基于嵌入式Internet技术的通用RTU设计

摘要：  远程终端设备(Remote Terminal Unit，RTU)是一种远程测控智能装置。它不仅可以采集、监测、计算和存贮现场的设备信号，而且能独立地完成预定的控制程序、执行上位机的指令，并将执行结果和现场数据回传上位机。RTU比PLC具有更优良的通讯和控制能力，适用于恶劣的工作环境及实现复杂的特殊算法。

关键字：  自动化系统，  嵌入式，  PC机系统

远程终端设备(Remote Terminal Unit，RTU)是一种远程测控智能装置。它不仅可以采集、监测、计算和存贮现场的设备信号，而且能独立地完成预定的控制程序、执行上位机的指令，并将执行结果和现场数据回传上位机。RTU比PLC具有更优良的通讯和控制能力，适用于恶劣的工作环境及实现复杂的特殊算法。

然而，随着自动化、计算机、网络等技术的不断发展以及ERP战略的广泛实施，各种应用和服务对信息的实时性、可靠性、可扩展性等提出了越来越高的要求。目前传统RTU无论在结构上还是实现方法上都已经很难满足实际现场的要求。主要表现在：(1) 通信规约不统一。存在众多的通信规约，如DNP 3.0、Modbus、SCI、CDC、CDT等等，各大生产厂家都遵循着自己的一套通信规约，不同设备之间的互联及升级较困难;(2) 通讯速率较低。传统的RTU通信方式多为RS-232/422/485总线方式，最基本的“四遥”量只能以秒级传送，通信速率成为系统性能的瓶颈，已远远不能满足生产过程中的实时监控要求。

90年代后期，Internet/Intranet技术日趋成熟，设备网络化及普适计算模式的概念不断形成，新投入的自动化系统及管理网络开始广泛地采用TCP/IP网络技术，新的自动化控制与通讯国际标准也不断出台。这就要求新型的RTU能够充分利用现有通信资源，提高数据的吞吐量，保证系统的实时性，同时又具有更好的开放性、兼容性。为适应这一发展潮流，本文遵照国际电工委员会IEC 60870-5-104通信标准，设计了一套基于嵌入式Internet技术的通用型RTU-Webit-GRTU，可在任何Internet/Intranet的结点上对Webit-GRTU系统进行全面的远程访问，为传统RTU低成本更新换代开辟了一条途径。

1 嵌入式Internet技术与Webit

嵌入式Internet技术是一种设备接入技术或者说是一种异种网络互连技术，它主要解决的问题是通过Web和嵌入式技术实现从不同的子网、不同物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、管理及维护等操作，使用户对接入到Internet上的各种设备或其他类型的子网具有远程监控、诊断和管理的能力。图1为采用了嵌入式Internet技术的Webit与电视机、摄像机、UPS、RTU等设备绑定后联入互联网的一个示意图。借助Internet，打破地理上的障碍，实现全球化的通信和控制。

Internet通信协议对计算机系统的CPU速度、存储器容量等的要求较高，用于PC机系统不存在任何困难，但是用于自身资源受限的嵌入式系统就必须根据需要有所取舍，合理选择通信协议的实现和处理方案。Webit根据嵌入式系统的特点，在实时内核WebitX 2.0基础上对TCP/IP协议簇中的各层协议做了不同程度的裁减，结构小巧、成本低廉、性能可靠，同时拥有高速、开放、实时的强大网络通讯能力。

2 IEC 60870-5-104通信规约及TCP/IP协议栈

IEC 60870-5-104通信标准是“采用标准传输文件集的IEC 60870-5-101网络访问”的远动传输规约标准。

它是根据IEC 60870-5的系列文件，将IEC 60870-5-101的应用层与TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)提供的传输功能相结合而形成的通信标准。

通过这个标准，在TCP/IP的框架内，可以根据实际应用需要，运用到不同的网络类型，包括X.25、FR(Frame Relay) 、ATM(Asynchronous Transfer Mode)和ISDN(Integrated ServiceData Network)。图2为IEC 60870-5-104将IEC 60870-5-101与TCP/IP协议簇相结合而形成的标准结构示意图：由于IEC60870-5-101中未采用应用规约控制信息(APCI)，因此IEC60870-5-104 中的应用规约数据单元(APDU) 相当于IEC60870-5-101 中的应用服务数据单元(ASDU) ， 并且IEC60870-5-104还对应用规约控制信息(APCI)作了定义，所以APDU是ASDU与APCI的结合。APCI的控制域定义了防止报文丢失和重复的控制信息，以及对报文的开始、停止和传输连接的监控。

