一種基于嵌入式Internet技術的通用RTU設計，為傳統(tǒng)RTU低成本更新開辟一條途徑

針對傳統(tǒng)RTU通訊速率低、通訊規(guī)約不統(tǒng)一、系統(tǒng)不開放，分析了在IEC 60870-5-104通信規(guī)約的基礎上，結(jié)合嵌入式Internet技術，設計了一套開放、靈活、可靠的Webit-GRTU體系結(jié)構。通過實例驗證了設計目標，為傳統(tǒng)RTU低成本更新?lián)Q代開辟了一條途徑。

遠程終端設備（Remote Terminal Unit，RTU）是一種遠程測控智能裝置。它不僅可以采集、監(jiān)測、計算和存貯現(xiàn)場的設備信號，而且能獨立地完成預定的控制程序、執(zhí)行上位機的指令，并將執(zhí)行結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)回傳上位機。RTU比PLC具有更優(yōu)良的通訊和控制能力，適用于惡劣的工作環(huán)境及實現(xiàn)復雜的特殊算法。

然而，隨著自動化、計算機、網(wǎng)絡等技術的不斷發(fā)展以及ERP戰(zhàn)略的廣泛實施，各種應用和服務對信息的實時性、可靠性、可擴展性等提出了越來越高的要求。目前傳統(tǒng)RTU無論在結(jié)構上還是實現(xiàn)方法上都已經(jīng)很難滿足實際現(xiàn)場的要求。主要表現(xiàn)在：（1） 通信規(guī)約不統(tǒng)一。存在眾多的通信規(guī)約，如DNP 3.0、Modbus、SCI、CDC、CDT等等，各大生產(chǎn)廠家都遵循著自己的一套通信規(guī)約，不同設備之間的互聯(lián)及升級較困難；（2） 通訊速率較低。傳統(tǒng)的RTU通信方式多為RS-232/422/485總線方式，最基本的“四遙”量只能以秒級傳送，通信速率成為系統(tǒng)性能的瓶頸，已遠遠不能滿足生產(chǎn)過程中的實時監(jiān)控要求。

90年代后期，Internet/Intranet技術日趨成熟，設備網(wǎng)絡化及普適計算模式的概念不斷形成，新投入的自動化系統(tǒng)及管理網(wǎng)絡開始廣泛地采用TCP/IP網(wǎng)絡技術，新的自動化控制與通訊國際標準也不斷出臺。這就要求新型的RTU能夠充分利用現(xiàn)有通信資源，提高數(shù)據(jù)的吞吐量，保證系統(tǒng)的實時性，同時又具有更好的開放性、兼容性。為適應這一發(fā)展潮流，本文遵照國際電工委員會IEC 60870-5-104通信標準，設計了一套基于嵌入式Internet技術的通用型RTU-Webit-GRTU，可在任何Internet/Intranet的結(jié)點上對Webit-GRTU系統(tǒng)進行全面的遠程訪問，為傳統(tǒng)RTU低成本更新?lián)Q代開辟了一條途徑。

1 嵌入式Internet技術與Webit

嵌入式Internet技術是一種設備接入技術或者說是一種異種網(wǎng)絡互連技術，它主要解決的問題是通過Web和嵌入式技術實現(xiàn)從不同的子網(wǎng)、不同物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設備和異類子網(wǎng)進行監(jiān)控、診斷、管理及維護等操作，使用戶對接入到Internet上的各種設備或其他類型的子網(wǎng)具有遠程監(jiān)控、診斷和管理的能力。圖1為采用了嵌入式Internet技術的Webit與電視機、攝像機、UPS、RTU等設備綁定后聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的一個示意圖。借助Internet，打破地理上的障礙，實現(xiàn)全球化的通信和控制。

Internet通信協(xié)議對計算機系統(tǒng)的CPU速度、存儲器容量等的要求較高，用于PC機系統(tǒng)不存在任何困難，但是用于自身資源受限的嵌入式系統(tǒng)就必須根據(jù)需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實現(xiàn)和處理方案。Webit根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點，在實時內(nèi)核WebitX 2.0基礎上對TCP/IP協(xié)議簇中的各層協(xié)議做了不同程度的裁減，結(jié)構小巧、成本低廉、性能可靠，同時擁有高速、開放、實時的強大網(wǎng)絡通訊能力。

