基于ethernet 的新一代现场智能控制器pdf
基于Ethernet的新一代现场智能控制器
The reflections upon Ethernet Field Intelligent Controller
摘要：本文阐述了Ethernet将成为主要的工业现场网络之一，并据此详细分析了Ethernet现场控制器的发展趋势，如嵌入式WEB技术将在设备管理系统中发挥重要作用、B/S与C/S的融合将成为新的应用模式、基于浏览器的监控将挑战传统组态软件、控制功能将被进一步下放到底层等。最后，介绍了上海天控智能科技有限公司研发的新一代Ethernet现场智能控制器。
Abstract: The article believes that Ethernet Controllers would enter shop floor eventually, with the features: a) embedded web technologies would help assets management and remote control, b) B/S and C/S modes would be integrated for the features of control applications, c) Brower-based control software would become a important HMI, and d) Control functions would be implemented directly in controller, etc. At last, a new Ethernet Field Intelligent Controller designed by STIT is introduced.
关键词：Ethernet现场智能控制器 WEB 设备管理 B/S 基于浏览器的控制
Keywords: Ethernet Field Intelligent Controller, WEB, Asset Management, B/S, Browser-based Control
相信大家对当年的VHS与Beta之争还记忆犹新，先进性并不能保证某项技术在市场竞争中立于不败之地。因此，Ethernet虽然不一定是世界上最好的工业网络，但25年来，它在现代科技的各种挑战和人们的各种指责中顽强地生存着，也许仅仅因为其接入IT世界非常容易，就足以保证它最终会赢得这场战争，并接管所有的通信网络，一切只是时间问题。
1 Ethernet将成为工业现场网络的主要选择之一
现场总线作为工业现场网络，其数字化、智能化、全分散等等特性曾给工业自动化领域带来了革命，但随之而来的安装、组态复杂，对维护使用人员要求较高，尤其是多达120种总线并存，造成系统集成困难，因而导致应用比较迟缓。厌倦了现场总线标准之争的广大用户和厂商，纷纷将目光转向了工业以太网。
如今，已无法想象一个现代化的企业在办公大楼和厂区内没有安装Ethernet网络。而非屏蔽电缆和光纤作为OSI模型物理层和数据链路层的一部分，意味着Ethernet已天生获得了进入工厂现场的许可；更主要的是，Ethernet本身易安装、成本低、普遍应用、资源广泛、速度高，可以很方便和低成本地将现场信号传递到工厂的另一端乃至世界的任何角落，这些都深深地吸引着工业自动化领域。
导致Ethernet长期以来没有进入工业自动化领域，饱受诟病的问题，如实时性差、确定性较难保证、安全性有隐患和现场环境适应性需提高等，随着具优先权传送机制全双工环型冗余网络的广泛应用、高速智能交换机、工业等级通信接口芯片、接插件的出现以及加密、认证等安全技术的提高，已得到极大程度的改善和解决。同时，为了促进Ethernet在工业领域的应用，国际上也成立了工业以太网协会，开展工业以太网关键技术的研究。所以，随着802.11 af以太网供电等一系列国际标准的通过，现场总线与以太网之间的区别将越来越少。而国内浙大中控EPA标准的推出，也使得我们看到了中国在这一领域的希望，积极参与到这个过程中去，将是缩小技术差距，赢得商机的一次绝好机遇。因此，抛开工业以太网的细节问题，研究如何将商业级的Ethernet技术真正应用到现场控制器乃至传感器、变送器、执行器中去，应成为国内中小企业关注的重点，这样一旦工业以太网国际标准确定，就可以及时跟进，成为真正的赢家。
