摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）之后產(chǎn)生的一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。本文介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、通訊原理、軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例。 關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)端智能模塊;工業(yè)以太網(wǎng);監(jiān)控系統(tǒng) 1、引言 　　傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)。隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)和企業(yè)信息化程度的提高，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的工作越來(lái)越重，這時(shí)就需要一種高速、廉價(jià)、實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性好、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。于是以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)走進(jìn)了人們的視線(xiàn)。 　　TCP/IP是目前所實(shí)現(xiàn)的最成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是Internet互連網(wǎng)的基礎(chǔ)。因此，盡管TCP/ IP支持的網(wǎng)絡(luò)很多,支持EtherNet的協(xié)議也很多,但卻只有把EtherNet和TCP/ IP 結(jié)合起來(lái),才能適應(yīng)全球化的Internet ,采用TCP/ IP 為中間協(xié)議的以太網(wǎng)即將成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主要標(biāo)準(zhǔn)[1]。以TCP/IP為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：（1）Ethernet是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠(chǎng)商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián);（2）以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò);（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉;（4）通信速率高，有良好的兼容性能。10Mbit/s、100 Mbit/s和1G bit/s甚至10 G bit/s各種速率可以采用“自動(dòng)協(xié)商”技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)運(yùn)行其中徹底一種，而幾乎不需更改其硬件設(shè)施;（5）以太網(wǎng)通訊實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行可靠[3]- [2]。 　　以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)解決了以前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的通訊的可靠與通訊的效率之間的矛盾。隨著工業(yè)控制的發(fā)展，以太網(wǎng)正慢慢代替其它的控制網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了在以太網(wǎng)通訊的基礎(chǔ)上配以合理的編程思想，實(shí)現(xiàn)高效通訊的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)。 2、基本原理 　　2.1硬件構(gòu)成 　　在介紹硬件構(gòu)成之前，我們要先了解一個(gè)在此系統(tǒng)中非常重要的硬件——串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器。在這里我們就用在立德粉廠(chǎng)項(xiàng)目中使用的LANTRONIX串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器VDS100介紹一下。VDS100使用一種叫串行隧道（serial tunneling）的方法,將串行數(shù)據(jù)封裝在數(shù)據(jù)包中在以太網(wǎng)上傳送。應(yīng)用中首先必須根據(jù) VDS100 的出廠(chǎng)的物理地址設(shè)置好其ip地址（可變）。然后根據(jù)com 端口重定向軟件，通過(guò)擴(kuò)展基于com 端口的windows.應(yīng)用功能，簡(jiǎn)化了集成過(guò)程。這種映射到網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程設(shè)備服務(wù)器的虛擬com 端口可以代替直接的串行連接。然后根據(jù)連接到VDS100上面的智能模塊的信號(hào)類(lèi)型設(shè)置設(shè)備響應(yīng)串行端口的方式，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸、處理串行數(shù)據(jù)包以及起動(dòng)和關(guān)閉連接的方式。 　　基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要有監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）、串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器、AD轉(zhuǎn)換器、智能模塊通過(guò)光纖連接構(gòu)成見(jiàn)圖1[4]。 　　為了滿(mǎn)足工業(yè)的不同需求，選用可以支持RS-232和RS-485的串行標(biāo)準(zhǔn)的串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器，例如我們?cè)诰唧w項(xiàng)目中用的VDS100。對(duì)于輸出的是RS-232和RS-485的模塊來(lái)說(shuō)，直接就可以?huà)斓酱诼?lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器上面。而對(duì)于輸出是模擬信號(hào)的模塊來(lái)說(shuō)，就先要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào)，再接到串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器上。