2 IEC 60870-5-104通信規(guī)約及TCP/IP協(xié)議棧

IEC 60870-5-104通信標準是“采用標準傳輸文件集的IEC 60870-5-101網(wǎng)絡訪問”的遠動傳輸規(guī)約標準。

它是根據(jù)IEC 60870-5的系列文件，將IEC 60870-5-101的應用層與TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）提供的傳輸功能相結(jié)合而形成的通信標準。

通過這個標準，在TCP/IP的框架內(nèi)，可以根據(jù)實際應用需要，運用到不同的網(wǎng)絡類型，包括X.25、FR（Frame Relay） 、ATM（Asynchronous Transfer Mode）和ISDN（Integrated ServiceData Network）。圖2為IEC 60870-5-104將IEC 60870-5-101與TCP/IP協(xié)議簇相結(jié)合而形成的標準結(jié)構示意圖：由于IEC60870-5-101中未采用應用規(guī)約控制信息（APCI），因此IEC60870-5-104 中的應用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU） 相當于IEC60870-5-101 中的應用服務數(shù)據(jù)單元（ASDU） ， 并且IEC60870-5-104還對應用規(guī)約控制信息（APCI）作了定義，所以APDU是ASDU與APCI的結(jié)合。APCI的控制域定義了防止報文丟失和重復的控制信息，以及對報文的開始、停止和傳輸連接的監(jiān)控。

3 設計與實現(xiàn)

3.1 設計思想

RTU作為一種遠程測控智能裝置，與Webit綁定后應將RTU與Webit的功能充分發(fā)揮出來，實現(xiàn)現(xiàn)場設備和Internet的透明互聯(lián)，將設備和網(wǎng)絡真正融合在一起。智能、簡便、可靠、通用、開放是這套RTU系統(tǒng)的基本設計思想：（1） Webit-GRTU在通訊實現(xiàn)上嚴格遵循IEC 60870-5-101/104通信規(guī)約，兼容所有標準的工業(yè)自動化工作站軟件；提供API、ActiveX、OLE、DDE、OPC、COM、DCOM、ODBC等技術支持；能方便地與各種自動化控制系統(tǒng)互聯(lián)，組成強大的SCADA系統(tǒng)。（2） 采用通訊和控制分開的體系結(jié)構。數(shù)據(jù)采集和控制采用內(nèi)部擴展總線，根據(jù)系統(tǒng)的復雜程度不同，進行靈活的組合，獨立地完成邏輯控制。RTU通訊部分采用單獨的微控制器，并根據(jù)不同的通訊規(guī)約下載不同的軟件，便于軟件升級及擴展。（3） 使用簡便。

通過嵌入式WEB服務器，技術人員在提示幫助下，通過IE或Netscape瀏覽器設置所有參數(shù)；并可通過仿真軟件，模擬現(xiàn)場情況，便于調(diào)試和培訓。（4） 通用性強，既可廣泛用于控制相對簡單的普通民用設施，也可應用在惡劣環(huán)境下的復雜控制中。

3.2 Webit-GRTU體系結(jié)構

Webit-GRTU采用通訊和控制分開的體系結(jié)構。Webit-GRTU的數(shù)據(jù)采集與控制輸出部分采用了INTELMCS80C196芯片，完成遙信、遙測、電能脈沖記數(shù)及遙控輸出等功能，采用16 bit數(shù)據(jù)總線。

Webit-GRTU通訊模塊則是以Atmel公司的AT90S8515微控制器為核心，配以Realtek RTL8019AS 10M以太網(wǎng)接口芯片，具有RJ-45接口、14位TTL電平雙向I/O、UART口和ECP系統(tǒng)編程口，如圖3所示。圖中軟件結(jié)構主要包括：實時內(nèi)核WebitX 2.0、thin TCP/IP協(xié)議棧和RSC（Remote System Control）。其中RSC主要用于系統(tǒng)參數(shù)設置、電源監(jiān)測，系統(tǒng)的遠程復位和啟動；thin TCP/IP協(xié)議棧包括ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、HTTP、TFTP、SNMP等協(xié)議。另外，外部設置了SEEPROM存儲器，用于存放用戶數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)參數(shù)、HTML網(wǎng)頁、GIF和JPEG圖像等，由WebitX 2.0的文件系統(tǒng)來管理。系統(tǒng)有RS-232、RS-485串行通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸率在300～57 600之間選擇，以IEC 60870-5-101通訊規(guī)約通訊；以太網(wǎng)通訊速率為10 Mbps，支持標準的TCP/IP協(xié)議，以IEC 60870-5-104通訊規(guī)約通訊。

