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案例頻道 摘 要：本文結合德昌復烤廠12000kg/h打葉復烤線電氣控制系統(tǒng)詳細闡述了工業(yè)以太網在自動化控制領域的應用狀況以及發(fā)展前景。
關鍵詞：打葉復烤 ; 工業(yè)以太網 ; 自動化控制
Abstract: This paper combined with the auto-control system which applied in Dechang Threshing&Redring factory , it also mainly introduces the application of the Industrial Ethernet in the field of auto-control and its development in the future.
Key words: Threshing&Redring; Industrial Ethernet ; Auto-control
1 前言
計算機和網絡技術的發(fā)展，引發(fā)了控制領域深刻的技術變革。控制系統(tǒng)結構向網絡化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術發(fā)展的主要潮流。以太網作為目前應用最為廣泛的局域網技術，在工業(yè)自動化和過程控制領域得到了越來越多的應用。本文以德昌復烤廠12000kg/h打葉復烤線為例詳細介紹了美國Rockwell公司的EtherNet/IP工業(yè)以太網在本控制系統(tǒng)中的應用。
2 EtherNet/IP工業(yè)以太網概述
EtherNet/IP由美國Rockwell公司定義，并由ODVA和ControlNet International兩 大國際組織支持推廣，具有以下特點：
（1） EtherNet/IP網絡采用標準的IEEE802.3u以太網和TCP/IP協(xié)議。因此EtherNet/IP可以采用符合工業(yè)要求的商業(yè)以太網通信芯片、物理介質和各種拓撲結構。
（2） EtherNet/IP協(xié)議由IEEE802.3物理層標準、TCP/IP協(xié)議組和通用工業(yè)協(xié)議CIP等三個部分組成。前面兩個部分為標準以太網技術，在應用層采用和ControlNet、DeviceNet控制網絡相同的適合實時工業(yè)控制的通用工業(yè)協(xié)議CIP。CIP一方面提供實時I/O通信，一方面實現(xiàn)信息的對等傳輸。CIP協(xié)議采用了面向對象的方法去設計網絡設備，基于“對象”技術編程和設備組態(tài)。
（3） EtherNet/IP能滿足從高精度時間同步、分布式伺服控制、離散控制、過程控制到安全系統(tǒng)等工業(yè)應用要求。
（4） 支持現(xiàn)場和遠程監(jiān)控、診斷和組態(tài)，可使用其他標準TCP/IP以太網上的服務如HTTP、SNMP、SMTP等。
（5） 從EMC、安裝防護等級各方面做出規(guī)定，保證EtherNet/IP產品適應嚴格的工業(yè)環(huán)境。
3 應用狀況
德昌復烤廠隸屬四川三益煙草有限責任公司，是2008年新建廠區(qū)，其整個控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場設備層、過程監(jiān)控層、信息管理層三層結構，基于EtherNet/IP工業(yè)以太網組成全分布式控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)從底層的現(xiàn)場設備層到過程監(jiān)控層、信息管理層全部采用以太網，實現(xiàn)了以太網的“一網到底”。系統(tǒng)網絡結構如圖1所示。
圖1 德昌復烤廠控制系統(tǒng)網絡結構圖
3.1 現(xiàn)場設備層
現(xiàn)場設備層主要功能是完成車間級生產信息及產品質量信息的管理。德昌復烤廠生產車間全線電控系統(tǒng)采用總線方式控制，即采用主控柜與現(xiàn)場分布式I/O箱相結合的控制模式。車間分為真空回潮、預處理、打葉等多個工藝處理段，每一工藝段由主控柜（含PLC與變頻器、電源開關等器件）、控制子站（放置在生產現(xiàn)場）、現(xiàn)場操作站等組成。
3.1.1 主要電氣元器件選型
PLC選用A-B公司CONTROILOGIX系列產品1756－L63處理器；變頻器選用A-B公司POWER FLEX 700系列產品；遠程I/O選用A-B公司的1794-AENT系列產品;現(xiàn)場操作站選用A-B公司的2711P系列產品；交換機選用N-TRON公司SC接頭系列產品。
3.1.2 以太網傳輸方式
各個子站、變頻器、現(xiàn)場操作站與主站通訊采用AB公司工業(yè)以太網絡EtherNet/IP,每個工藝段均采用有源星型拓撲結構，所有設備以點對點的方式直接與交換機建立連接，星型拓撲結構使得節(jié)點設備之間的連接更為簡捷，為故障診斷和后期維護都帶來了方便。傳輸介質采用超五類屏蔽雙絞線或者光纖（傳輸距離超過100米時使用），傳輸速率可達百兆。較之以前的ControlNet和DeviceNet系統(tǒng)，Ethernet解決了長線傳輸、數(shù)據傳輸速率和電磁干擾等問題。
3.2 過程監(jiān)控層
3.2.1 硬件組成
過程監(jiān)控層實現(xiàn)對生產線的實時監(jiān)控、質量管理與生產數(shù)據采集。車間中央監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分由監(jiān)控計算機4臺、質量管理計算機1臺、工程師管理計算機1臺、數(shù)據采集服務器2臺以及N-TRON公司的9臺508FX2-A-SC-S網絡交換機組成。
3.2.2 各組件功能
監(jiān)控計算機實現(xiàn)對現(xiàn)場各相應工藝控制段運行狀況進行監(jiān)視以及對工藝參數(shù)進行調整。
