1 引言

　　隨著網絡技術的發展，工業以太網成為了各國工控界的一個研究熱點領域。國內開展這項研究較早的浙江大學，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“用于工業測量和控制系統的EPA系統結構和通信標準”，并力圖在化工領域建成幾個示范性應用項目。廣東工業大學聯合中南大學，中科院自動化所開展了嵌入式工業以太網的研究，并進行了“基于uClinux嵌入式系統的工業以太網控制器開發”，致力于發揮嵌入式系統在工控領域的優勢。

　　2 應用背景

　　壓力、溫度、水位和流量是化工、污水處理以及鋼鐵等行業中最常用的控制系統，為了研究在各種行業、不同工藝流程下的通用網絡控制系統，所以本文中將不強調工藝流程。而應用試驗的對象也將使用中南大學率先研發的仿工業現場的被控對象，本文將對最常用的壓力、溫度、水位和流量四個控制系統進行全面仿真工業現場的試驗。

　　3 嵌入式工業以太網系統結構

　　將企業現場網絡分為控制層和設備層。針對現場對網絡可靠性參數的嚴格要求，在控制層網絡改進傳統以太網拓撲結構。采用環形網絡拓撲，可以增加網絡的可靠性。

　　而解決網絡的實時性問題則采用了控制區域(Control Domain)概念，將控制現場分區，減少各個控制區資源競爭的情況。而控制區域之間的是通過以太網交換機(交換式)來通信。

　　改進后的網絡結構如圖1所示。控制層網絡由100M以太網構成組成環形網絡。

　　每個控制區域(Control Domain)包含以太網交換機和嵌入式的工業以太網控制器，以及一些變送器和執行機構。如圖2所示。

　　而位于控制區域中的工業以太網控制器采用嵌入式系統來設計。

　　4 嵌入式工業以太網控制器設計

　　工業以太網控制器的硬件設計采用核心板與接口板分開設計的方式，增強了系統應用的靈活性，方便系統調試。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，以太網控制器中CPU是控制核心，負責控制所有輔助設備。存儲器采用SDRAM和FLASH兩種類型，能滿足系統運行和調試的需要。基本端口包括以太網接口，USB接口，還有兩個RS232的串口，能滿足系統應用和調試的需要。A/D和D/A模塊主要用于現場數據的采集與控制信號的輸出 DC/DC模塊主要負責整個系統的供電。擴展接口考慮了系統的可擴展性。

　　控制器的操作系統考慮到性價比以及現場控制需要，采用了 uClinux。uClinux是一個完全符合 GNU/GPL公約的操作系統，完全開放代碼，其是專門為控制領域而裁減設計的嵌入式操作系統 uClinux從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有 MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內存或內存管理單元(MMU)的處理器，例如Cold Fire。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。特別的為了應用到工業實時領域，還可以進一步增強uClinux的實時性。

　　整個嵌人式工業以太網控制器具有以下特點：

　　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，主頻達到50Mhz，且其具有豐富的接口資源，增強了系統穩定性，嵌入式的uClinux能完成復雜的算法計算以及任務調度、網絡等功能;

　　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，而且具備以太網功能，這樣可以很容易實現控制器的微型化、Internet化;

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

　　5 應用技術方案

　　在試用嵌入式工業以太網系統時，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。選擇壓力、溫度、水位、流量及各自調節閥門等10多個I/O信號。

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

　　然后將根據測試點實際情況，將信號分組：本文中每個控制系統分為一組信號，如壓力系統包括控制信號u1、u2，氣閉式氣動閥Vcl、Vc2以及R1- R3。可以看到：

　　每個控制區域包括以太網交換機、嵌入式工業以太網控制器以及若干變送和執行機構;

　　每個控制區域通過嵌入式工業以太網和交換機連人控制層骨干網;

　　操作站和工程師站在控制室通過交換機連出到企業信息層網絡。

　　6 結束語

　　該套系統自2004年1月在實驗室仿工業現場的環境中運行以來一直穩定工作，實際運行結果表明提高了網絡控制系統的可靠性、實時性和安全性，準備近期正式移植到工業現場。

　　以太網在工業現場中的應用與uClinux嵌入式系統是兩個現在研究的熱點領域，以太網與uClinux在工業控制領域有著非常好的應用前景。本文所完成的一些工作都將為這兩部分的深入研究開發有很好借鑒的意義，對嵌入式的工業以太網的應用研究起到很好的參考作用。