导语：本文介绍了一种运用工业以太网技术的过程控制系统及其网络应用层协议的设计思想。控制系统的网络架构分为两层；以太网节点的硬件基于ARM7内核的处理器；软件基于uClinux嵌入式操作系统；网络的应用层协议自行定义，由C语言实现。经现场运行调试，控制系统和以太网节点均能稳定运行，且应用层协议的实时性及容错性是能够得到保障的。

关键词：工业以太网，控制系统，网络架构，通信，应用层协议

引言：

近年来，以计算机、通信、网络等信息技术迅速发展，对于从生产现场到管理中心再到全球市场各个领域都有了深远影响。因此，我们需要建立一个综合自动化网络平台，将包括从工业现场设备到控制设备和管理设备等每一部分都通过信息交换紧密连接起来。这就需要我们建立起一个基础设施，这个基础设施就是工业控制网络技术。

现在，以太网正悄然进入了我们的视野，它不仅在企业内部管理上下级之间进行通信，而且越来越多地被用于直接与下级即使是最基本的小型电子设备之间进行数据传输。在这个过程中，我们发现传统商业用的TCP/IP并不能完全满足我们的需求，因为它对实时性的要求不足，以及对于环境条件（如电磁干扰）的适应能力有限。因此，我们需要在原有的基础上再次设计一种新的应用层协议，使其更加适合于特定的工业环境。

国际上已经有一些标准，如Ethernet/IP、Modbus-IDA、Profinet等，但这些标准虽然成熟但也存在一些问题，如复杂性高门槛大以及配套成本较高。而我们这里提出的方案，是为了那些不需要那么复杂结构也不要求成本昂贵的大型项目而设计的一种简洁、高效且经济实惠解决方案。

1 控制系统架构

1.1 网络架构

图 1 控制系统结构图

图中展示了我们的控制体系由两个部分组成，一部分是监控站，即PC，它负责整个体系中的指挥调度工作；另一部分是由若干个以太网节点组成，这些节点位于现场，他们负责接收来自监控站命令，并将这些建议转化为实际行动给予现场设备执行。

1.2 以太网节点硬件

CPU为三星公司基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X处理器，其通信功能则依赖于RTL8019AS芯片。

图2 以太网节点硬件结构图

1.3 以太网软件结构

最底下的Bootloader完成初始化并将权限交给操作系统uclinux。此外，由于uclinux自带支持TCP/IP，所以开发者可以方便地利用其提供的一系列API进行编程。

图3 以 太 网 节 点 软 件 结 构 图

2 应用层协议设计

2.1 概述

此处提到的新应用层协议主要是在原有TCP/IP之上的进一步扩展，它允许不同类型和数量繁多的地理位置分布广泛的地理区域间进行无缝交流，同时保证了数据传输速度快准确可靠。

2.2 基本概念

类ID: 用于识别不同的类型或类别;

对象ID: 每个类别中的具体对象;

关联节点: 允许同一时间只能关联十个其他点;

配置软件通过串口与PC相连，与PC上的配置软件通过特定的命令进行设置参数;握手阶段分为两步骤：

首先发送握手信号，然后主动回应确认信号;

如果成功，则继续向下一步骤去设置IP地址;然后对所有相关设备做出必要的手动调整或者自动同步至当前设定值;最后检查是否一切正常启动后开始工作;

第二步骤涉及与监控站或其他相关单位沟通，不论哪一步只要发生故障，就立即停止工作并发送错误报告;

3 实施结果分析：

经过长期测试，本方案得到了很好的效果。一方面由于采用的是uClinux作为操作平台，因此节省了大量资源，可以使得单板电脑小巧轻便同时保持性能良好；

另一方面，由于是根据实际情况自定义了一套简单易懂又具有强烈实时性的规则，使得整个流程变得顺畅可靠，从而极大提高了效率减少了维护难度.

文章内容要点总结：

本文提出了一种新的工业以太網應用層協議，该協議通過簡單有效並且實時性的方法來滿足工業應用的特殊需求，並且這種方法對於資源限制較大的設備也是非常適用的。此外，這種協議設計為應對未來可能會遇到的技術挑戰打下基礎，並確保系統穩定運行。