以太網(wǎng)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

2009年06月02日 17:04:56人氣：729來源：煙臺勾股通信技術(shù)有限公司

一引言
以太網(wǎng)產(chǎn)生于1973年，當(dāng)時，施樂公司的Bob Metcalfe在一張餐巾紙上勾畫出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現(xiàn)在還保存在施樂公司的Palo Alto研究中心。zui初的Ethernet標(biāo)準(zhǔn)通訊速率是2.94Mbps。在施樂公司和In公司、Digital Equipment公司合作開發(fā)了DIX2.0標(biāo)準(zhǔn)后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時期，電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）了Ethernet的CSMA/CD 802.3標(biāo)準(zhǔn)。1983年CSMA/CD 802.3標(biāo)準(zhǔn)正式確定并被采用。近幾年來，隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革，Ethernet逐漸的進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，目前在工業(yè)領(lǐng)域有超過100種通訊協(xié)議被應(yīng)用于各種各樣的工業(yè)計算機平臺之間的數(shù)據(jù)交換，從智能傳感器到參域的監(jiān)控系統(tǒng)都在應(yīng)用Ethernet。Ethernet是目前可用的zui常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因而控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流，以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域?qū)玫搅嗽絹碓蕉嗟膽?yīng)用。
二．以太網(wǎng)技術(shù)介紹及其發(fā)展趨勢
一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層（傳感/執(zhí)行層）。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他網(wǎng)絡(luò)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層，很多的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。以太網(wǎng)之所以給自動化市場帶來風(fēng)暴式的革命，主要有3個原因：（一）低成本的刺激和速度的提高；（二）現(xiàn)代企業(yè)對實時生產(chǎn)信息有越來越多的要求；（三）以太網(wǎng)的開放性和兼容性。
早期的以太網(wǎng)，多節(jié)點共享同一個傳輸媒體，稱為共享以太網(wǎng)（Shared Ethernet），節(jié)點間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突。共享以太網(wǎng)用CSMA/CD技術(shù)來避免沖突，即發(fā)送方檢測到?jīng)_突就暫停發(fā)送，隨機延遲一段時間后再重新發(fā)送直到成功。由于延遲時間是隨機的，不能事先知道，因而共享以太網(wǎng)的時間響應(yīng)具有不確定性，不能用于強實時性場合。
交換以太網(wǎng)（Switched Ethernet）的出現(xiàn)克服了這一缺點，以太網(wǎng)的交換機（Switch）是數(shù)據(jù)鏈路層（ISO/OSI參考模型第二層）的多端口網(wǎng)橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相的節(jié)點，每一節(jié)點單獨與交換機建立物理連接，在通信的時候交換機會在發(fā)送端口與接受端口間建立一個獨占的全雙工通道，它具有以太網(wǎng)的全部帶寬并避免沖突。
交換以太網(wǎng)在獲得確定性的同時，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網(wǎng)已普及，10Gb/s的交換以太網(wǎng)正在開發(fā)。當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時，應(yīng)用層含有HTTP（超級文本傳輸協(xié)議）、FTP （文件傳輸協(xié)議）、SMTP（簡單電子郵件傳送協(xié)議）和net（遠(yuǎn)程登錄）。這些基于TCP/IP的協(xié)議簇已經(jīng)成為工業(yè)界事實上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在不同廠商的不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實時通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將*改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設(shè)備層采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場，也可以位于*控制室。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來越強，在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構(gòu)和開放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱為“透明工廠”。此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結(jié)合起來，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟化的要求。
許多工業(yè)控制系統(tǒng)正在致力于發(fā)展IP和以太網(wǎng)技術(shù)，當(dāng)前快速發(fā)展的信息技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一部分。目前，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展情況如表1所示。
表1 以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展情況

