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    王志強（1973－）
男，湖北人，工程師，（武漢煙草集團武漢卷煙廠，湖北 武漢  430000）,畢業于合肥經濟技術學院（今中國科技大學）工業自動化專業，現任武煙集團武漢卷煙廠電氣主任工程師。

摘要：工業以太網是一種新興的行業技術，在保持了早期現場總線的技術特點的同時，融入了大量最尖端的信息技術。目前它已經成為了下一代工業產品中最具有發展潛力和特點的技術。本文簡要介紹了關于傳統以太網和工業以太網的各項技術特點和基本概念，針對這門新技術在實際中的運用，提出了一些實際看法。并且較詳細的描敘了國內第一條工業流水線的安裝，實施，調試和最終使用的過程，對于其中的很多問題都給出了具體的解決方案。

關鍵詞：以太網絡；工業以太網絡；工業級服務器；數據介質；網絡層次結構；交換機；IGMP；現場總線；存儲介質；IGMP；EtherNet/IP

Abstract: The industry ethernet is one emerging profession technology, maintaining the technical characteristic of the field bus in the early time, and integrating the massive most state-of-art information technology. At present it already became one technology with the most developing potential and characteristic in the next generation of industry product.This article introduces briefly about the traditional ethernet and the industry Ethernet, their technical characteristics and the basic concepts, and meanwhile in view of the practical applications of the industrial Ethernet technology , proposes some actual views. More detailed description is given about the process from instalment, implementation, debug and final application of the first domestic industry assembly line and the solution to a lot of problems occurring during the whole process.

Key words: Ethernet；industrial ethernet；industrial server；data medium；network hierarchical structure；switchboard；IGMP field bus；storage medium； EtherNet/IP

1 前言

    眾所周知，開放性、互聯互通性是自動化廠商與IT廠商的共同目標，使用標準TCP/IP以太網將有利于自動化廠商與IT廠商的合作和整合，有利于為用戶提供真正意義上的完整解決方案。工業自動控制系統分為三個層次——信息層、控制層和設備層，現在EtherNet/IP已經在工廠自動控制信息層上得到廣泛使用，并且也已經大量應用到控制器實時聯鎖層。在IO設備層，EtherNet/IP已經進入并且實現了成功的案例。作為CIP技術最新發展的EtherNet/IP工業以太網，一個特別的好處就是使用標準TCP/IP以太網技術。這意味著，EtherNet/IP工業用戶能直接受益于標準TCP/IP以太網的持續創新、功能增強和成本降低等帶來的好處。并且，EtherNet/IP產品生產商可以自由、自主地選擇任何符合工業要求的TCP/IP以太網ASIC進行開發和生產。在EtherNet/IP產品開發和制造中，中國廠商和全球范圍內的其他廠商完全站在同一條起跑線上。在武漢煙草集團武漢卷煙廠2400KG/H黃鶴樓精品生產線上，武漢卷煙廠選擇了工業自動化解決方案供應商羅克韋爾自動化公司（Rockwell Automation）的EtherNet/IP，基本實現了“一網到底”的思路。

2 應用情況

    武漢卷煙廠2400Kg線是一條剛剛投產的試驗線，整個試驗線分為：葉片處理線、切絲處理線、混絲處理線和加香處理線四個控制工藝段，每個工藝段包含一組主控柜、1臺現場操作站、部分智能化單機設備、多個構件單元分布式控制箱和分布式安裝的變頻器，主控制器采用ControlLogix處理器安裝于控制柜內，中央集控采用分布式RSView SE系統。

    2.1   系統構成

    控制網絡采用羅克韋爾自動化公司的EtherNet / IP工業以太網，主干網采用光纖環網形式，分支使用星形連接，各控制PLC、現場操作員終端、獨立的控制系統（如切絲機、電子秤）以及集中監控層的集中段監控機通過工業以太網交換機連接到工業以太網上進行通訊，實現數據、信息共享。分布式I/O、變頻器、軟啟動器通過工業以太網與PLC連接；智能設備儀表如水分儀、流量計等采用DeviceNet連接；現場執行機構（如電機、控制閥等）和檢測器件（如光電管、接近開關、溫度變送器、壓力變送器等）信號接入現場分布式I/O。

    主要設備包括以下設備：

    ● 18塊1756 ENBT

    ● 3塊1788 ENBT

    ● 7塊Logix5555系列PLC 

    ● 4塊FlexLogix系列PLC 

    ● 10臺電子秤(SLC500+Ethernet/IP)