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3 设计与实现

3.1 设计思想

RTU作为一种远程测控智能装置，与Webit绑定后应将RTU与Webit的功能充分发挥出来，实现现场设备和Internet的透明互联，将设备和网络真正融合在一起。智能、简便、可靠、通用、开放是这套RTU系统的基本设计思想：(1) Webit-GRTU在通讯实现上严格遵循IEC 60870-5-101/104通信规约，兼容所有标准的工业自动化工作站软件;提供API、ActiveX、OLE、DDE、OPC、COM、DCOM、ODBC等技术支持;能方便地与各种自动化控制系统互联，组成强大的SCADA系统。(2) 采用通讯和控制分开的体系结构。数据采集和控制采用内部扩展总线，根据系统的复杂程度不同，进行灵活的组合，独立地完成逻辑控制。RTU通讯部分采用单独的微控制器，并根据不同的通讯规约下载不同的软件，便于软件升级及扩展。(3) 使用简便。通过嵌入式WEB服务器，技术人员在提示帮助下，通过IE或Netscape浏览器设置所有参数;并可通过仿真软件，模拟现场情况，便于调试和培训。(4) 通用性强，既可广泛用于控制相对简单的普通民用设施，也可应用在恶劣环境下的复杂控制中。

3.2 Webit-GRTU体系结构

Webit-GRTU采用通讯和控制分开的体系结构。Webit-GRTU的数据采集与控制输出部分采用了INTELMCS80C196芯片，完成遥信、遥测、电能脉冲记数及遥控输出等功能，采用16 bit数据总线。

Webit-GRTU通讯模块则是以Atmel公司的AT90S8515微控制器为核心，配以RealtekRTL8019AS 10M以太网接口芯片，具有RJ-45接口、14位TTL电平双向I/O、UART口和ECP系统编程口，如图3所示。图中软件结构主要包括：实时内核WebitX 2.0、thin TCP/IP协议栈和RSC(Remote System Control)。其中RSC主要用于系统参数设置、电源监测，系统的远程复位和启动;thin TCP/IP协议栈包括ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、HTTP、TFTP、SNMP等协议。另外，外部设置了SEEPROM存储器，用于存放用户数据，如系统参数、HTML网页、GIF和JPEG图像等，由WebitX 2.0的文件系统来管理。系统有RS-232、RS-485串行通讯接口，数据传输率在300~57 600之间选择，以IEC 60870-5-101通讯规约通讯;以太网通讯速率为10 Mbps，支持标准的TCP/IP协议，以IEC 60870-5-104通讯规约通讯。

通讯模块和数据采集控制模块的数据交换通过IDT7130开辟公用内存区进行。这是一种高速双口静态RAM，片内含总线仲裁电路，有两套独立的控制和地址总线，适用于CPU间大量数据快速双向传递。

公用内存区则主要用于存放RTU遥信、遥测等四遥信息。

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4 典型应用

图4是某钢厂LF(Laddle Furnace)精炼炉控制系统的网络结构拓扑图，它是Webit-GRTU的一个典型应用(由于该控制系统比较庞大与复杂，本文主要针对Webit-GRTU的控制部分)。

4.1 工艺

Webit-GRTU控制该系统的喂丝机部分，它与LF炉本体控制PLC、上料控制PLC以及操作员站处于同一TCP/IP局域网络中。在钢水精炼过程中，LF炉要不断地通过喂丝机来添加金属复合材料。而金属添加量因钢水的品种和成份含量的不同而不同，并要求随精炼时间的推移不断进行调整。其作业现场温度高、电弧干扰强、环境恶劣，不适合手工现场操作。

一方面，Webit-GRTU自身可以通过内置软件实现喂丝机的智能控制和人工控制，调整喂丝机的喂丝速度和时间间隔，另一方面，Webit-GRTU需要和LF炉本体控制系统保持通讯，不断地接受钢水品种、成份、精炼时间及其他相关参数和指令，优化喂丝机的控制过程。

4.2 性能分析

本系统中的主站通讯全部采用TCP/IP网络结构，分布式I/O采用PROFIBUS现场总线结构。Webit-GRTU、Intouch监控系统、Siemens PLC S7-400等之间无需中间转换装置便能较好地协同工作、交互数据。其中Webit-GRTU发挥了独立智能控制及协调能力，并经受住钢厂恶劣环境的考验。

比较原来使用Modbus通讯的RTU，每个操作站和服务器接收RTU数据都要配置专门的Modbus通讯模块和通讯软件，而使用Webit-GRTU，通过ActiveX、DDE、OPC很方便的将RTU控制和PLC控制系统融为一体，无须额外的软硬件投资。Webit-GRTU采用了RTL8019AS 10M以太网卡，经测试，单字节传输速率一般在720μs左右，与传统的RTU串行传输方式相比，速度提高了30~100倍左右。实际应用中，操作站画面的数据扫描周期由原来的5~10 s缩小到2 s以内，完全符合工艺控制要求。同时Webit-GRTU突破了传输距离的限制，通过网关和路由，可以将信息传递到Internet网的任一角落。

5 结论

Webit-GRTU不仅遵循IEC 60870-5-101/104通讯规约，较好地解决了设备之间的互联及升级问题，而且将RTU的通讯速率提高到了微秒级，保证系统的实时性。实践证明，Webit-GRTU具有网络布线简捷，可扩展性好，抗干扰能力强。它为传统RTU低成本更新换代提供改造参考，通过统一的Internet/Intranet网络覆盖全部智能设备，为实现管控一体化的透明工厂思想开辟了一条有效途径。