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案例頻道 摘 要：本文結(jié)合德昌復(fù)烤廠12000kg/h打葉復(fù)烤線電氣控制系統(tǒng)詳細(xì)闡述了工業(yè)以太網(wǎng)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用狀況以及發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：打葉復(fù)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(jì)算機(jī)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。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)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(yīng)用。本文以德昌復(fù)烤廠12000kg/h打葉復(fù)烤線為例詳細(xì)介紹了美國(guó)Rockwell公司的EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)在本控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)概述
EtherNet/IP由美國(guó)Rockwell公司定義，并由ODVA和ControlNet International兩 大國(guó)際組織支持推廣，具有以下特點(diǎn)：
（1） EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
（2） EtherNet/IP協(xié)議由IEEE802.3物理層標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，在應(yīng)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(xiàn)信息的對(duì)等傳輸。CIP協(xié)議采用了面向?qū)ο蟮姆椒ㄈピO(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基于“對(duì)象”技術(shù)編程和設(shè)備組態(tài)。
（3） EtherNet/IP能滿足從高精度時(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(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用要求。
（4） 支持現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和組態(tài)，可使用其他標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)上的服務(wù)如HTTP、SNMP、SMTP等。
（5） 從EMC、安裝防護(hù)等級(jí)各方面做出規(guī)定，保證EtherNet/IP產(chǎn)品適應(yīng)嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境。
3 應(yīng)用狀況
德昌復(fù)烤廠隸屬四川三益煙草有限責(zé)任公司，是2008年新建廠區(qū)，其整個(gè)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、過(guò)程監(jiān)控層、信息管理層三層結(jié)構(gòu)，基于EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)組成全分布式控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)從底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到過(guò)程監(jiān)控層、信息管理層全部采用以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的“一網(wǎng)到底”。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 德昌復(fù)烤廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要功能是完成車(chē)間級(jí)生產(chǎn)信息及產(chǎn)品質(zhì)量信息的管理。德昌復(fù)烤廠生產(chǎn)車(chē)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(chǎng)分布式I/O箱相結(jié)合的控制模式。車(chē)間分為真空回潮、預(yù)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(xiàn)場(chǎng)）、現(xiàn)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(yuǎn)程I/O選用A-B公司的1794-AENT系列產(chǎn)品;現(xiàn)場(chǎng)操作站選用A-B公司的2711P系列產(chǎn)品；交換機(jī)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(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有設(shè)備以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式直接與交換機(jī)建立連接，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的連接更為簡(jiǎn)捷，為故障診斷和后期維護(hù)都帶來(lái)了方便。傳輸介質(zhì)采用超五類屏蔽雙絞線或者光纖（傳輸距離超過(guò)100米時(shí)使用），傳輸速率可達(dá)百兆。較之以前的ControlNet和DeviceNet系統(tǒng)，Ethernet解決了長(zhǎng)線傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率和電磁干擾等問(wèn)題。
3.2 過(guò)程監(jiān)控層
3.2.1 硬件組成
過(guò)程監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量管理與生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。車(chē)間中央監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分由監(jiān)控計(jì)算機(jī)4臺(tái)、質(zhì)量管理計(jì)算機(jī)1臺(tái)、工程師管理計(jì)算機(jī)1臺(tái)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器2臺(tái)以及N-TRON公司的9臺(tái)508FX2-A-SC-S網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。
3.2.2 各組件功能
監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各相應(yīng)工藝控制段運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視以及對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
質(zhì)量管理計(jì)算機(jī)將檢測(cè)數(shù)據(jù)確認(rèn)、存儲(chǔ)、處理后將部分?jǐn)?shù)據(jù)下發(fā)給各控制工藝段，在人機(jī)界面上顯示質(zhì)量信息，提示現(xiàn)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(jì)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(shè)置一臺(tái)工程師管理計(jì)算機(jī)，安裝PLC編程軟件Logix5000，用于對(duì)各條生產(chǎn)分線的相關(guān)PLC控制程序進(jìn)行維護(hù)、修改。
數(shù)據(jù)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(xiàn)場(chǎng)控制各控制單元的數(shù)據(jù)及向各控制單元下達(dá)工藝參數(shù)和控制指令。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器采用冗余方式，以保證當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器或局域網(wǎng)連接中斷時(shí)，客戶機(jī)能自動(dòng)的從一個(gè)路徑轉(zhuǎn)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(wǎng)。德昌復(fù)烤廠的信息管理層由生產(chǎn)調(diào)度計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、Web服務(wù)器及N-TRON公司的1臺(tái)517FX-A-SC-S網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。
德昌復(fù)烤廠采用最近網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用熱點(diǎn)：基于Web的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)。在企業(yè)內(nèi)部，可以利用企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行工廠實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布和顯示，管理者通過(guò)Web瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試和遠(yuǎn)程設(shè)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(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(dú)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(jiān)控層劃為一個(gè)虛擬局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。這樣每個(gè)虛擬局域網(wǎng)各設(shè)備之間的通訊數(shù)據(jù)包限制在本虛擬局域網(wǎng)內(nèi)，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。
（2） 利用IGMP（Internet Group Management Protocal）技術(shù)。EtherNet/IP的應(yīng)用層采用CIP協(xié)議，CIP協(xié)議采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者通訊模型，系統(tǒng)中生產(chǎn)者數(shù)據(jù)可被多個(gè)消費(fèi)者同時(shí)接收，生產(chǎn)者/消費(fèi)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(fèi)者同步接收同一數(shù)據(jù)。EtherNet/IP使用組播實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型所要求的功能，如果進(jìn)行流量控制，要求交換機(jī)必須支持組播功能。我們?cè)谙到y(tǒng)的管理型交換機(jī)上開(kāi)啟了IGMP Snooping功能，對(duì)組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)發(fā)到需要此組播數(shù)據(jù)包的端口，有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
3.5 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)
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(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)質(zhì)量及設(shè)備人員安全，因此我們采取了以下安全措施：
（1） 將廠級(jí)網(wǎng)和車(chē)間各生產(chǎn)網(wǎng)段設(shè)置為不同的IP網(wǎng)段，通過(guò)服務(wù)器的雙網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)隔離。
（2） 通過(guò)PLC編程和網(wǎng)管軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷監(jiān)控，并將其整合到系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面中，具備必要的報(bào)警功能。
（3） 采取鑒權(quán)措施，屏蔽非法網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，根據(jù)職責(zé)分配用戶操作權(quán)限，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)能自動(dòng)記錄系統(tǒng)操作及設(shè)備工藝參數(shù)修改事件，做到操作可查詢可追溯。
4 應(yīng)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(shì)非常明顯：
（1） Ethernet是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同廠商的設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)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(shè)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(kuò)大和復(fù)雜程度的提高，對(duì)信息量的需求也越來(lái)越大，有時(shí)甚至需要音頻、視頻數(shù)據(jù)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(yīng)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(xiàn)場(chǎng)總線快很多。
（4） 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅谶@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(xù)向前發(fā)展。
德昌復(fù)烤廠12000kg/h打葉復(fù)烤線電氣控制系統(tǒng)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(tǒng)，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、過(guò)程監(jiān)控層、信息管理層合成一體，使數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高了工廠的運(yùn)作效率。整個(gè)系統(tǒng)自使用以來(lái)已經(jīng)以其成本低、可靠性強(qiáng)、傳輸速度快、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)得到用戶的好評(píng)，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。
參考文獻(xiàn)
[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.
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)