嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用研究

　　1 引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)成為了各國工控界的一個研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。國內(nèi)開展這項(xiàng)研究較早的浙江大學(xué)，中科院沈陽自動化所，浙大中控等單位在國家“863”課題的支持下，起草了“用于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)”，并力圖在化工領(lǐng)域建成幾個示范性應(yīng)用項(xiàng)目。廣東工業(yè)大學(xué)聯(lián)合中南大學(xué)，中科院自動化所開展了嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)的研究，并進(jìn)行了“基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)控制器開發(fā)”，致力于發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)在工控領(lǐng)域的優(yōu)勢。

　　2 應(yīng)用背景

　　壓力、溫度、水位和流量是化工、污水處理以及鋼鐵等行業(yè)中最常用的控制系統(tǒng)，為了研究在各種行業(yè)、不同工藝流程下的通用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，所以本文中將不強(qiáng)調(diào)工藝流程。而應(yīng)用試驗(yàn)的對象也將使用中南大學(xué)率先研發(fā)的仿工業(yè)現(xiàn)場的被控對象，本文將對最常用的壓力、溫度、水位和流量四個控制系統(tǒng)進(jìn)行全面仿真工業(yè)現(xiàn)場的試驗(yàn)。

　　3 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　將企業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)分為控制層和設(shè)備層。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴(yán)格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

　　而解決網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過以太網(wǎng)交換機(jī)（交換式）來通信。

　　改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò)由100M以太網(wǎng)構(gòu)成組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。

　　每個控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機(jī)和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖2所示。

　　而位于控制區(qū)域中的工業(yè)以太網(wǎng)控制器采用嵌入式系統(tǒng)來設(shè)計。

　　4 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器設(shè)計

　　工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件設(shè)計采用核心板與接口板分開設(shè)計的方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，方便系統(tǒng)調(diào)試。圖3中，虛線框所包含的模塊組成核心板，虛線框以外的模塊組成接口板。圖中，以太網(wǎng)控制器中CPU是控制核心，負(fù)責(zé)控制所有輔助設(shè)備。存儲器采用SDRAM和FLASH兩種類型，能滿足系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)試的需要?；径丝诎ㄒ蕴W(wǎng)接口，USB接口，還有兩個RS232的串口，能滿足系統(tǒng)應(yīng)用和調(diào)試的需要。A/D和D/A模塊主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制信號的輸出 DC/DC模塊主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的供電。擴(kuò)展接口考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

　　控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了 uClinux。uClinux是一個完全符合 GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng) uClinux從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有 MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器，例如Cold Fire。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實(shí)時領(lǐng)域，還可以進(jìn)一步增強(qiáng)uClinux的實(shí)時性。

　　整個嵌人式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn)：

　　控制器具有很高的性能。CPU采用高集成度的Motorola Cold Fire微處理器，主頻達(dá)到50Mhz，且其具有豐富的接口資源，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，嵌入式的uClinux能完成復(fù)雜的算法計算以及任務(wù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)等功能;

　　控制器具有很高的集成度。由于Motorola CPU具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實(shí)現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;

　　控制器具有很高的實(shí)時性。在設(shè)計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時性。硬件設(shè)計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時”。

　　5 應(yīng)用技術(shù)方案

　　在試用嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)時，選用四套不同控制裝置，包括壓力，溫度，水位以及流量控制系統(tǒng)。選擇壓力、溫度、水位、流量及各自調(diào)節(jié)閥門等10多個I/O信號。

　　以壓力控制系統(tǒng)為例，如圖4所示，它有3個互相串聯(lián)的不同大小的氣缸裝置、兩路進(jìn)氣管道以及其上的手動閥F1～F3、兩臺電/氣轉(zhuǎn)換器、氣閉式氣動閥Vcl 和Vc2以及3臺壓力變送器組成。其中，電/氣轉(zhuǎn)換器的輸入控制信號為4～20mA，對應(yīng)輸出蒸汽壓力20～100kPa（蒸汽源012MPa），相應(yīng)氣閉式氣動閥的開度為100%～0，壓力變送器的輸入壓力信號為O～80kPa，對應(yīng)輸出電流信號為4～20mA。

　　然后將根據(jù)測試點(diǎn)實(shí)際情況，將信號分組：本文中每個控制系統(tǒng)分為一組信號，如壓力系統(tǒng)包括控制信號u1、u2，氣閉式氣動閥Vcl、Vc2以及R1- R3?？梢钥吹剑?/p>

　　每個控制區(qū)域包括以太網(wǎng)交換機(jī)、嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器以及若干變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu);

　　每個控制區(qū)域通過嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)和交換機(jī)連人控制層骨干網(wǎng);

　　操作站和工程師站在控制室通過交換機(jī)連出到企業(yè)信息層網(wǎng)絡(luò)。

　　6 結(jié)束語

　　該套系統(tǒng)自2004年1月在實(shí)驗(yàn)室仿工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境中運(yùn)行以來一直穩(wěn)定工作，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性和安全性，準(zhǔn)備近期正式移植到工業(yè)現(xiàn)場。

　　以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用與uClinux嵌入式系統(tǒng)是兩個現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，以太網(wǎng)與uClinux在工業(yè)控制領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。本文所完成的一些工作都將為這兩部分的深入研究開發(fā)有很好借鑒的意義，對嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用研究起到很好的參考作用。