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案例頻道 摘 要：本文結合德昌復烤廠(chǎng)12000kg/h打葉復烤線(xiàn)電氣控制系統詳細闡述了工業(yè)以太網(wǎng)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應用狀況以及發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：打葉復烤 ; 工業(yè)以太網(wǎng) ; 自動(dòng)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(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?？刂葡到y結構向網(wǎng)絡(luò )化、開(kāi)放性方向發(fā)展將是控制系統技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應用。本文以德昌復烤廠(chǎng)12000kg/h打葉復烤線(xiàn)為例詳細介紹了美國Rockwell公司的EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)在本控制系統中的應用。
2 EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)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(diǎn)：
（1） EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )采用標準的IEEE802.3u以太網(wǎng)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(wǎng)通信芯片、物理介質(zhì)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(gè)部分組成。前面兩個(gè)部分為標準以太網(wǎng)技術(shù)，在應用層采用和ControlNet、DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò )相同的適合實(shí)時(shí)工業(yè)控制的通用工業(yè)協(xié)議CIP。CIP一方面提供實(shí)時(shí)I/O通信，一方面實(shí)現信息的對等傳輸。CIP協(xié)議采用了面向對象的方法去設計網(wǎng)絡(luò )設備，基于“對象”技術(shù)編程和設備組態(tài)。
（3） EtherNet/IP能滿(mǎn)足從高精度時(shí)間同步、分布式伺服控制、離散控制、過(guò)程控制到安全系統等工業(yè)應用要求。
（4） 支持現場(chǎng)和遠程監控、診斷和組態(tài)，可使用其他標準TCP/IP以太網(wǎng)上的服務(wù)如HTTP、SNMP、SMTP等。
（5） 從EMC、安裝防護等級各方面做出規定，保證EtherNet/IP產(chǎn)品適應嚴格的工業(yè)環(huán)境。
3 應用狀況
德昌復烤廠(chǎng)隸屬四川三益煙草有限責任公司，是2008年新建廠(chǎng)區，其整個(gè)控制系統采用現場(chǎng)設備層、過(guò)程監控層、信息管理層三層結構，基于EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)組成全分布式控制系統，該控制系統從底層的現場(chǎng)設備層到過(guò)程監控層、信息管理層全部采用以太網(wǎng)，實(shí)現了以太網(wǎng)的“一網(wǎng)到底”。系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。
圖1 德昌復烤廠(chǎng)控制系統網(wǎng)絡(luò )結構圖
3.1 現場(chǎng)設備層
現場(chǎng)設備層主要功能是完成車(chē)間級生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。德昌復烤廠(chǎng)生產(chǎn)車(chē)間全線(xiàn)電控系統采用總線(xiàn)方式控制，即采用主控柜與現場(chǎng)分布式I/O箱相結合的控制模式。車(chē)間分為真空回潮、預處理、打葉等多個(gè)工藝處理段，每一工藝段由主控柜（含PLC與變頻器、電源開(kāi)關(guān)等器件）、控制子站（放置在生產(chǎn)現場(chǎng)）、現場(chǎng)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(chǎn)品1756－L63處理器；變頻器選用A-B公司POWER FLEX 700系列產(chǎn)品；遠程I/O選用A-B公司的1794-AENT系列產(chǎn)品;現場(chǎng)操作站選用A-B公司的2711P系列產(chǎn)品；交換機選用N-TRON公司SC接頭系列產(chǎn)品。
3.1.2 以太網(wǎng)傳輸方式
各個(gè)子站、變頻器、現場(chǎng)操作站與主站通訊采用AB公司工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )EtherNet/IP,每個(gè)工藝段均采用有源星型拓撲結構，所有設備以點(diǎn)對點(diǎn)的方式直接與交換機建立連接，星型拓撲結構使得節點(diǎn)設備之間的連接更為簡(jiǎn)捷，為故障診斷和后期維護都帶來(lái)了方便。傳輸介質(zhì)采用超五類(lèi)屏蔽雙絞線(xiàn)或者光纖（傳輸距離超過(guò)100米時(shí)使用），傳輸速率可達百兆。較之以前的ControlNet和DeviceNet系統，Ethernet解決了長(cháng)線(xiàn)傳輸、數據傳輸速率和電磁干擾等問(wèn)題。
3.2 過(guò)程監控層
3.2.1 硬件組成
過(guò)程監控層實(shí)現對生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)監控、質(zhì)量管理與生產(chǎn)數據采集。車(chē)間中央監控系統硬件部分由監控計算機4臺、質(zhì)量管理計算機1臺、工程師管理計算機1臺、數據采集服務(wù)器2臺以及N-TRON公司的9臺508FX2-A-SC-S網(wǎng)絡(luò )交換機組成。
3.2.2 各組件功能
監控計算機實(shí)現對現場(chǎng)各相應工藝控制段運行狀況進(jìn)行監視以及對工藝參數進(jìn)行調整。
質(zhì)量管理計算機將檢測數據確認、存儲、處理后將部分數據下發(fā)給各控制工藝段，在人機界面上顯示質(zhì)量信息，提示現場(chǎng)操作人員；跟蹤每一批次的生產(chǎn)情況，在每一批次的生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)計算出水份、溫度參數平均值、最大值、最小值、合格率，電子秤流量參數的平均值、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(chǎn)分線(xiàn)的相關(guān)PLC控制程序進(jìn)行維護、修改。
