摘要：本文介紹了一種適用于過程控制領域的工業(yè)以太網監(jiān)控系統(tǒng)的架構，通過主控計算機和工業(yè)以太網，可以方便的將所設計的各種網絡化的電動執(zhí)行機構按照我們的控制需要來連成網絡，形成系統(tǒng)。通過自定義的通訊協(xié)議，保證了系統(tǒng)的實時性以及可靠性。通過通訊試驗，證明了該控制系統(tǒng)是可行的。

1　引言

    在工業(yè)控制領域中，隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，集中控制系統(tǒng)已經不能滿足要求，控制網絡已經廣泛應用到工業(yè)控制中?，F(xiàn)場總線就是順應這一形式發(fā)展起來的技術，并在一定程度上解決了這一問題。但是，現(xiàn)場總線的開放性是有條件的，是不徹底的。當現(xiàn)場總線的發(fā)展遇到阻礙時，以太網技術卻得到了迅猛發(fā)展。如果能將以太網技術成功地用于工業(yè)控制底層網絡，就可以打破傳統(tǒng)的工業(yè)控制網絡體系，實現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結合。

本課題正是在這種環(huán)境下提出。在設計中，我們選擇了傳輸速率高、實時性好，成本低的工業(yè)以太網，在繼承上一代產品中成熟技術的基礎上，將工業(yè)以太網技術融入到電動執(zhí)行機構的設計中，使它們成為新一代的數字化產品。為了配合這些網絡化的電動執(zhí)行機構的使用，我們需要構建一套適用于過程控制領域的以太網監(jiān)控系統(tǒng)。它通過工業(yè)以太網，將主控計算機和多個電動執(zhí)行機構連接起來，按照我們的需求通過計算機對底層進行各種不同的控制，形成一個完整的控制網絡。

2　控制系統(tǒng)架構

2.1　控制系統(tǒng)以太網架構

整個控制系統(tǒng)的結構如圖1所示。在此，以太網轉串口模塊相當于完成一個執(zhí)行機構網卡的作用，用于完成執(zhí)行機構與以太網之間的協(xié)議轉換和交流。電動執(zhí)行機構與以太網轉串口模塊之間通過串行TTL電平進行通訊，然后通過該模塊將電平信號以網絡數據幀的形式傳送到以太網上（此處以太網可以用HUB代替），然后進一步傳送給上位機，從而形成一條從上位機到執(zhí)行機構的可靠的信道。

本系統(tǒng)所采用的以太網轉串口模塊是國內某公司開發(fā)的一款嵌入式網絡模塊，它內部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，用戶利用它可以實現(xiàn)嵌入式設備的網絡功能。該產品用于串口與以太網之間的數據傳輸，為串口設備增加以太網接口?？捎糜诖谠O備與主控計算機機之間，或者多個串口設備之間的遠程通信。

圖1  控制系統(tǒng)整體結構圖

2.2　電動執(zhí)行機構和以太網轉串口模塊通訊的實現(xiàn)

串行通訊采用TTL電平，占用兩個I/O口，即輸入口（RxD）和輸出口（TxD），執(zhí)行機構主控板需要提供+5V電源給以太網轉串口模塊，硬件連接如圖2所示。

圖2　底層通訊的實現(xiàn)原理圖

本系統(tǒng)中執(zhí)行機構所采用的主控芯片為Intel 80C196MC。圖中P2.0作為80C196MC的串行輸出，P2.1作為80C196MC的串行輸入。網卡地線應和主控制板的數字地即單片機的地連接。80C196MC與以太網轉串口模塊之間采用異步通信，一幀長度為10位，包含8位數據，1位奇偶校驗位和1位結束位。

3         軟件部分的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用基于VC++6.0的WinSock編程。套接字(Socket)已經成為當今最流行的網絡通信應用程序接口。套接字最初由加利福利亞大Berkeley分校為Unix操作系統(tǒng)開發(fā)的網絡通信接口, 后來它又被移植到DOS與Windows 系統(tǒng),特別是近幾年互聯(lián)網在全世界范圍內的廣泛普及, 進一步奠定了它在網絡通信程序開發(fā)領域的主宰地位。[!--empirenews.page--]

系統(tǒng)采用Client/Server模式。通過以太網轉串口模塊的配置軟件，將該模塊設置成服務器模式，而主控計算機上的控制軟件部分為客戶端，每次啟動由主控計算機主動連接執(zhí)行機構?？蛻舳撕头掌鞑捎妹嫦蜻B接的通信協(xié)議：控制計算機和模塊之間會建立一個虛擬連接，這個連接一旦建立，客戶端和服務器之間就可以把數據當作一個雙向字節(jié)流進行交換；如果連接建立不成功，則不會發(fā)送數據。另外，面向連接傳輸的每一個報文都需要接收端確認，未確認報文被認為是出錯的報文。