2 基于Web的解决方案将在企业设备管理中扮演重要角色
根据ARC Advisory Group 的最新研究报告《EAM/CMMS Solutions Worldwide Outlook》，企业设备管理EAM的全球市场目前为1.6亿美金，预计今后每年增长3.1%，在2007年将达到1.9亿美金；其中增长主要得益于利用IT技术进行工业企业设备管理和应用服务提供商基于WEB的解决方案；报告预测基于WEB的解决方案将提高设备管理、电子采购和其它企业应用的性价比，提供更快的执行速度和简化的支持，从而降低企业的总成本。
同时，ARC Advisory Group将标准设备管理模型CALM划分为4个重要领域，包括：设备维护计划、设备状态和条件监控、设备人力管理和设备资源管理。其中，设备状态指设备的物理位置、组态和运行状态等，条件指设备的完好程度、工作能力和性能等。
考虑到Ethernet现场控制器的应用本身，使得整个企业网络只有一种底层通讯协议，实现了垂直集成，在满足控制系统各个层次的要求的基础上，不仅使得企业信息网络和控制网络得到统一，更易于和Internet实现无缝连接，是进行设备状态和条件监控的理想工具。因此，随着后PC时代的来临和嵌入式操作系统的流行，Ethernet现场控制器最优先考虑采用的就是嵌入式Internet技术。
拥有自己的IP地址，嵌入了WEB Server的Ethernet现场控制器能够发送状态信息、功能和维护请求，不仅可以告诉你他们在遥远的生产现场所监测的一切和自身的各类“健康”信息，而且你还可以告诉他们何时和如何完成何种工作，所有的一切，只需要通过一个WEB 浏览器。因此，用户可以在任何时候、任何地方监控现场数据和设备，还对其进行远程诊断、维护、组态和升级。通过网络实现了故障预测智能化，可以避免故障的发生，因而维护模式从被动维护转为了预测性维护，增加了收益。此外，由于Ethernet的物理层允许多种协议，如TCP、IP、UDP、SNMP、HTML、SMTP、Modbus/TCP和OPC等，同时并行工作，（这对现场总线来讲是不可想象的），预防性维护工作人员可以在不影响生产的情况下快速诊断和调试。
同时，对于企业来说，只有动态计算出生产设备的工作能力，并据此进行生产作业调度，才能优化企业资源，所以企业ERP系统必须获得访问设备资源的数据库接口。但传统的SCADA/PLC系统所提供的实时数据库中含大量的重复性的过程数据，虽然可以经过MES （制造执行系统）提炼，但费时、复杂。而如今这些数据已经包含在现场控制器的Web Server 中，设备数据库可以轻松构建，与工厂的电子商务、物资供应链和ERP等作为整体集成在一起。根据M2M数据公司报道，利用基于WEB的SCADA对天然气气井进行监控，项目投资回报率因此超过500%。
因此，在现场控制器中应用嵌入式WEB技术，将有助于提升工业现场的自动化水平，进一步消除自动化孤岛，并使企业尽快从实时企业向网络时代的虚拟企业转变，提高企业的生产水平和竞争力，从而在激烈的竞争中立于不败之地。
3 B/S和C/S结构将在现场控制层进一步融合
信息技术的高速发展推动了自动化领域数据及计算应用模式的不断更新。传统的Client/Server客户服务器两层结构存在灵活性差、升级困难、维护工作量大等缺陷，客户端访问服务器的数据需要保证数据的唯一性，尤其是较难适应IT领域与自动化领域的应用差异，这是因为在IT领域，服务器的数量比例为20%，客户端为80%；而自动化领域恰恰相反，服务器为80%，客户端为20%，导致客户机的负担过重。所以随着WEB技术的日益成熟，Browse/Server应用体系结构因其具有良好的跨平台特性，更简单、更低成本、能提