    ● 50臺 Flex IO 站點

    ● 76臺 PowerFlex變頻器
   
    ● 2臺冗余HMI/數據服務器（RSView SE Server，雙網卡）

    ● 7臺現場操作站（RSView SE Client）

    ● 5臺中控多功能終端工作站（RSView SE Client）

    ● 1臺Oracle數據庫服務器（雙網卡）

    ● 1臺域控制器（雙網卡）

    ● 1臺Web數據采集、發布服務器OPC（RSOPC Gateway，雙網卡）

    2.2   網絡結構

    光纖環網主要由可網管的帶光纖端口的工業以太網交換機、光纜和光連接設備組成。主干交換機之間通過多模光纖組成的100M冗余環網作為主干網，作為監控層與控制層、控制器件間的通訊鏈路；應用光纖的長距離傳輸、高抗干擾能力和交換機具備的快速生成樹功能，由五臺可網管的工業以太網交換機構成冗余環網結構；交換機分別布置在集中控制室、葉片段、切絲段、混絲/烘絲段和加香段。其中，中控室交換機工作在冗余管理模式，實時檢測環網的工作狀況，在環網鏈路出現故障時實施鏈路切換，環網線路恢復時間小于500毫秒。

　　網絡拓撲結構如圖2所示。

圖 2

圖3

    處于核心數據層的是PLC節點，工控計算機和服務器節點，所有的數據交換幾乎都放在同一層次的網絡上，不分主次，這樣的好處是真正做到了開放式，所有的數據源和數據采集節點都是對等的。在實際調試中，這種網絡結構非常方便，充分體現了以太網開放性。

    但VLAN設置也帶來了在現場調試的復雜性，每次更改設置都會帶來整個網絡的通訊暫停。其缺點也顯而易見，數據介質的公用使得數據通道很擁塞，權限分工的不清晰，造成數據源長期處于繁忙中，數據的發送接收沒有優先等級，對不同的需求和不同的優先級不能兼顧，造成系統效率低下。在系統投入運行后，通訊不穩定使生產線停機，經過分析主要是光纖環網交換機VLAN控制和IGMP處理能力不足，造成網絡負載過重。

    網絡設備的處理能力限制了VLAN的發揮，在實際使用過程中，由于工業網絡的節點設備需要占用大量的網絡時間，即會發出大量的實時包，用于保證工業控制的實時性，但是每個包會非常小，甚至于是幾個字節的微小變化控制指令，這對于網絡的帶寬要求極小，但是對于網絡節點設備的處理能力要求很高。一般網絡節點交換機的處理能力是255個組波播組，當采用VLAN時，很有可能超出這個能力，工業以太網絡的節點設備基本都采用Multicastwave方式。這樣，很容易造成交換機的崩潰。

    另外，對于自動化流水線來說，最重要的是保證流水作業和工序的不間斷性，如果一旦出現故障，那么虛擬網技術需要相當長的時間來恢復，更換交換機，配置網絡，而且很有可能從一個網段擴散到其他的地方，從而影響整個網絡。實際上，對于工業生產，穩定是最重要的。實時控制對于工控非常重要，而系統的癱瘓或者擁堵哪怕是幾秒鐘對于流水作業來說都是災難。而且對于故障設備的生產中最優效率時間維護是多么的重要，能夠讓流水線迅速的恢復正常遠遠比了解故障的詳細狀況和徹底分析解決問題要重要并實際得多。

    綜上所述，我們放棄VLAN,而采用穩定的物理分層結構，這樣我們的維護工作變得簡單高效。

    3.2   工程設計分析

    工程設計是整個工程的一個關鍵所在，在一個自動控制流水線的初始設計階段，就應該充分考慮，電氣設備的分布密度，數據傳輸介質的網絡結構和規模，對于數據傳輸的極限，物理介質距離和相互之間電源、電磁干擾，以及網絡優化，分布策略等等。具體來說，比如網絡數據包的數量將會決定節點交換機的選型，電氣設備的數據量將會決定網絡傳輸設備和傳輸介質的具體參數型號。

    3.3   電氣施工分析

    電氣安裝施工是整個工程的另一個關鍵。重要設備的安裝，走線，比如變頻器的走線和接線方式，必須采取有效方式降低諧波干擾對設備的影響。強電和弱電信號線必須分開布局，專業的網絡介質需要專業的器材和制作工具來安裝，還需要采用專業的測試工具來檢測各項質量指標。電源干擾和設備節點接地問題也必須重點考慮。

4 總結

    Ethernet/IP工業網絡解決方案的出現，對工業領域具有十分重要的意義，不僅提供了從設備層到企業信息網絡層的一整套無縫整合系統，更重要的是，它建立在標準以太網技術平臺之上，已為眾多的技術人員所熟悉，保證了其今后會隨著以太網技術的發展而得到進一步創新。作為一個日漸流行的開放標準，EtherNet/IP的技術優勢可滿足自動化領域的廣泛需求。更可以為工業自動化提供一個整體的、高性價比、易于升級的解決方案。在武漢煙草集團武漢卷煙廠2400KG/H黃鶴樓精品生產線上的應用EtherNet/IP，取得了良好效果。

作者信息:

    王志強，李  軍  （武漢煙草集團武漢卷煙廠，湖北 武漢  430000）