摘要：介紹了一種運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的過程控制系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)思想。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩層；以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的硬件基于ARM7內(nèi)核的處理器；軟件基于uClinux嵌入式操作系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議自行定義，由C語言實(shí)現(xiàn)。經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試，控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均能穩(wěn)定運(yùn)行，且應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)時(shí)性及容錯(cuò)性是能夠得到保障的。
關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)，控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通信，應(yīng)用層協(xié)議

引言
    近年來，隨著計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)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(xiàn)場設(shè)備層到控制層、管理層等各個(gè)層次的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)。

    現(xiàn)在以太網(wǎng)正悄悄地進(jìn)入了控制領(lǐng)域。近來以太網(wǎng)更是走向前臺，發(fā)展迅速。以太網(wǎng)已經(jīng)成為目前市場上最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一，它在工業(yè)控制領(lǐng)域管理層和控制層等中上層網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛應(yīng)用，并有直接向下延伸應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的趨勢。

    傳統(tǒng)以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3及TCP/IP基礎(chǔ)上的。但由于工業(yè)應(yīng)用的特殊性，工業(yè)以太網(wǎng)對實(shí)時(shí)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(wǎng)的技術(shù)難以滿足其需要。這就需要在原有基礎(chǔ)上再建立一套行之有效的應(yīng)用層協(xié)議來滿足特定的工業(yè)環(huán)境。國際上現(xiàn)已有多種工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議，如Ethernet/IP、Modbus-IDA、Profinet等。我國的標(biāo)準(zhǔn)EPA受國家“863”計(jì)劃支持，已由多家權(quán)威部門共同制訂而成。

    誠然上述多種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)成熟、且都有大公司背景，但其技術(shù)相對較復(fù)雜、有一定門檻、且配套設(shè)備成本較高，這就對實(shí)際應(yīng)用與維護(hù)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(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、且應(yīng)用簡單、要求成本低，可以考慮為其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用層協(xié)議。

1  控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示?？刂茖釉O(shè)備通過以太網(wǎng)相互通信，設(shè)備層設(shè)備通過串口相互通信。監(jiān)控站可為PC，現(xiàn)場設(shè)備可為閥門、傳感器等。

1.2 以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

    以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可使現(xiàn)場設(shè)備能與監(jiān)控站相互通信，它可對應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行解析。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。CPU為三星公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C44B0X處理器，RTL8019AS負(fù)責(zé)以太網(wǎng)通信功能。

1.3 以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)
    以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)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(quán)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(wǎng)絡(luò)功能，所以應(yīng)用程序可以方便地在此基礎(chǔ)上開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2 應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)

2.1概述
    此協(xié)議為用于工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議，基于TCP/IP協(xié)議之上。工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為該協(xié)議解析器?，F(xiàn)場設(shè)備可通過連接以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能?，F(xiàn)場設(shè)備、節(jié)點(diǎn)和上層監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)信息幀格式必須符合應(yīng)用層協(xié)議的要求。

2.2基本概念

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

    在本協(xié)議中用類ID來對各種現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行識別，它的范圍為1～254。

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

    注：系統(tǒng)默認(rèn)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(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)
    我們可以設(shè)置一個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，最多十個(gè)。關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)可理解為能同該節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生某種行為如發(fā)生故障時(shí)，該節(jié)點(diǎn)能及時(shí)通知關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)使之采取相應(yīng)的措施，從而使系統(tǒng)能更好的工作。

2.2.4 參數(shù)設(shè)置
    以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是本協(xié)議中類ID與對象ID的載體。每臺節(jié)點(diǎn)在使用前都要對它的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括它的類ID、對象ID以及其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)等。這個(gè)工作由PC上的配置軟件來完成，將PC與節(jié)點(diǎn)用串口相連，PC上的配置軟件通過相應(yīng)的協(xié)議對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

2.2.5 握手
    設(shè)備在進(jìn)行通信前先確認(rèn)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(jìn)行。

    首先，上位機(jī)則處于等待狀態(tài)中，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上電經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后主動發(fā)送握手信息給上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)收到握手信號后立即回復(fù)信息。握手時(shí)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的信息存入數(shù)據(jù)庫，以備查詢。

    節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控站握手成功后再通過串口與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行握手。