供更多信息且符合自动化领域应用特点等诸多优势越来越引起关注。
在B/S体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的许多现场服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器。B/S结构简化了客户机的工作，客户机可采用不同的操作系统平台，且只需配置少量的客户端软件。服务器将担负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上完成。浏览器发出请求，而其余如数据请求、加工、结果返回以及动态网页生成等工作全部由Web Server完成。实际上B/S体系结构是把二层C/S结构的事务处理逻辑模块从客户机的任务中分离出来，由Web 服务器单独组成一层来负担其任务，这样客户机的压力减轻了，把负荷分配给了Web服务器。这种三层体系结构如图1所示。
图1 B/S体系结构
这种结构不仅把客户机从沉重的负担和不断对其提高的性能的要求中解放出来，也把技术维护人员从繁重的维护升级工作中解脱出来。由于客户机把事务处理逻辑部分分给了功能服务器，使客户机一下子“苗条”了许多，不再负责处理复杂计算和数据访问等关键事务，只负责显示部分，所以维护人员不再为程序的维护工作奔波于每个客户机之间，而把主要精力放在功能服务器上程序的更新工作。这种三层结构在层与层之间相互独立，任何一层的改变不会影响其它层的功能。
但纯粹的B/S体系结构也存在一些不足地方，主要表现为：一方面HTTP可靠性低，有可能造成应用故障，特别是对于管理者来说，采用浏览器方式进行系统的维护非常不安全与不方便；另一方面，WEB Server成为对数据库的唯一的客户端，所有对数据库的连接都通过该服务器实现，WEB Server同时要处理与客户请求以及与数据库的连接，当访问量大时，服务器端负载过重。
为克服以上不足，在原有B/S体系结构基础上，Ethernet现场智能控制器构成的系统应采用一种新的体系结构，如图2所示。
图2 Ethernet现场智能控制系统体系结构
在该种结构体系中，一些需要用WEB处理的，满足大多数访问者请求的功能界面（如对现场控制器的组态配置、图形监控等）采用B/S结构。客户端发出HTTPS（具安全保障
的HTTP）请求到WEB SERVER。WEB SERVER将请求传送给数据处理程序。数据处理程序将数据转换后，读/写相应的存储单元，完成后返回，然后再由WEB SERVER将数据传送给客户端。
后台只需少数人使用的功能应用（如系统的历史数据记录等）采用C/S结构。现场控制器通过SSL、XML或FTP等方式定时将历史数据传递给系统服务器备份，客户端当需要处理涉及大量数据的复杂算法或历史趋势浏览等任务时直接从系统服务器上读取数据。
采用这种结构优点在于：
（1）充分发挥了充分了B/S与C/S体系结构的优势，弥补了二者不足。保证浏览查询者方便操作的同时也使得系统更新简单，维护简单灵活，易于操作。
（2）实时监控采用B/S结构，保持了瘦客户端的优点。装入客户机的软件可以采用统一的WEB浏览器。而且由于WEB浏览器和网络综合服务器都是基于工业标准，可以在所有的平台上工作。
（3）数据库端采用C/S结构，通过ODBC/JDBC连接。这一部分只涉及到系统维护、数据更新等，不存在完全采用C/S结构带来的客户端维护工作量大等缺点。并且在客户端可以构造非常复杂的应用，界面友好灵活，易于操作，能解决许多B/S存在的固有的缺点。
（4）对于原有基于C/S体系结构的应用，可以非常容易地升级到这种体系结构，只需开发用于发布的WEB界面，可以保留原有的C/S结构的某些子系统，充分地利用现有系统的资源。使得现有系统或资源无需大的改造即可以连接使用，保护了用户以往的投资。
4 基于浏览器的监控将挑战传统组态软件
由于许多工业应用只需要对有限的几个关键点进行频繁监控，而带Web Server 的Ethernet现场智能控制器又允许任何人使用浏览器通过局域网访问该类数据，所以昂贵的HMI软件及授权再也不是必需的了，浏览器除了用于大家熟悉的internet浏览外，已成为新一代人机界面的重要组成部分。