通訊模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊的數(shù)據(jù)交換通過IDT7130開辟公用內(nèi)存區(qū)進行。這是一種高速雙口靜態(tài)RAM，片內(nèi)含總線仲裁電路，有兩套獨立的控制和地址總線，適用于CPU間大量數(shù)據(jù)快速雙向傳遞。

公用內(nèi)存區(qū)則主要用于存放RTU遙信、遙測等四遙信息。

4 典型應用

圖4是某鋼廠LF（Laddle Furnace）精煉爐控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構拓撲圖，它是Webit-GRTU的一個典型應用（由于該控制系統(tǒng)比較龐大與復雜，本文主要針對Webit-GRTU的控制部分）。

4.1 工藝

Webit-GRTU控制該系統(tǒng)的喂絲機部分，它與LF爐本體控制PLC、上料控制PLC以及操作員站處于同一TCP/IP局域網(wǎng)絡中。在鋼水精煉過程中，LF爐要不斷地通過喂絲機來添加金屬復合材料。而金屬添加量因鋼水的品種和成份含量的不同而不同，并要求隨精煉時間的推移不斷進行調(diào)整。其作業(yè)現(xiàn)場溫度高、電弧干擾強、環(huán)境惡劣，不適合手工現(xiàn)場操作。

一方面，Webit-GRTU自身可以通過內(nèi)置軟件實現(xiàn)喂絲機的智能控制和人工控制，調(diào)整喂絲機的喂絲速度和時間間隔，另一方面，Webit-GRTU需要和LF爐本體控制系統(tǒng)保持通訊，不斷地接受鋼水品種、成份、精煉時間及其他相關參數(shù)和指令，優(yōu)化喂絲機的控制過程。

4.2 性能分析

本系統(tǒng)中的主站通訊全部采用TCP/IP網(wǎng)絡結(jié)構，分布式I/O采用PROFIBUS現(xiàn)場總線結(jié)構。Webit-GRTU、Intouch監(jiān)控系統(tǒng)、Siemens PLC S7-400等之間無需中間轉(zhuǎn)換裝置便能較好地協(xié)同工作、交互數(shù)據(jù)。其中Webit-GRTU發(fā)揮了獨立智能控制及協(xié)調(diào)能力，并經(jīng)受住鋼廠惡劣環(huán)境的考驗。

比較原來使用Modbus通訊的RTU，每個操作站和服務器接收RTU數(shù)據(jù)都要配置專門的Modbus通訊模塊和通訊軟件，而使用Webit-GRTU，通過ActiveX、DDE、OPC很方便的將RTU控制和PLC控制系統(tǒng)融為一體，無須額外的軟硬件投資。Webit-GRTU采用了RTL8019AS 10M以太網(wǎng)卡，經(jīng)測試，單字節(jié)傳輸速率一般在720μs左右，與傳統(tǒng)的RTU串行傳輸方式相比，速度提高了30～100倍左右。實際應用中，操作站畫面的數(shù)據(jù)掃描周期由原來的5~10 s縮小到2 s以內(nèi)，完全符合工藝控制要求。同時Webit-GRTU突破了傳輸距離的限制，通過網(wǎng)關和路由，可以將信息傳遞到Internet網(wǎng)的任一角落。

5 結(jié) 論

Webit-GRTU不僅遵循IEC 60870-5-101/104通訊規(guī)約，較好地解決了設備之間的互聯(lián)及升級問題，而且將RTU的通訊速率提高到了微秒級，保證系統(tǒng)的實時性。實踐證明，Webit-GRTU具有網(wǎng)絡布線簡捷，可擴展性好，抗干擾能力強。它為傳統(tǒng)RTU低成本更新?lián)Q代提供改造參考，通過統(tǒng)一的Internet/Intranet網(wǎng)絡覆蓋全部智能設備，為實現(xiàn)管控一體化的透明工廠思想開辟了一條有效途徑。