我們選用轉(zhuǎn)換成RS-485是因?yàn)槠湎鄬?duì)RS-232來(lái)說(shuō)，傳輸距離更遠(yuǎn)，噪聲更低，還有安全性更高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器來(lái)說(shuō)，其串行接口上可以?huà)?56個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控遠(yuǎn)端模塊，而每個(gè)模塊上面又有多路輸入輸出，所以為了以后的拓展留下很大的空間。 [align=center] 圖1 立德粉廠(chǎng)數(shù)據(jù)采集的工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件連接圖[/align] 　　2.2通訊原理 　　在數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控計(jì)算機(jī)與智能模塊采用主從應(yīng)答方式進(jìn)行彼此之間的通訊。 數(shù)采監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)是處于主動(dòng)的狀態(tài)，數(shù)采監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)向智能模塊發(fā)送各種各樣的ASCII格式的命令，例如對(duì)智能模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢(xún)和讀智能模塊采集到的數(shù)據(jù)等等。而智能模塊作為下位機(jī)則處于被動(dòng)狀態(tài)，它們一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。 　　當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出各種命令時(shí)，首先是串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器將自己虛擬出來(lái)的COMM口與上位機(jī)程序要打開(kāi)的COMM口比較，如果一致則打開(kāi)COMM口。然后再通過(guò)其虛擬的串口將指令傳送到連接在其上的所有智能模塊中。同一個(gè)串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器上的所有的智能模塊都可以接收到指令，它們將指令中的包含的地址信息與自己的地址相比較，如果一致，則對(duì)指令作出響應(yīng)，返回?cái)?shù)據(jù)串。如果地址不一致，就忽略不作任何響應(yīng)。由于在某些串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器上面連接的遠(yuǎn)端智能模塊類(lèi)型多而且數(shù)目不小，為避免通訊的混亂，所以我們采取優(yōu)先級(jí)控制。首先，必須設(shè)定一個(gè)命令發(fā)生緩沖區(qū)和一個(gè)數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。上位機(jī)發(fā)出的任何命令都先被壓進(jìn)命令發(fā)送緩沖區(qū)，經(jīng)過(guò)優(yōu)先級(jí)處理后再逐條發(fā)送。其次，給每種指令設(shè)定優(yōu)先級(jí)的高低。在命令發(fā)送緩沖區(qū)中同時(shí)有多條指令要發(fā)送時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的指令優(yōu)先發(fā)送，而當(dāng)優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，就按照進(jìn)入命令發(fā)送緩沖區(qū)的先后順序，先到先出。再次，還要定義網(wǎng)絡(luò)通訊忙標(biāo)志。當(dāng)上位機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令后，要設(shè)置通訊忙標(biāo)志為T(mén)RUE，在接收到返回的數(shù)據(jù)串后，再把它設(shè)置為FALSE。這樣才做到通訊的有條不紊和高效率。 3、軟件設(shè)計(jì) 　　上位機(jī)的監(jiān)控程序可以分為兩部分。一是命令發(fā)送部分：當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一條指令時(shí)，其先按照發(fā)送指令的優(yōu)先級(jí)的高低與命令發(fā)送緩沖區(qū)中的各個(gè)指令相比較，確定其在發(fā)送命令緩沖區(qū)中的編號(hào)，然后壓入命令發(fā)送緩沖區(qū)。如果通訊空閑，則從緩沖區(qū)中取出優(yōu)先級(jí)最高的指令，然后設(shè)置串口事件，清空數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，設(shè)定通訊忙標(biāo)志為T(mén)RUE，最后把指令發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去。指令中指定的模塊接收到命令后，即返回一幀數(shù)據(jù)串。上位機(jī)接收到返回的數(shù)據(jù)串后便檢查其是否正確，如果正確，就把剛剛發(fā)送的指令從命令發(fā)送緩沖區(qū)中刪除（見(jiàn)圖2）。二是數(shù)據(jù)接收部分：上位機(jī)在把指令發(fā)送出去前先清空數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，在把指令發(fā)送出去后，就不停地查詢(xún)數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)就循環(huán)等待。若有數(shù)據(jù)但不正確就退出，如果正確就把數(shù)據(jù)串從數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)提取出來(lái)，通過(guò)處理數(shù)據(jù)串，得到各種不同格式的符合要求的數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）。 [align=center] 圖2 指令發(fā)送流程圖[/align] [align=center] 圖3 數(shù)據(jù)接收流程圖[/align] 　　基于上面兩個(gè)流程圖，就可以用Visual Basic 6.0或者Visual C++ 6.0編寫(xiě)上位機(jī)程序。