事实上，浏览器技术的发展，使得在浏览器中运行插件（如Java小程序Applet、ActiveX 控件或文档）成为可能。基于这种思路，在上位机中，一些复杂功能或图形，例如，图形的动态填充、图块的移动、颜色的变化等等，均可通过最新的WEB技术来实现，这样，用户通过在浏览器上访问该Web页面即可进行远程监控。
选择用来开发WEB用户界面的技术，必须能支持高动态、具有动画显示且能提供高水平可用性的网页的开发。而像HTML、JavaScript、Macromedia Flash这些标准WEB开发技术，是用来开发自动化控制显示页面的理想工具。尤其是通过在浏览器中嵌入ActiveX控件，可以实现在浏览器中看似不能实现或实现起来比较困难的功能，比如通过浏览器进行复杂报表的生成。另外，在客户端ActiveX控件的加盟，也可以丰富HTML页面，取得令人满意的图形监控效果。
更进一步，即使是运行在客户机上的采用C/S模式与系统服务器通信的复杂应用，同样可以利用标准浏览器。此时，数据服务器作为Web Server在局域网上发布，各客户机依然通过浏览器访问相关数据和进行动态图形和报警监控、历史数据浏览、报表制作、控制功能及算法配置、用户管理等等。目前，国内外已有了部分完全基于浏览器的监控实例和相应软件包，如Solidyne的i3、Action的WebOPC和BroadWin的WebAccess等。与传统的HMI/组态软件所不同的是，这些软件提供了真正透明的I/O层，可以被普通浏览器所访问，从而提供了远程组态、远程监控、远程维护等功能。
虽然基于标准浏览器的软件开发起步较晚，各类插件还不够丰富和全面，功能也不够强大，暂时还无法完全取代传统的组态软件，但像Ethernet一样，由于其开放、移植方便、
技术资源众多、免费、用户无需培训等突出优势，今后将不断挑战当前组态软件的统治地位，最终占据重要的一席之地。
5 控制功能被进一步下放到底层
控制功能将被逐步下放到底层工业设备和控制装置中去，本身并不会引起太多异议。但如何下放，却始终是个问题。而如今，集成了RTOS（实时操作系统）、RTC（实时时钟）和RTCE（实时控制引擎）的Ethernet现场控制器，使得控制功能可以被进一步下放到底层，控制和算法功能不再需要通过昂贵的PLC完成。
商业的实时操作系统（如WindRiver）和实时控制引擎（如IsaGraph）通常功能比较完善，但价格昂贵，考虑到财力的限制，基于Linux的免费开源项目将更适合国内的中小企业。
目前，主要的实时Linux系统有RT-Linux、RTAI、LXRT、KURT等，其中，RT-Linux 和RTAI架空了 Linux内核，直接用可加载式核心模块处理实时进程，事实上是一种 real-time 驱动程序；LXRT使用RT-FIFO将RTAI实时内核模块和真正的Linux进程连接在一起，由这个进程做代理为其呼叫 Linux 系统呼叫；而KURT则直接使用系统呼叫。某种程度上，这些RTOS都是在Linux系统上做的实时补丁，且代码量并不大，以RTAI为例，仅几百K。因此，我们可以在消化吸收这些开源的实时Linux系统的基础上，改进实时性能，如重新定义RTAI的RTHAL，使用Linux 系统呼叫，采用非常有弹性的调度器架构，利用“抢先检查点 (preemption point)”方式改善系统的反应速度，从而将反应延迟缩短到100 us左右，构建一个实用的软实时操作系统。
同时，由于是实时Linux平台，我们可以比较方便地设计了一个通用的、可移植性强、轻便的实时控制引擎，该控制引擎位于实时操作系统与应用程序之间，且与硬件平台无关，从而使客户不需重新设计整个系统，就可以不断获得提升、升级的系统性能。而传统的PLC 由于建立在各厂家专有架构的基础上，为了实现越来越多的功能和不断提高控制系统在工厂网络上的通讯性能，不得不频繁进行系统硬件的重新设计和软件的重新编程。因此，Ethernet 现场智能控制器极大地提高了控制系统的灵活性、开放性和整体性能。