三．串口上網(wǎng)技術(shù)
在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的過程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設(shè)備未具備聯(lián)網(wǎng)能力,在控制指令與設(shè)備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的方案。而串口通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡單、易用，性價比高，是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的理想選擇?，F(xiàn)在市場上已出現(xiàn)MOXA的Nport系列串口上網(wǎng)服務(wù)器。使用MOXA的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠(yuǎn)程的COM端口，不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應(yīng)用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅(qū)動程序支持，Nport 家族可以立即讓串口設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)的能力。Nport 家族設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器包含完整的TCP/IP協(xié)議。它可以把串口數(shù)據(jù)包裝成TCP封包，并轉(zhuǎn)換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機的以太網(wǎng)卡上。主機以自己的TCP/IP協(xié)議解封包后，應(yīng)用程序可以接收到完整的串口數(shù)據(jù)。通過Nport 家族 TCP端口，可不是用驅(qū)動程序，而以TCP/IP Socket來存取串口數(shù)據(jù)。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統(tǒng)。讓串口設(shè)備具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)界面，可提高企業(yè)管理與原作效率。由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程、機動性管理的特性，大大減低系統(tǒng)故障維護(hù)與人力成本，是一個底成本效益的串口設(shè)備管理模式。
四.基于以太網(wǎng)的DCS系統(tǒng)設(shè)計
4．1以某石膏粉生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)為例，原理：石膏粉生產(chǎn)線分破碎、粉磨、炒制及包裝等幾大部分。
破碎：將生料送入一次破碎機中破碎，一次破碎后的生料由提升機送入料倉1中，料倉1下掛有電振機，啟動電振機即可將一次破碎后的生料送入二次破碎機中進(jìn)行二次破碎，二次破碎后的生料由提升機送入料倉2，待料倉2下的電振機啟動即可將破碎后生料送入磨機進(jìn)行粉磨。粉磨：破碎后的生料進(jìn)入磨機進(jìn)行粉磨，粉磨后的粉料由絞刀1#經(jīng)提升機、絞刀2#送入預(yù)熱倉，預(yù)熱倉的粉料再經(jīng)下面雙絞刀3#、4#送入炒鍋進(jìn)行炒制。其中，預(yù)熱倉中粉料的料位由料位傳感器測得，經(jīng)變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道。炒制及包裝：粉料經(jīng)雙絞刀3#、4#送入炒鍋中進(jìn)行炒制，當(dāng)炒鍋中粉料的料位達(dá)到上限值時，停止雙絞刀3#、4#。炒鍋一邊加熱，一邊用攪拌器攪拌粉料，當(dāng)粉料溫度達(dá)溫度設(shè)定值時，啟動閥門電機，粉料泄入料倉3中。當(dāng)炒鍋中粉料的料位達(dá)到下限值時，啟動雙絞刀3#、4#，預(yù)熱倉中的粉料進(jìn)入炒鍋，使炒鍋的溫度低于溫度設(shè)定值，停止閥門電機，粉料進(jìn)入下一輪炒制。料倉3中的熟料，由絞刀5#經(jīng)提升機機送入料倉4，再經(jīng)絞刀6#輸出包裝。其中，炒鍋中粉料的溫度由溫度傳感器測得，經(jīng)變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道；絞刀6#的輸出速度由變頻器控制，以便調(diào)節(jié)其輸出速度。
4． 2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)利用以太網(wǎng)技術(shù)，采用集中管理分散控制的方式。根據(jù)石膏粉生產(chǎn)線破碎、粉磨、炒制及包裝三大部分的控制要求，用三臺CPM1A型OMRON PLC實現(xiàn)控制。本系統(tǒng)選擇1對3串口服務(wù)器。只需在上位機按裝 Windows 2000 native COM 驅(qū)動程序, 給MOXA多串口服務(wù)器設(shè)置IP地址，上位機通過實驗室局域網(wǎng)與MOXA Nport-Server通訊，下位機（PLC）通過RS-232轉(zhuǎn)換器與MOXA多串口服務(wù)器通訊相連，并分配虛擬COM口，上位機組態(tài)軟件需要設(shè)計下位計算機的所有系統(tǒng)組態(tài)程序，建立相應(yīng)的COM3-COM5硬件設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)的人機界面設(shè)置組態(tài)，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以通過訪問上位機實現(xiàn)（與以太網(wǎng)方案相同，需要在組態(tài)軟件上發(fā)布WEB頁面），遠(yuǎn)程計算機可以直接訪問MOXA多串口服務(wù)器的IP地址，直接讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體設(shè)計為破碎站PLC為COM3口，粉磨站PLC為COM4口、炒制及包裝站PLC為COM5口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線方式相比，具有成本低，控制距離遠(yuǎn)（連入網(wǎng)絡(luò)的計算機均可對系統(tǒng)監(jiān)控），易于管控結(jié)合等特點。
4.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計
系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王組態(tài)軟件。因為組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性的客戶服務(wù)器模式，所以客戶服務(wù)器是相對的。按系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架系統(tǒng)有管理站，下位機分破碎站,粉磨站和炒制及包裝站，各工作站分別安裝組態(tài)王網(wǎng)絡(luò)版，以太網(wǎng)構(gòu)架。需在每一工作站組態(tài)王“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”項中選擇聯(lián)網(wǎng)，管理站設(shè)置為登陸服務(wù)器和WEB SERVER服務(wù)器生成需要通過Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控瀏覽的界面，并且需要把本站點上的工程所在路徑下的文件夾設(shè)置為共享方式。然后再在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”項中進(jìn)行“客戶配置”定義本地計算機在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)目蛻艄δ?，并且可充?dāng)多個站點的客戶。一個系統(tǒng)中登陸服務(wù)器只有一個均選擇管理站。進(jìn)行以上配置前提為網(wǎng)絡(luò)中的所有站點均需在網(wǎng)絡(luò)中，并且可以經(jīng)常通訊。網(wǎng)絡(luò)信息傳遞即網(wǎng)絡(luò)變量的引用。組態(tài)王可以對網(wǎng)絡(luò)中的變量直接引用。
五．總結(jié)
從上述案例論述中，我們可以得出以下簡單的結(jié)論：工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢應(yīng)該是分布式、開放化和信息化。分布式的結(jié)構(gòu)是一種能確保網(wǎng)絡(luò)中每個智能的模塊能夠獨立的工作的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到系統(tǒng)危險分散的概念；開放化則是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有與外界的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的連接；信息化則是使系統(tǒng)信息能夠進(jìn)行綜合處理能力，與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化和管控一體化。基于以太網(wǎng)技術(shù)的自動化具有低成本和開放性，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，易于與管理結(jié)合，實現(xiàn)管控一體化。

關(guān)鍵詞：工業(yè)計算機智能傳感器監(jiān)控系統(tǒng)控制系統(tǒng)過程控制

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