質量管理計算機將檢測數(shù)據確認、存儲、處理后將部分數(shù)據下發(fā)給各控制工藝段，在人機界面上顯示質量信息，提示現(xiàn)場操作人員；跟蹤每一批次的生產情況，在每一批次的生產過程中實時計算出水份、溫度參數(shù)平均值、最大值、最小值、合格率，電子秤流量參數(shù)的平均值、最大值、最小值。
設置一臺工程師管理計算機，安裝PLC編程軟件Logix5000，用于對各條生產分線的相關PLC控制程序進行維護、修改。
數(shù)據采集服務器主要通過冗余的環(huán)型光纖以太網采集現(xiàn)場控制各控制單元的數(shù)據及向各控制單元下達工藝參數(shù)和控制指令。數(shù)據采集服務器采用冗余方式，以保證當一個數(shù)據采集服務器或局域網連接中斷時，客戶機能自動的從一個路徑轉到另一路徑。
3.3 信息管理層
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息管理層大都采用以太網。德昌復烤廠的信息管理層由生產調度計算機、數(shù)據庫服務器、網絡打印機、Web服務器及N-TRON公司的1臺517FX-A-SC-S網絡交換機組成。
德昌復烤廠采用最近網絡應用熱點：基于Web的網絡監(jiān)控平臺。在企業(yè)內部，可以利用企業(yè)信息網絡，進行工廠實時運行數(shù)據的發(fā)布和顯示，管理者通過Web瀏覽器對現(xiàn)場工況進行實時遠程監(jiān)控、遠程設備調試和遠程設備故障診斷和處理。
3.4 系統(tǒng)流量控制
為保證工業(yè)以太網的實時性和可靠性我們可以通過以下技術來進行網絡流量控制：
（1） 利用虛擬局域網技術。通過虛擬局域網將每個工藝段劃為一個獨立的虛擬局域網，各主控PLC另外配置一塊以太網通訊模塊與過程監(jiān)控層劃為一個虛擬局域網實現(xiàn)數(shù)據采集。這樣每個虛擬局域網各設備之間的通訊數(shù)據包限制在本虛擬局域網內，從而降低整個網絡的負載。
（2） 利用IGMP（Internet Group Management Protocal）技術。EtherNet/IP的應用層采用CIP協(xié)議，CIP協(xié)議采用生產者/消費者通訊模型，系統(tǒng)中生產者數(shù)據可被多個消費者同時接收，生產者/消費者模型不但提高了網絡帶寬的使用效率，而且還可以保證多個消費者同步接收同一數(shù)據。EtherNet/IP使用組播實現(xiàn)生產者/消費者模型所要求的功能，如果進行流量控制，要求交換機必須支持組播功能。我們在系統(tǒng)的管理型交換機上開啟了IGMP Snooping功能，對組播數(shù)據包只轉發(fā)到需要此組播數(shù)據包的端口，有效地節(jié)約網絡帶寬、降低網絡負載。
3.5 系統(tǒng)安全設計
以太網的開放互連使網絡安全成為不可忽視的問題，這直接涉及到現(xiàn)場的生產質量及設備人員安全，因此我們采取了以下安全措施：
（1） 將廠級網和車間各生產網段設置為不同的IP網段，通過服務器的雙網卡實現(xiàn)隔離。
（2） 通過PLC編程和網管軟件對網絡狀況進行實時診斷監(jiān)控，并將其整合到系統(tǒng)監(jiān)控畫面中，具備必要的報警功能。
（3） 采取鑒權措施，屏蔽非法網絡訪問，根據職責分配用戶操作權限，系統(tǒng)數(shù)據庫能自動記錄系統(tǒng)操作及設備工藝參數(shù)修改事件，做到操作可查詢可追溯。
4 應用前景
以太網技術引入自動化控制領域，其技術優(yōu)勢非常明顯：
（1） Ethernet是全開放、全數(shù)字化的網絡，遵照網絡協(xié)議不同廠商的設備可以很容易實現(xiàn)互聯(lián)。
（2） 軟硬件成本低廉，由于以太網技術已經非常成熟，支持以太網的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶選擇。
（3） 通信速率高，隨著企業(yè)信息系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來越大，有時甚至需要音頻、視頻數(shù)據的傳輸，目前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網開始廣泛應用，千兆以太網技術也逐漸成熟，10G以太網也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)場總線快很多。
（4） 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。
德昌復烤廠12000kg/h打葉復烤線電氣控制系統(tǒng)采用EtherNet/IP工業(yè)以太網通信技術將企業(yè)的三層網絡系統(tǒng)，即現(xiàn)場設備層、過程監(jiān)控層、信息管理層合成一體，使數(shù)據的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據的共享，提高了工廠的運作效率。整個系統(tǒng)自使用以來已經以其成本低、可靠性強、傳輸速度快、維護簡便等優(yōu)點得到用戶的好評，這一成功案例也證明實時工業(yè)以太網技術在自動化控制領域的發(fā)展前景極為樂觀。
參考文獻
[1]徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網的工業(yè)控制網絡[J].信息與控制,2000年4月,第29卷,第2期
[2] Rockwell公司EtherNet/IP產品樣本.
[1]徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網的工業(yè)控制網絡[J].信息與控制,2000年4月,第29卷,第2期
[2] Rockwell公司EtherNet/IP產品樣本.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號