǒng)在通信繁忙的情況下亦能穩(wěn)定可靠的工作。當通信因發(fā)生數據丟失而中斷時，系統(tǒng)可迅速恢復工作。這說明工業(yè)以太網的架構以及以太網節(jié)點的軟硬件結構是合理有效的。另一方面，該系統(tǒng)的應用層協議也表現出了穩(wěn)定高效的性能，不僅簡單實用，而且易于實現、擴展性強。我國以太網的應用尚處于起步階段，相信本文提出的方案能被同行所借鑒。

參考文獻
[1] IEEE Standard 802.3 Part 3: Carrier sense multiple access with collision detection （CSMA/CD） access method and physical layer specifications 2002.
[2] 劉崢嶸，張智超，許振山，等. 嵌入式Linux應用開發(fā)詳解[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004
[3] 李駒光，張華. 基于ARM的工業(yè)以太網控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設計. 電子技術，2003，（7）：17-18
[4] 馮冬芹，金建祥，諸健. 以太網與TCP/ IP. 自動化儀表，2003，（5）：67-70