數據采集服務(wù)器主要通過(guò)冗余的環(huán)型光纖以太網(wǎng)采集現場(chǎng)控制各控制單元的數據及向各控制單元下達工藝參數和控制指令。數據采集服務(wù)器采用冗余方式，以保證當一個(gè)數據采集服務(wù)器或局域網(wǎng)連接中斷時(shí)，客戶(hù)機能自動(dòng)的從一個(gè)路徑轉到另一路徑。
3.3 信息管理層
傳統的控制系統在信息管理層大都采用以太網(wǎng)。德昌復烤廠(chǎng)的信息管理層由生產(chǎn)調度計算機、數據庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )打印機、Web服務(wù)器及N-TRON公司的1臺517FX-A-SC-S網(wǎng)絡(luò )交換機組成。
德昌復烤廠(chǎng)采用最近網(wǎng)絡(luò )應用熱點(diǎn)：基于Web的網(wǎng)絡(luò )監控平臺。在企業(yè)內部，可以利用企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行工廠(chǎng)實(shí)時(shí)運行數據的發(fā)布和顯示，管理者通過(guò)Web瀏覽器對現場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠程監控、遠程設備調試和遠程設備故障診斷和處理。
3.4 系統流量控制
為保證工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性我們可以通過(guò)以下技術(shù)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )流量控制：
（1） 利用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)。通過(guò)虛擬局域網(wǎng)將每個(gè)工藝段劃為一個(gè)獨立的虛擬局域網(wǎng)，各主控PLC另外配置一塊以太網(wǎng)通訊模塊與過(guò)程監控層劃為一個(gè)虛擬局域網(wǎng)實(shí)現數據采集。這樣每個(gè)虛擬局域網(wǎng)各設備之間的通訊數據包限制在本虛擬局域網(wǎng)內，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的負載。
（2） 利用IGMP（Internet Group Management Protocal）技術(shù)。EtherNet/IP的應用層采用CIP協(xié)議，CIP協(xié)議采用生產(chǎn)者/消費者通訊模型，系統中生產(chǎn)者數據可被多個(gè)消費者同時(shí)接收，生產(chǎn)者/消費者模型不但提高了網(wǎng)絡(luò )帶寬的使用效率，而且還可以保證多個(gè)消費者同步接收同一數據。EtherNet/IP使用組播實(shí)現生產(chǎn)者/消費者模型所要求的功能，如果進(jìn)行流量控制，要求交換機必須支持組播功能。我們在系統的管理型交換機上開(kāi)啟了IGMP Snooping功能，對組播數據包只轉發(fā)到需要此組播數據包的端口，有效地節約網(wǎng)絡(luò )帶寬、降低網(wǎng)絡(luò )負載。
3.5 系統安全設計
以太網(wǎng)的開(kāi)放互連使網(wǎng)絡(luò )安全成為不可忽視的問(wèn)題，這直接涉及到現場(chǎng)的生產(chǎn)質(zhì)量及設備人員安全，因此我們采取了以下安全措施：
（1） 將廠(chǎng)級網(wǎng)和車(chē)間各生產(chǎn)網(wǎng)段設置為不同的IP網(wǎng)段，通過(guò)服務(wù)器的雙網(wǎng)卡實(shí)現隔離。
（2） 通過(guò)PLC編程和網(wǎng)管軟件對網(wǎng)絡(luò )狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷監控，并將其整合到系統監控畫(huà)面中，具備必要的報警功能。
（3） 采取鑒權措施，屏蔽非法網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)，根據職責分配用戶(hù)操作權限，系統數據庫能自動(dòng)記錄系統操作及設備工藝參數修改事件，做到操作可查詢(xún)可追溯。
4 應用前景
以太網(wǎng)技術(shù)引入自動(dòng)化控制領(lǐng)域，其技術(shù)優(yōu)勢非常明顯：
（1） Ethernet是全開(kāi)放、全數字化的網(wǎng)絡(luò )，遵照網(wǎng)絡(luò )協(xié)議不同廠(chǎng)商的設備可以很容易實(shí)現互聯(lián)。
（2） 軟硬件成本低廉，由于以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠(chǎng)商的高度重視和廣泛支持，有多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶(hù)選擇。
（3） 通信速率高，隨著(zhù)企業(yè)信息系統規模的擴大和復雜程度的提高，對信息量的需求也越來(lái)越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數據的傳輸，目前以太網(wǎng)的通信速率為10M、100M的快速以太網(wǎng)開(kāi)始廣泛應用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現場(chǎng)總線(xiàn)快很多。
（4） 可持續發(fā)展潛力大，在這信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴(lài)于一個(gè)快速而有效的通信管理網(wǎng)絡(luò )，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續向前發(fā)展。
德昌復烤廠(chǎng)12000kg/h打葉復烤線(xiàn)電氣控制系統采用EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)將企業(yè)的三層網(wǎng)絡(luò )系統，即現場(chǎng)設備層、過(guò)程監控層、信息管理層合成一體，使數據的傳輸速率更快、實(shí)時(shí)性更高，并可與Internet無(wú)縫集成，實(shí)現數據的共享，提高了工廠(chǎng)的運作效率。整個(gè)系統自使用以來(lái)已經(jīng)以其成本低、可靠性強、傳輸速度快、維護簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)得到用戶(hù)的好評，這一成功案例也證明實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展前景極為樂(lè )觀(guān)。
參考文獻
[1]徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )[J].信息與控制,2000年4月,第29卷,第2期
[2] Rockwell公司EtherNet/IP產(chǎn)品樣本.
[1]徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )[J].信息與控制,2000年4月,第29卷,第2期
[2] Rockwell公司EtherNet/IP產(chǎn)品樣本.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號