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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(guó)工控界的一個(gè)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)開(kāi)展這項(xiàng)研究較早的浙江大學(xué)，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，浙大中控等單位在國(guó)家"863"課題的支持下，起草了“用于工業(yè)測(cè)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(gè)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(dòng)化所開(kāi)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(kāi)發(fā)”，致力于發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)在工控領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。
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(duì)象也將使用中南大學(xué)率先研發(fā)的仿工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的被控對(duì)象，本文將對(duì)最常用的壓力、溫度、水位和流量四個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面仿真工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)分為控制層和設(shè)備層。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(shí)性問(wèn)題則采用了控制區(qū)域(Control Domain)概念，將控制現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)，減少各個(gè)控制區(qū)資源競(jìng)爭(zhēng)的情況。而控制區(qū)域之間的是通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)(交換式)來(lái)通信。
改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制層網(wǎng)絡(luò)由100M以太網(wǎng)構(gòu)成組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。
每個(gè)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(lái)設(shè)計(jì)。
4 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)
工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件設(shè)計(jì)采用核心板與接口板分開(kāi)設(shè)計(jì)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(xiàn)框所包含的模塊組成核心板，虛線(xiàn)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(chǔ)器采用SDRAM和FLASH兩種類(lèi)型，能滿(mǎn)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(gè)RS232的串口，能滿(mǎn)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(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與控制信號(hào)的輸出 DC/DC模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)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?xún)r(jià)比以及現(xiàn)場(chǎng)控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個(gè)完全符合 GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開(kāi)放代碼，其是專(zhuān)門(mén)為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計(jì)的嵌入式操作系統(tǒng) uClinux從Linux 2．0/2．4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)沒(méi)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(méi)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(shí)領(lǐng)域，還可以進(jìn)一步增強(qiáng)uClinux的實(shí)時(shí)性。
整個(gè)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(jì)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(shí)性。在設(shè)計(jì)硬件和軟件時(shí)都充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。硬件設(shè)計(jì)中采用了高速的A/D(500khz)和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號(hào)能及時(shí)采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”；操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時(shí)”。
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(shí)，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(mén)等10多個(gè)I/O信號(hào)。
以壓力控制系統(tǒng)為例，如圖4所示，它有3個(gè)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(dòng)閥F1～F3、兩臺(tái)電/氣轉(zhuǎn)換器、氣閉式氣動(dòng)閥Vcl和Vc2以及3臺(tái)壓力變送器組成。其中，電/氣轉(zhuǎn)換器的輸入控制信號(hào)為4～20mA，對(duì)應(yīng)輸出蒸汽壓力20～100kPa(蒸汽源012MPa)，相應(yīng)氣閉式氣動(dòng)閥的開(kāi)度為100％～0，壓力變送器的輸入壓力信號(hào)為O～80kPa，對(duì)應(yīng)輸出電流信號(hào)為4～20mA。
然后將根據(jù)測(cè)試點(diǎn)實(shí)際情況，將信號(hào)分組：本文中每個(gè)控制系統(tǒng)分為一組信號(hào)，如壓力系統(tǒng)包括控制信號(hào)u1、u2，氣閉式氣動(dòng)閥Vcl、Vc2以及R1- R3。可以看到：
每個(gè)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(gè)控制區(qū)域通過(guò)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(guò)交換機(jī)連出到企業(yè)信息層網(wǎng)絡(luò)。
6 結(jié)束語(yǔ)
該套系統(tǒng)自2004年1月在實(shí)驗(yàn)室仿工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中運(yùn)行以來(lái)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(shí)性和安全性，準(zhǔn)備近期正式移植到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
以太網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用與uClinux嵌入式系統(tǒng)是兩個(gè)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(kāi)發(fā)有很好借鑒的意義，對(duì)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。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔡述庭．基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)控制器開(kāi)發(fā)[A]．中南大學(xué)碩士學(xué)位論文．
[2] 張靜，吳敏，蔡述庭．現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)程控制與遠(yuǎn)程監(jiān)視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，控制IN[J]．
