第三章以太控制网络系统(2)

随着Internet技术的迅速发展，以太网和TCP/IP协议已成 为世界范围内的事实标准，基于TCP/IP协议的以太网可满足

控制系统各个层次的需求，工业以太网网络开始被应用到工业 控制领域，具有以下几方面的优势： 1.更高的通信带宽。随着工业自动化程度的提高，要求实 现远程控制的设备越来越多，控制信息不仅包含大量的数据， 而且还要传递声音和视频信号，这就需要控制网络提供更高的 带宽。以太网是一种成熟的、快速的网络协议，数据传输速率 为10~100Mb/s,新一代以太网的传输速率更快，可达到 1Gb/s,能够满足不断增长的数据通信需要。 2.实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。以太网早已 成为企业管理网络的首要选择，将以太网应用于现场设备的控 制网络，实现企业信息网络和控制网络的融合，促进企业整个 信息化的集成。 3.控制系统的成本降低。主要表现在两个方面：一是支持 以太网通信的网络设备较多，设备成本比较低；二是熟悉以太 网操作的用户较多，整个系统的培训、维护都比较容易。 4.更高的稳定性。光纤网络已成为Internet的主干网络， 光纤所具有的良好的抗噪声干扰性能使得以太网更加适合使用 在实时监控的高噪声设备现场环境。

3.5 Internet嵌入式控制网络

基于以太网的控制网络所具有的上述优点都是目前的现场 总线技术所无法比拟的。另外，随着宽带以太网与交换式以太 网技术的发展，以太网作为控制网络在控制实时性方面的问题 正逐渐得以解决。以太网用于自动控制的致命弱点，是载波侦 听多路访问协议(CSMA/CD)所具备的非确定性特性造成的响应 时间不确定，不过在实际使用时，以10 Mb/S带宽为例，如果 传输数据不包含大量的影像图形资料，实际碰撞机率已很低， 而且实际碰撞率还会随着交换以太网技术的进一步发展而更趋 下降。据ARC公司的分析，126个节点的100 Mb/S交换以太网 的响应时间是2~3ms,几乎可以满足各种控制系统的实时性 要求。专家预言，嵌入式Internet控制网络将会成为下一代工 业控制网络的重要选择，并将带来工业控制网络新的变革。因 此将嵌入式系统与Internet结合已成为目前的一个研究热点。 嵌入式普通8位微处理器从20世纪70年代初期诞生至今，虽 历经从单片微型计算机到微控制器、MPU和SoC的变迁，但它 仍然是工控领域低端应用的主要机型，在未来相当长的时间里， 仍会保持这个势头。但以普通8位微处理器为核心的嵌入式系 统，因其系统资源有限、运算速度慢等因素，接入Internet必 然会面临诸多困难。如果将其排斥在Internet之外，这势必将 会影响基于嵌入式Internet工业控制网络的发展。所以研究以 普通8位微处理器为核心的嵌入式系统接入Internet的技术有很 大的实用价值

和市场前景。

3.5.1Internet嵌入式控制技术的研究现状国际上，微控制器和微处理器在工业自动化和设备管理中采用TCP/IP协 议接入网络始于1994年，初期的进展比较缓慢。目前国外对以太网作为控制 网络的研究己从理论阶段过渡到开发阶段。在工业控制领域，美国OPTO22 公司采用嵌入式Internet技术，研制开发了SNAPI/O系统，通过Internet对分 布在远程设备现场的I/O口进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。惠 普公司应用IEEE14512标准，生产嵌入式以太网控制器具有10BaseT以太网 接口，运行FTP/HTTP/TCP/UDP协议应用于传感器、驱动器等现场设备。 另外，Sena公司开发了一个小型的实验室系统，让全球的Internet用户在网 上访问并控制实验室的智能设备。 国内在基于嵌入式Internet控制网络方面的研究并不多见，对工业控制 网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络上，也有部分学者对建立工业 以太网控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入到实质研究阶段。 在实际应用方面，西安交通大学开发的基于Internet的快速成型和快速加工 技术，只要用户安装WWW浏览器，就可以通过HTTP获得远程服务部TSB (Tele-ServiceBureau)在线技术支持和数据交换。在国家科委的863计 划中，设立了机器人网络通信与远程诊断、维修技术专题；上海科技网则将 基于Internet的远程诊断等纳入自己未来的发展目标。 近几年来，由于微电子技术的迅猛发展，网络通信的性能、质量和可靠 性得到稳步提高，网络普及程度迅速提高。世界各大公司看到了嵌入式设备 连上因特网的巨大商业价值和市场潜力，纷纷投入力量研究，使得嵌入式 Internet技术的研究和应用呈现出加速发展的势头。 嵌入式设备一般都是以嵌入式微处理器(EMPU)、微控制器(MCU) 或数字信号处理器(DSP)为核心的系统。嵌入式设备接入因特网的关键是 实现TCP/IP协议。目前嵌入式设备与Internet连接有如下四种可行的方案。

1.处理机加TCP/IP协议方式 MCU处理机像PC机一样直接处理TCP/IP协议，一般需要高档的 处理机，如32位的ARM、SH3、MIPS等MCU和一些单周期指令速 度较高的8位MCU。 对TCP/IP协议的具体处理又有2种方法。 一种方法是采用实时操作系统(RTOS),用软件方式直接处理 TCP/IP协议。实时操作系统的功能越来越强大，许多都具有对图像 界面和TCP/IP的支持能力。 另一种是采用固化了TCP/IP协议的硬件芯片，如 SeikoInstruments公司的S7600A等，它支持HTTP、SMTP、 POP3、MIME等多种协议，通过外部硬件电路处理TCP/IP协议。该 方式与前一种相比更方便，开发难度有所降低，但还是需要熟悉 TCP/IP协议和相关接口。 这两种

方式类似于在MCU上实现PC机加网卡的功能，MCU直接 处理TCP/IP协议，复杂度较高。它需要高档的MCU处理机和较高的 开发成本，因此一般只会在一些高档产品(如汽车)中使用。