摘 要：工业以太网控制系统是集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）之后产生的一种新型的工业控制系统。本文介绍了基于工业以太网的分布式监控系统的系统构成、通讯原理、软件设计及应用实例。
关键词：远端智能模块;工业以太网;监控系统
1、引言
传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大基础。随着工业自动化进程的推进和企业信息化程度的提高，工业控制网络所承担的工作越来越重，这时就需要一种高速、廉价、实时性和开放性好、稳定性和准确性高的工业控制网络。于是以TCP/IP协议为基础的工业以太网技术走进了人们的视线。
TCP/IP是目前所实现的最成功的网络协议，是Internet互连网的基础。因此，尽管TCP/ IP支持的网络很多,支持EtherNet的协议也很多,但却只有把EtherNet和TCP/ IP 结合起来,才能适应全球化的Internet ,采用TCP/ IP 为中间协议的以太网即将成为工业控制网络的主要标准[1]。以TCP/IP为基础的以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显：（1）Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联;（2）以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络;（3）结构简单，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各种速率可以采用“自动协商”技术在网络中实现运行其中彻底一种，而几乎不需更改其硬件设施;（5）以太网通讯实时性好，运行可靠[3]- [2]。
以太网的优点解决了以前数据采集系统存在的通讯的可靠与通讯的效率之间的矛盾。随着工业控制的发展，以太网正慢慢代替其它的控制网络。本文介绍了在以太网通讯的基础上配以合理的编程思想，实现高效通讯的数据采集监控系统。
2、基本原理
2.1硬件构成
在介绍硬件构成之前，我们要先了解一个在此系统中非常重要的硬件——串口联网设备服务器。在这里我们就用在立德粉厂项目中使用的LANTRONIX串口联网设备服务器VDS100介绍一下。VDS100使用一种叫串行隧道（serial tunneling）的方法,将串行数据封装在数据包中在以太网上传送。应用中首先必须根据 VDS100 的出厂的物理地址设置好其ip地址（可变）。然后根据com 端口重定向软件，通过扩展基于com 端口的windows.应用功能，简化了集成过程。这种映射到网络远程设备服务器的虚拟com 端口可以代替直接的串行连接。然后根据连接到VDS100上面的智能模块的信号类型设置设备响应串行端口的方式，以及网络传输、处理串行数据包以及起动和关闭连接的方式。
基于工业以太网的分布式监控系统的硬件主要有监控计算机（上位机）、串口联网设备服务器、AD转换器、智能模块通过光纤连接构成见图1[4]。
为了满足工业的不同需求，选用可以支持RS-232和RS-485的串行标准的串口联网设备服务器，例如我们在具体项目中用的VDS100。对于输出的是RS-232和RS-485的模块来说，直接就可以挂到串口联网设备服务器上面。而对于输出是模拟信号的模块来说，就先要通过A/D转换器转换成RS-485信号，再接到串口联网设备服务器上。我们选用转换成RS-485是因为其相对RS-232来说，传输距离更远，噪声更低，还有安全性更高等优点。对于串口联网设备服务器来说，其串行接口上可以挂256个数据监控远端模块，而每个模块上面又有多路输入输出，所以为了以后的拓展留下很大的空间。
图1 立德粉厂数据采集的工业以太网控制系统硬件连接图
2.2通讯原理
在数据采集监控系统中，监控计算机与智能模块采用主从应答方式进行彼此之间的通讯。 数采监控计算机作为上位机是处于主动的状态，数采监控计算机通过以太网向智能模块发送各种各样的ASCII格式的命令，例如对智能模块进行参数设置、状态查询和读智能模块采集到的数据等等。而智能模块作为下位机则处于被动状态，它们一直处于监听状态。
当数据监控计算机发出各种命令时，首先是串口联网设备服务器将自己虚拟出来的COMM口与上位机程序要打开的COMM口比较，如果一致则打开COMM口。然后再通过其虚拟的串口将指令传送到连接在其上的所有智能模块中。同一个串口联网设备服务器上的所有的智能模块都可以接收到指令，它们将指令中的包含的地址信息与自己的地址相比较，如果一致，则对指令作出响应，返回数据串。如果地址不一致，就忽略不作任何响应。由于在某些串口联网设备服务器上面连接的远端智能模块类型多而且数目不小，为避免通讯的混乱，所以我们采取优先级控制。首先，必须设定一个命令发生缓冲区和一个数据接收缓冲区。上位机发出的任何命令都先被压进命令发送缓冲区，经过优先级处理后再逐条发送。其次，给每种指令设定优先级的高低。在命令发送缓冲区中同时有多条指令要发送时，优先级高的指令优先发送，而当优先级相同时，就按照进入命令发送缓冲区的先后顺序，先到先出。再次，还要定义网络通讯忙标志。当上位机向网络发送指令后，要设置通讯忙标志为TRUE，在接收到返回的数据串后，再把它设置为FALSE。这样才做到通讯的有条不紊和高效率。
