导语：介绍了一种运用工业以太网技术的过程控制系统及其网络应用层协议的设计思想。控制系统的网络架构分为两层
摘要：介绍了一种运用工业以太网技术的过程控制系统及其网络应用层协议的设计思想。控制系统的网络架构分为两层；以太网节点的硬件基于ARM7内核的处理器；软件基于uClinux嵌入式操作系统；网络的应用层协议自行定义，由C语言实现。经现场运行调试，控制系统和以太网节点均能稳定运行，且应用层协议的实时性及容错性是能够得到保障的。
关键词：工业以太网，控制系统，网络架构，通信，应用层协议
引言
近年来，随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场。因此，需要建立包括从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。
现在以太网正悄悄地进入了控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速。以太网已经成为目前市场上最受欢迎的通信网络之一，它在工业控制领域管理层和控制层等中上层网络通信中得到了广泛应用，并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势。
传统以太网是建立在IEEE802.3及TCP/IP基础上的。但由于工业应用的特殊性，工业以太网对实时性、抗干扰性以及环境等因素具有很高的要求，原有商业以太网的技术难以满足其需要。这就需要在原有基础上再建立一套行之有效的应用层协议来满足特定的工业环境。国际上现已有多种工业以太网应用层协议，如Ethernet/IP、Modbus-IDA、Profinet等。我国的标准EPA受国家“863”计划支持，已由多家权威部门共同制订而成。
诚然上述多种标准技术成熟、且都有大公司背景，但其技术相对较复杂、有一定门槛、且配套设备成本较高，这就对实际应用与维护有较高要求，所以适用于大型系统。而有些控制系统并不需要复杂的网络架构、且应用简单、要求成本低，可以考虑为其设计一套简洁高效、且成本低廉的方案。下面就为大家介绍笔者自行设计的工业以太网控制系统及其应用层协议。
1 控制系统架构
1.1 控制系统网络架构
控制系统网络架构如图1所示。控制层设备通过以太网相互通信，设备层设备通过串口相互通信。监控站可为PC，现场设备可为阀门、传感器等。
图 1 控制系统结构图
1.2 以太网节点的硬件结构
以太网节点可使现场设备能与监控站相互通信，它可对应用层协议进行解析。其硬件结构如图2所示。CPU为三星公司基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X处理器，RTL8019AS负责以太网通信功能。
图2 以太网节点硬件结构图
1.3 以太网节点的软件结构
以太网节点的软件结构如图3所示。最底层的Bootloader为汇编与C混编的程序，完成系统的初始化工作并将系统控制权交给操作系统。uClinux为嵌入式操作系统，小巧且继承了Linux系统优秀的特性，由于它自带网络功能，所以应用程序可以方便地在此基础上开发出网络应用。
图3 以太网节点软件结构图
2 应用层协议的设计
2.1概述
此协议为用于工业以太网控制系统的应用层协议，基于TCP/IP协议之上。工业以太网节点作为该协议解析器。现场设备可通过连接以太网节点具有网络通信功能。现场设备、节点和上层监控系统进行通信时信息帧格式必须符合应用层协议的要求。
2.2基本概念
2.2.1 类
在一个控制系统中不止有一种设备，这就需要对它们进行归类，以便监控系统能方便地对它们进行识别与控制，并且各个现场设备间也能进行互相通信。
在本协议中用类ID来对各种现场设备进行识别，它的范围为1～254。
2.2.2 对象
在一个控制系统中，一类设备可能不止一台，我们用对象来定义一类设备中的每个实例。它的范围为1～254。
注：系统默认上层主监控站的类ID与对象ID为（0，0）。系统广播的类ID与对象ID为（255，255）。
2.2.3关联节点
