一种基于嵌入式Internet技术的通用RTU设计，为传统RTU低成本更新开辟一条途径
针对传统rtu通讯速率低、通讯规约不统一、系统不开放，分析了在iec 60870-5-104通信规约的基础上，结合嵌入式internet技术，设计了一套开放、灵活、可靠的webit-grtu体系结构。通过实例验证了设计目标，为传统rtu低成本更新换代开辟了一条途径。
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。
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realtek rtl8019as 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。
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。
综合布线系统的常见误区
智能照明产业呈现高速发展趋势 未来前景广阔
RFID走热，设计机会将会激增
精密光纤激光打标机之光纤激光器的优点介绍
三星才发布1.08亿像素手机传感器就出事 张艺兴与三星解约
一种基于嵌入式Internet技术的通用RTU设计，为传统RTU低成本更新开辟一条途径
2018年十大模拟IC供应商 德州仪器继续领跑
LED工程中的简易计算方法
乔布斯为何痛恨Flash？真相是这样的
以太网供电设备控制电路设计详解 —电路图天天读（154）
基于工控机的3D打印机在很多领域都有着重要应用
采用DSP或FPGA实现的数字系统的比较与选择
人工智能时代 疫病确诊速度不断加快
怎样使用XCTU将XBee无线模块连接到ArduinoUn 并配置地址和网络
有什么方法可以清除装修甲醛，空气净化器必不可少
矿炼真金色，终见菩提心：首个商用的矿山大模型是怎样炼成的？
为了设备安全和利益！苹果iOS10.3要封杀非MFi认证配件
科学家发明新方法，可识别各种拓扑不变量的量子态
LEM HLSR系列电流传感器国产替代介绍：芯森电子AN3V系列
电动机缺相保护的应用实例
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。
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realtek rtl8019as 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。
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。
综合布线系统的常见误区
智能照明产业呈现高速发展趋势 未来前景广阔
RFID走热，设计机会将会激增
精密光纤激光打标机之光纤激光器的优点介绍
三星才发布1.08亿像素手机传感器就出事 张艺兴与三星解约
一种基于嵌入式Internet技术的通用RTU设计，为传统RTU低成本更新开辟一条途径
2018年十大模拟IC供应商 德州仪器继续领跑
LED工程中的简易计算方法
乔布斯为何痛恨Flash？真相是这样的
以太网供电设备控制电路设计详解 —电路图天天读（154）
基于工控机的3D打印机在很多领域都有着重要应用
采用DSP或FPGA实现的数字系统的比较与选择
人工智能时代 疫病确诊速度不断加快
怎样使用XCTU将XBee无线模块连接到ArduinoUn 并配置地址和网络
有什么方法可以清除装修甲醛，空气净化器必不可少
矿炼真金色，终见菩提心：首个商用的矿山大模型是怎样炼成的？
为了设备安全和利益！苹果iOS10.3要封杀非MFi认证配件
科学家发明新方法，可识别各种拓扑不变量的量子态
LEM HLSR系列电流传感器国产替代介绍：芯森电子AN3V系列
电动机缺相保护的应用实例