3、软件设计
上位机的监控程序可以分为两部分。一是命令发送部分：当数据监控计算机向网络发送一条指令时，其先按照发送指令的优先级的高低与命令发送缓冲区中的各个指令相比较，确定其在发送命令缓冲区中的编号，然后压入命令发送缓冲区。如果通讯空闲，则从缓冲区中取出优先级最高的指令，然后设置串口事件，清空数据接收缓冲区，设定通讯忙标志为TRUE，最后把指令发送到网络上去。指令中指定的模块接收到命令后，即返回一帧数据串。上位机接收到返回的数据串后便检查其是否正确，如果正确，就把刚刚发送的指令从命令发送缓冲区中删除（见图2）。二是数据接收部分：上位机在把指令发送出去前先清空数据接收缓冲区，在把指令发送出去后，就不停地查询数据接收缓冲区，如果没有数据就循环等待。若有数据但不正确就退出，如果正确就把数据串从数据接收缓冲区提取出来，通过处理数据串，得到各种不同格式的符合要求的数据（见图3）。
图2 指令发送流程图
图3 数据接收流程图
基于上面两个流程图，就可以用Visual Basic 6.0或者Visual C++ 6.0编写上位机程序。Visual Basic 6.0或者Visual C++ 6.0语言简单易读、容易掌握的特点，可以简化编程和调试工作，并借助ActiveX控件与上位机实现串行通信，达到了过程数据采集和通信实现的速度和可靠性等方面的要求，完成现场数据采集任务，具有很大的应用和推广意义。
通信部分的主要程序发送命令函数的代码如下：
Public Function SendCmd （Cmd As String, BufLen as Interger, Priority As Integer）
Call Sort （Priority） ‘调用Sort（）函数，按优先级Priority的大小排序，
‘压入命令发送缓冲区
If Not ComBusy And BufCmdNum > 0 Then ‘如果通讯空闲且发送缓冲区不为空，
‘就可以取Buf中的第一条
MSComm1.InBufferCount = 0 ‘清空发送缓冲区
MSComm1.RThreshold = CmdBuf（0）.BufLen
MSComm1.InputLen = CmdBuf（0）.BufLen ‘清空数据接受缓冲区
MSComm1.Output = CmdBuf（0）.Cmd ‘发送命令
Timer1.Enabled = True ‘开启响应超时计时器
ComBuzy = True ‘置通讯忙标记
End If
End Function
4、应用实例
此系统应用在广州华立-萨其宾化工颜料公司的立德粉生产数据采集与质量控制项目中。系统中主要的硬件串口联网设备服务器用LANTRONIX 公司的VDS100，VDS100 设备服务器价格低廉、易于管理，它可以快速简便地集成到现有 IP 网络中，VDS100 使用户有能力实时存取连网设备的信息。使用其附带的虚拟串口软件，可以将虚拟的 COM 端口映射到网络上的远程设备服务器上，对 COM 端口操作的 Windows 应用程序不再需要直接的串行连接。在这个项目中，自动采集的数据包括三条生产转窑的各种生产数据50来个、两个烟雾排放检测机检测的各种环保数据24个、23个车间的用电量的各种数据、5路蒸汽流量等等。基于工业以太网的分布式监控系统成功地运用到该项目中，通过以太网实时、稳定、准确地实现了各种数据的采集并存放进数据库，同时通过网络实时传送到公司的各个客户端，为工作人员及时提供资料，使他们的工作效率得到很大提高。例如可以减少抄表、数据处理等工作人员（在数据采集系统中，我们还根据要求在代码中实现采集到的数据的处理，使其成为工厂需要的数据格式），而且工作人员只要在有计算机（连接到工业以太网）的地方就可以随时了解上述各个点的运作情况，以便随时作出决策。这样就为工厂节省了人力、物力，并为管理者及时作出决策提供及时、可靠的资料。
5、结束语
工业以太网控制系统与其它控制系统相比较具有很大的优势，可以应用在多种工业控制领域。随着以太网技术的快速发展，基于以太网的工业控制网络时代将会很快到来，并成为最具开放性的工业控制网络体系结构。通过以太网通讯，再配以合适的编程思想，实现工业生产数据的采集，没有了以前通讯可靠性差和效率低的缺点，在实时性问题上也得到了有效的解决。这对于工业生产的数据采集自动化和信息化来说，能起到重大的推广作用，对于工业自动化程度还比较低的工业生产来说也具有重大的意义。
参考文献：
[1] 吴爱国，李长滨。 工业以太网协议EtherNet/ IP[J]. 计算机应用。2003年11月，第23卷，第11期.
[2]赵琦，杨鹏，孔鑫，马超. 工业以太网的发展及其技术特点[J].www.controlnet.org
[3] 王延尧等编著.以太网技术与应用[M].人民邮电出版社，2005.
[4]甘永梅,李庆丰,刘晓娟,王兆安. 现场总线技术及其应用[M].机械工业出版社，2005.