我们可以设置一个以太网节点的关联节点，最多十个。关联节点可理解为能同该节点协同工作的节点。当该节点产生某种行为如发生故障时，该节点能及时通知关联节点使之采取相应的措施，从而使系统能更好的工作。
2.2.4 参数设置
以太网节点是本协议中类ID与对象ID的载体。每台节点在使用前都要对它的参数进行设置，包括它的类ID、对象ID以及其关联节点等。这个工作由PC上的配置软件来完成，将PC与节点用串口相连，PC上的配置软件通过相应的协议对节点进行设置。
2.2.5 握手
设备在进行通信前先确认一下连接是否正常，此过程为握手。在本系统中握手分两阶段进行。
首先，上位机则处于等待状态中，以太网节点上电经过一个随机时间后主动发送握手信息给上位机。当上位机收到握手信号后立即回复信息。握手时节点需将其类ID、对象ID以及IP地址发给监控站，监控站将节点的信息存入数据库，以备查询。
节点与监控站握手成功后再通过串口与现场设备进行握手。
只有两阶段握手都成功后，节点才能进入下阶段工作。
2.2.6 信息帧格式
本协议中信息帧主要分为两种：数据帧与命令帧。
数据帧为一般的I/O信息，而命令帧则包含控制、查询及设置等命令。
在本协议中控制层与设备层的信息帧格式略有不同。节点与监控站之间传输的为控制层信息帧，它们可由节点转换成设备层信息帧。节点与现场设备间传输的为设备层信息帧，它们是现场设备能读得懂的原始信息，可由节点封装成控制层信息帧。两层协议的差异将在下节提及。
2.3协议详解
2.3.1 数据帧
7E为帧头；若该帧为设备层信息帧，则不包含类ID与对象ID；长度为所包含的数据长度；校验为除校验字节之外所有字节的异或结果。
2.3.2 命令帧
7F为帧头；若该帧为设备层信息帧，则不包含类ID与对象ID；长度为所包含的命令长度；校验为除校验字节之外所有字节的异或结果。
2.3.3 参数设置信息帧
每台以太网节点在投入工作前都要进行参数设置，该工作按照特定的协议进行。
设置参数时将节点与PC相连，通过配置软件对节点进行设置。它们在通信前先要进行握手，然后再进行配置信息的传输。具体协议如下：
PCà节点：握手命令，命令00。
节点àPC：一般回复命令，命令B0。
PCà节点：配置命令，命令01。
节点àPC：一般回复命令，命令B1。
2.3.4 控制系统中通信的握手协议
控制系统中的各个以太网节点在上电后都要与监控站进行握手，以确保连接正常，之后才能进行协议转换等通信工作。在与监控站握手成功后再与现场设备进行握手，两次握手均成功后才能进行正常通信。若设备层有故障，则以太网节点向主监控站发送错误报告。
协议具体内容如下：
节点à监控站：握手信息，发送参数，命令02。
监控站à节点：回复命令，命令B2。
节点à现场设备：握手信息，命令03。
现场设备à节点：回复命令，命令B3。
2.3.5 错误报警机制
当现场设备或连接线路发生故障时，节点将向监控站发送错误报告。
节点à监控站或关联节点：错误报告命令，命令E0。
现场设备亦可主动向节点发送错误报告，再由节点发送至监控站。
现场设备à以太网节点：现场设备或连接线路发生故障，命令E0。
2.3.6 设备层可靠性保障机制
设备层中的信息通过串口传送，串口两端的设备在向对方发送信息后，都会等待对方的应答帧，只有在收到应答帧后通信才算成功。当经过一段时间仍未收到应答帧时，发送方须重新发送信息给对方。当节点察觉重发多次后仍无回音时，则会向监控站报告错误。
现场设备szlig;à以太网节点：设备层应答帧，命令B4。
3 总结
经过一段时间的现场运行调试，该系统运行稳定。即使系统在通信繁忙的情况下亦能稳定可靠的工作。当通信因发生数据丢失而中断时，系统可迅速恢复工作。这说明工业以太网的架构以及以太网节点的软硬件结构是合理有效的。另一方面，该系统的应用层协议也表现出了稳定高效的性能，不仅简单实用，而且易于实现、扩展性强。我国以太网的应用尚处于起步阶段，相信本文提出的方案能被同行所借鉴。
参考文献
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