3.1       通信過程

Socket有同步阻塞方式和異步非阻塞方式兩種使用，本系統(tǒng)應用程序中創(chuàng)建了繼承于CAsyncSocket類的TestSocket類，它是一個異步非阻塞Socket封裝類。

由于已經將以太網轉串口模塊設置為服務器模式，所以，主控計算機段的程序是作為客戶端出現(xiàn)的，該程序的編寫大致按照以下步驟進行：

1)       首先調用WSAStartup函數來初始化套接字庫。

2)       調用socket函數來創(chuàng)建一個套接字。

3)       調用connect函數連接服務器，發(fā)出連接請求

4)       服務器響應連接請求后，與服務器開始進行交互操作（接收、發(fā)送數據等），直到請求結束。

5)       調用closesocket關閉套接字，釋放套接字資源。

6)       調用WSACleanup函數釋放相應資源。

客戶端程序與服務器的通信過程如圖3所示：

圖3：面向連接服務的socket調用模型

在以太網轉串口模塊中，服務器程序調用listen函數將此socket置于監(jiān)聽狀態(tài)，讓這個socket對進來的連接進行監(jiān)聽并確認連接請求。當服務器端監(jiān)聽到來自客戶端的連接請求后，一個正在監(jiān)聽的socket將給將給每個請求發(fā)送一個確認信息，然后調用accept函數，接著，面向連接的客戶通過調用connect函數啟動網絡對話。在客戶端和服務器端建立連接以后，雙方就可以通過send和recv或其它面向連接的Socket API函數進行網絡通信了。[!--empirenews.page--]

3.2       通信協(xié)議

計算機和以太網轉串口模塊之間用SOCKET進行通信，模塊和執(zhí)行機構之間則采用TTL電平通信，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議。計算機為主動通訊設備，即所有的對話均由控制計算機發(fā)起，執(zhí)行機構只是被動的應答命令。

協(xié)議中信息幀主要分為兩種：數據幀與命令幀。它實現(xiàn)一般信息通信功能。數據幀包含一般的I/O信息，而命令幀則包含控制、查詢及設置等命令。為保證信息傳送的準確性，每條命令必須進行校驗（校驗和1），如果命令后有命令參數的話，要再次校驗（校驗和2）。執(zhí)行機構返回的信息也要校驗。校驗的方法可采用逐字節(jié)異或的方式。

控制計算機命令格式如下：

執(zhí)行機構返回：

數據頭一方面作為一次信息開始的標志，另一方面用作校驗命令。命令碼和命令返回碼應一致，保證控制計算機可以接收到正確的命令返回信息。

3.3       軟件初步模型

圖4是目前用于系統(tǒng)測試的客戶端軟件的初步模型，通過調試驗證，其功能已經能基本滿足當前的測試需求:

(1)  每個執(zhí)行機構都有一塊與其對應的以太網轉串口模塊，且每個模塊都有自己固定的IP地址：輸入IP可與指定執(zhí)行機構進行連接，可以與多臺執(zhí)行機構同時進行連接并操控。

(2)  通過握手指令來確認連接是否已經成功。若連接不正常，則進行握手時系統(tǒng)會收到來自執(zhí)行機構的錯誤報告。

(3)  可查詢當前執(zhí)行機構的運行位置、運行狀態(tài)、以及其參數的設置情況等。

(4)  對執(zhí)行機構的參數進行遠程設置：在執(zhí)行機構投入使用之前，都必須按照需求對其進行相應的參數設置；在使用過程中亦可通過此功能來改變設置。

(5)  可以通過指定開度百分比讓執(zhí)行機構運行到任意的目的位置。

(6)  可以指定方向讓執(zhí)行機構正反轉或者停止，也可進行自主運行。

圖4：客戶端軟件初步模型

4         總結及展望

  本文作者創(chuàng)新點：給出了基于VC的執(zhí)行機構以太網監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)了高效、快捷的遠程控制。在下一步的開發(fā)中，使本系統(tǒng)的應用軟件與市面上通用的工控組態(tài)軟件相兼容：比如一般的組態(tài)軟件都會嵌入ModBus/TCP協(xié)議，本軟件能夠在內部完成對該協(xié)議的轉換。也就是當組態(tài)軟件發(fā)出控制命令后，本軟件能夠識別命令并能夠將其轉換成執(zhí)行機構能夠識別的自定義協(xié)議，來間接的對執(zhí)行機構進行控制。這樣，系統(tǒng)就能夠與組態(tài)軟件實現(xiàn)控制上的兼容，并達到現(xiàn)場數據的共享。

總之，隨著以太網傳輸速度的不斷加快以及在確定性、實時性、可靠性方面性能的不斷改善，工業(yè)以太網無疑會在未來的控制網絡中扮演越來越重要的角色。