    只有兩階段握手都成功后，節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)入下階段工作。

2.2.6 信息幀格式
    本協(xié)議中信息幀主要分為兩種：數(shù)據(jù)幀與命令幀。

    數(shù)據(jù)幀為一般的I/O信息，而命令幀則包含控制、查詢及設(shè)置等命令。

    在本協(xié)議中控制層與設(shè)備層的信息幀格式略有不同。節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控站之間傳輸?shù)臑榭刂茖有畔鼈兛捎晒?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成設(shè)備層信息幀。節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場設(shè)備間傳輸?shù)臑樵O(shè)備層信息幀，它們是現(xiàn)場設(shè)備能讀得懂的原始信息，可由節(jié)點(diǎn)封裝成控制層信息幀。兩層協(xié)議的差異將在下節(jié)提及。

2.3協(xié)議詳解
2.3.1 數(shù)據(jù)幀
    

    7E為幀頭；若該幀為設(shè)備層信息幀，則不包含類ID與對象ID；長度為所包含的數(shù)據(jù)長度；校驗(yàn)為除校驗(yàn)字節(jié)之外所有字節(jié)的異或結(jié)果。

2.3.2 命令幀
    
    7F為幀頭；若該幀為設(shè)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(yàn)為除校驗(yàn)字節(jié)之外所有字節(jié)的異或結(jié)果。

2.3.3 參數(shù)設(shè)置信息幀
    每臺以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在投入工作前都要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，該工作按照特定的協(xié)議進(jìn)行。

    設(shè)置參數(shù)時(shí)將節(jié)點(diǎn)與PC相連，通過配置軟件對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。它們在通信前先要進(jìn)行握手，然后再進(jìn)行配置信息的傳輸。具體協(xié)議如下：

    PCà節(jié)點(diǎn)：握手命令，命令00。
    

    節(jié)點(diǎn)àPC：一般回復(fù)命令，命令B0。
    

    PCà節(jié)點(diǎn)：配置命令，命令01。
    

    節(jié)點(diǎn)àPC：一般回復(fù)命令，命令B1。
    

2.3.4 控制系統(tǒng)中通信的握手協(xié)議
    控制系統(tǒng)中的各個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在上電后都要與監(jiān)控站進(jìn)行握手，以確保連接正常，之后才能進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換等通信工作。在與監(jiān)控站握手成功后再與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行握手，兩次握手均成功后才能進(jìn)行正常通信。若設(shè)備層有故障，則以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向主監(jiān)控站發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告。

    協(xié)議具體內(nèi)容如下：

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

    監(jiān)控站à節(jié)點(diǎn)：回復(fù)命令，命令B2。
    

    節(jié)點(diǎn)à現(xiàn)場設(shè)備：握手信息，命令03。
    

    現(xiàn)場設(shè)備à節(jié)點(diǎn)：回復(fù)命令，命令B3。
    

2.3.5 錯(cuò)誤報(bào)警機(jī)制
    當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備或連接線路發(fā)生故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)將向監(jiān)控站發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告。

    節(jié)點(diǎn)à監(jiān)控站或關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)：錯(cuò)誤報(bào)告命令，命令E0。
    
    現(xiàn)場設(shè)備亦可主動向節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告，再由節(jié)點(diǎn)發(fā)送至監(jiān)控站。

    現(xiàn)場設(shè)備à以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)：現(xiàn)場設(shè)備或連接線路發(fā)生故障，命令E0。
    

2.3.6 設(shè)備層可靠性保障機(jī)制
    設(shè)備層中的信息通過串口傳送，串口兩端的設(shè)備在向?qū)Ψ桨l(fā)送信息后，都會等待對方的應(yīng)答幀，只有在收到應(yīng)答幀后通信才算成功。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間仍未收到應(yīng)答幀時(shí)，發(fā)送方須重新發(fā)送信息給對方。當(dāng)節(jié)點(diǎn)察覺重發(fā)多次后仍無回音時(shí)，則會向監(jiān)控站報(bào)告錯(cuò)誤。

    現(xiàn)場設(shè)備ßà以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)：設(shè)備層應(yīng)答幀，命令B4。
    

3 總結(jié)
    經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試，該系統(tǒng)運(yùn)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(dāng)通信因發(fā)生數(shù)據(jù)丟失而中斷時(shí)，系統(tǒng)可迅速恢復(fù)工作。這說明工業(yè)以太網(wǎng)的架構(gòu)以及以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的軟硬件結(jié)構(gòu)是合理有效的。另一方面，該系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議也表現(xiàn)出了穩(wěn)定高效的性能，不僅簡單實(shí)用，而且易于實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展性強(qiáng)。我國以太網(wǎng)的應(yīng)用尚處于起步階段，相信本文提出的方案能被同行所借鑒。

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