Visual Basic 6.0或者Visual C++ 6.0語(yǔ)言簡(jiǎn)單易讀、容易掌握的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化編程和調(diào)試工作，并借助ActiveX控件與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信，達(dá)到了過(guò)程數(shù)據(jù)采集和通信實(shí)現(xiàn)的速度和可靠性等方面的要求，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，具有很大的應(yīng)用和推廣意義。 　　通信部分的主要程序發(fā)送命令函數(shù)的代碼如下： 　　Public Function SendCmd （Cmd As String, BufLen as Interger, Priority As Integer） 　　Call Sort （Priority） ‘調(diào)用Sort（）函數(shù)，按優(yōu)先級(jí)Priority的大小排序， 　　‘壓入命令發(fā)送緩沖區(qū) 　　If Not ComBusy And BufCmdNum > 0 Then ‘如果通訊空閑且發(fā)送緩沖區(qū)不為空， 　　‘就可以取Buf中的第一條 　　MSComm1.InBufferCount = 0 ‘清空發(fā)送緩沖區(qū) 　　MSComm1.RThreshold = CmdBuf（0）.BufLen 　　MSComm1.InputLen = CmdBuf（0）.BufLen ‘清空數(shù)據(jù)接受緩沖區(qū) 　　MSComm1.Output = CmdBuf（0）.Cmd ‘發(fā)送命令 　　Timer1.Enabled = True ‘開(kāi)啟響應(yīng)超時(shí)計(jì)時(shí)器 　　ComBuzy = True ‘置通訊忙標(biāo)記 　　End If 　　End Function 4、應(yīng)用實(shí)例 　　此系統(tǒng)應(yīng)用在廣州華立-薩其賓化工顏料公司的立德粉生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量控制項(xiàng)目中。系統(tǒng)中主要的硬件串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器用LANTRONIX 公司的VDS100，VDS100 設(shè)備服務(wù)器價(jià)格低廉、易于管理，它可以快速簡(jiǎn)便地集成到現(xiàn)有 IP 網(wǎng)絡(luò)中，VDS100 使用戶(hù)有能力實(shí)時(shí)存取連網(wǎng)設(shè)備的信息。使用其附帶的虛擬串口軟件，可以將虛擬的 COM 端口映射到網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程設(shè)備服務(wù)器上，對(duì) COM 端口操作的 Windows 應(yīng)用程序不再需要直接的串行連接。在這個(gè)項(xiàng)目中，自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)包括三條生產(chǎn)轉(zhuǎn)窯的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)50來(lái)個(gè)、兩個(gè)煙霧排放檢測(cè)機(jī)檢測(cè)的各種環(huán)保數(shù)據(jù)24個(gè)、23個(gè)車(chē)間的用電量的各種數(shù)據(jù)、5路蒸汽流量等等�；诠I(yè)以太網(wǎng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)成功地運(yùn)用到該項(xiàng)目中，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)的采集并存放進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到公司的各個(gè)客戶(hù)端，為工作人員及時(shí)提供資料，使他們的工作效率得到很大提高。例如可以減少抄表、數(shù)據(jù)處理等工作人員（在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們還根據(jù)要求在代碼中實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)的處理，使其成為工廠(chǎng)需要的數(shù)據(jù)格式），而且工作人員只要在有計(jì)算機(jī)（連接到工業(yè)以太網(wǎng)）的地方就可以隨時(shí)了解上述各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)作情況，以便隨時(shí)作出決策。這樣就為工廠(chǎng)節(jié)省了人力、物力，并為管理者及時(shí)作出決策提供及時(shí)、可靠的資料。 5、結(jié)束語(yǔ) 　　工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)與其它控制系統(tǒng)相比較具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在多種工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)代將會(huì)很快到來(lái)，并成為最具開(kāi)放性的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。通過(guò)以太網(wǎng)通訊，再配以合適的編程思想，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，沒(méi)有了以前通訊可靠性差和效率低的缺點(diǎn)，在實(shí)時(shí)性問(wèn)題上也得到了有效的解決。這對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化和信息化來(lái)說(shuō)，能起到重大的推廣作用，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化程度還比較低的工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)也具有重大的意義。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 吳愛(ài)國(guó)，李長(zhǎng)濱。 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議EtherNet/ IP[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用。2003年11月，第23卷，第11期. 　　[2]趙琦，楊鵬，孔鑫，馬超. 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)特點(diǎn)[J].www.controlnet.org 　　[3] 王延堯等編著.以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2005. 　　[4]甘永梅,李慶豐,劉曉娟,王兆安. 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.