目前，基于Linux的“OpenPLC”开源项目吸引了众多Linux程序员、工业控制开发人员和工控厂商的参与，其中，在此基础上开发的MatPLC已得到量产。此外，美国SixNet 公司基于uCLinux的OpenController也得到了市场的认可。同时，越来越多的公司在控制器中支持符合IEC61131-3标准的编程语言，完成原本用PLC实现的控制算法。所有趋势都表明控制功能正在被进一步下放到底层的Ethernet现场智能控制器中，并且开放、得到了国际标准的认可。
6 上海天控智能科技有限公司在Ethernet现场智能控制器上的尝试
基于以上想法和分析，上海天控智能科技有限公司（STIT）正在开发新一代的Ethernet 现场智能控制器，其结构示意图如下：
图3 Ethernet现场智能控制器结构示意图
该智能控制器采用基于ARM7TDMI内核的32位芯片，并嵌入带实时补丁的uCLinux 软实时操作系统。其外围电路的主要特性为：
?扩展了大容量外部存储器8M Flash和16M SDRAM，存储历史数据、Web页面和Email信息
?带10/100Mbps 以太网控制器，接入Ethernet
?两个UART，支持EIA232或EIA485接口，且其中的任一EIA232接口可作为在线编程口
?扩展了实时时钟，与片内可编程计时器一起，共同实现事件调度和保持网络时钟同步?18路可编程输入输出口，连接各类现场信号
?带I2C Master接口，可扩展各类输入输出芯片和接口，提供符合工业要求的模块
?针对扩展模块，利用若干串行64K EEPROM，存储组态信息和调校参数
软件主要由以下几个部分组成：
?WEB核心程序，支持TCP/IP、UDP、SNMP、DHCP、HTTP等多种协议，包括FTP Server、Email Server和Web Server等部分，其中，FTP Server进行实时数据、历史数据采集和视频等文件的传送，EMAIL Server提供新的EMAIL报警方式，而Web Server 则除了提供对现场控制器自身的配置，如IP地址、端口、路由/网关、串口通信参数等，还提供对外部I/O的配置，如I/O通道数、类型、参数设定等，以及与内部其他程序进行数据交换的接口等。
?Web后台数据处理接口：一方面与Web 核心程序进行数据交换，读写数据存储单元及在此过程中的数据格式转换等；另一方面进行数据定时采集和记录，即通过安全Socket 编程，向指定目标服务器定时传送当前数据；
?应用程序，包括I/O数据采集及处理，即采集外部数据并进行相应算法处理，如滤波、延迟、死区等，并将最终数据保存至指定存储单元；人机接口处理，提供LCD/LED显示、接受键盘输入等；以及针对具体设备的相应算法、调度和控制策略等；
?工业控制编程语言编辑和编译程序，目前支持LD语言，完全符合IEC61131-3国际标准。用户可根据应用要求，自行编制梯形图，经语法检查后下载到控制器中，进行编译和解释，并执行相应算法和操作，从而实现特定的控制功能；
?人机接口程序，主要包括Internet Explore的后台插件，如JavaScript、ActiveX等，支持浏览器的动态图形显示，且插件的源代码完全开放。
整个系统的集成完全基于WEB方案，采用B/S与C/S混合体系，利用标准浏览器进行监控，通过IEC61131-3梯形图编程实现控制要求，应用示例参见图4。
图4 应用示例
该系统体现的主要优点和特性，除了前文分析要点外，最重要的核心思想是通过采用开放的标准，降低总体成本。体现在开放的系统环境可向现存和未来的自动化系统提供方便的接口，可利用现有的网络框架和IT世界丰富的资源，从而提高生产效率、维护诊断和故障排除能力，对用户需求进行快速响应，降低系统管理和员工培训成本等等。而国内外同类产品和系统的出现，也使得我们有理由相信，Ethernet现场智能控制器有着巨大的生命力、光辉的前途和良好的市场前景。
——————————————————————————————————————————————