精品文檔以太網在工業自動化中的應用摘 要 本文介紹了以太網技術的基礎知識和在工業自動化中的應用，并通過實例分析了其系統的結構和功能，說明了應用以太網技術是工業自動化的發展方向之一。 關鍵詞 以太網 自動化 PLC(可編程序控制器) DCS(集散控制系統)1 引 言 以太網產生于1973年，當時，施樂公司的Bob Metcalfe在一張餐巾紙上勾畫出Ethernet的基本輪廓，這張餐巾紙現在還保存在施樂公司的Palo Alto研究中心。最初的Ethernet標準通訊速率是2.94Mbps。在施樂公司和Intel公司、Digital Equipment公司合作開發了DIX2.0標準后，Ethernet在粗同軸電纜上的傳輸速率變成了10Mbps。同一時期，國際電氣與電子工程師協會（IEEE）指定了Ethernet的CSMA/CD 802.3標準。1983年CSMA/CD 802.3標準正式確定并被采用。近幾年來，隨著計算機和網絡技術的發展，引發了控制領域深刻的技術變革，Ethernet逐漸的進入工業領域。據統計，目前在工業領域有超過100種通訊協議被應用于各種各樣的工業計算機平臺之間的數據交換，從智能傳感器到參域的監控系統都在應用Ethernet。Ethernet是目前可用的最常見的網絡協議，因而控制系統結構向網絡化、開放性方向發展將是控制系統技術發展的主要潮流，以太網作為目前應用最為廣泛的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域將會得到了越來越多的應用。 2 以太網技術介紹及其發展趨勢 一般來講，控制系統網絡可分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執行層)。傳統的控制系統在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現場總線或其他專用網絡。目前，以太網已經滲透到了控制層和設備層，很多的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網接口的產品。以太網之所以給自動化市場帶來風暴式的革命，主要有3個原因：（一）低成本的刺激和速度的提高；（二）現代企業對實時生產信息有越來越多的要求；（三）以太網的開放性和兼容性。 早期的以太網，多節點共享同一個傳輸媒體，稱為共享以太網(Shared Ethernet)，節點間通信采用廣播方式，易發生沖突。共享以太網用CSMA/CD技術來避免沖突，即發送方檢測到沖突就暫停發送，隨機延遲一段時間后再重新發送直到成功。由于延遲時間是隨機的，不能事先知道，因而共享以太網的時間響應具有不確定性，不能用于強實時性場合。 交換以太網(Switched Ethernet)的出現克服了這一缺點， 以太網的交換機(Switch)是數據鏈路層(ISO/OSI參考模型第二層)的多端口網橋，也可以說是智能分配器。交換機將其管理的網絡以星型拓撲結構劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯系的節點，每一節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，它具有以太網的全部帶寬并避免沖突。 交換以太網在獲得確定性的同時， 傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網已普及，10Gb/s的交換以太網正在開發。當以太網用于信息技術時，應用層含有HTTP(超級文本傳輸協議)、FTP (文件傳輸協議)、SMTP(簡單電子郵件傳送協議)和Telnet(遠程登錄)。這些基于TCP/IP的協議簇已經成為工業界事實上的網絡標準，在不同廠商的不同網絡系統互聯方面起著關鍵作用。但當以太網用于工業控制時，體現在應用層的是實時通信、用于系統組態的對象以及工程模型的應用協議。 工業以太網和Internet技術的發展將完全改變傳統工業企業的網絡架構。工業以太網已經從信息層向下延伸到控制層和設備層采用以太網架構以后，控制器的位置也可以突破傳統網絡架構的限制，可以位于現場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/O支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，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程I/O模塊中的當前狀態值。采用以太網架構和開放的軟件系統的制造企業也被稱為“透明工廠”。 此外，通過Internet可以實現對工業生產過程的實時遠程監控，將實時生產數據與ERP系統以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向定單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業能夠適應經濟全球化的要求。 許多工業控制系統正在致力于發展IP和以太網技術，當前快速發展的信息技術已經成為工業控制網絡的一部分。目前，以太網技術的發展情況如表1所示。表1 以太網技術發展情況現場總線協議對以太網的服務應 用基金會現場總線（FF）FF HSEFMS與UDP/IP之間的映射ProfibusProfiNet與TCP/IP之間的接口ModbusModbus TCPModbus與TCP/IP之間的接口ControlNet和DeviceNetCIP on 以太網CIP與TCP/IP之間的接口LonWorksiLonLontalk與TCP/IP之間的接口InterbusInterbus on 以太網與TCP/IP之間的接口3 串口上網技術 在系統網絡化的過程里,由于許多傳統的串口設備未具備聯網能力,在控制指令與設備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉TCP/IP網絡的方案。而串口通訊網絡技術簡單、易用，性價比高，是系統網絡化的理想選擇。現在市場上已出現MOXA的Nport系列串口上網服務器。 使用MOXA的標準串口驅動程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠程的COM端口，不需要更改系統原有使用串行通訊的應用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅動程序支持，Nport 家族 可以立即讓串口設備具備聯網的能力。Nport 家族 設備聯網服務器包含完整的TCP/IP協議。它可以把串口數據包裝成TCP封包，并轉換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機的以太網卡上。主機以自己的TCP/IP協議解封包后，應用程序可以接收到完整的串口數據。 通過Nport 家族 TCP端口，可不是用驅動程序，而以TCP/IP Socket來存取串口數據。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統。 讓串口設備具備TCP/IP網絡界面，可提高企業管理與原作效率。由TCP/IP網絡可遠程、機動性管理的特性，大大減低系統故障維護與人力成本，是一個底成本效益的串口設備管理模式。 4 基于以太網的DCS系統設計 4.1 以某石膏粉生產線DCS系統為例 原理：石膏粉生產線分破碎、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行粉磨。 粉磨：破碎后的生料進入磨機進行粉磨，粉磨后的粉料由絞刀1#經提升機、絞刀2#送入預熱倉，預熱倉的粉料再經下面雙絞刀3#、4#送入炒鍋進行炒制。其中，預熱倉中粉料的料位由料位傳感器測得，經變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道。 炒制及包裝：粉料經雙絞刀3#、4#送入炒鍋中進行炒制，當炒鍋中粉料的料位達到上限值時，停止雙絞刀3#、4#。炒鍋一邊加熱，一邊用攪拌器攪拌粉料，當粉料溫度達溫度設定值時，啟動閥門電機，粉料泄入料倉3中。當炒鍋中粉料的料位達到下限值時，啟動雙絞刀3#、4#，預熱倉中的粉料進入炒鍋，使炒鍋的溫度低于溫度設定值，停止閥門電機，粉料進入下一輪炒制。料倉3中的熟料，由絞刀5#經提升機機送入料倉4，再經絞刀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，以便調節其輸出速度。4.2 系統硬件結構設計 系統利用以太網技術，采用集中管理分散控制的方式。根據石膏粉生產線破碎、粉磨、炒制及包裝三大部分的控制要求，用三臺CPM1A型OMRON PLC實現控制。 本系統選擇1對3串口服務器。只需在上位機按裝 Windows 2000 native COM 驅動程序, 給MOXA多串口服務器設置IP地址，上位機通過實驗室局域網與MOXA Nport-Server通訊，下位機（PLC）通過RS-232轉換器與MOXA多串口服務器通訊相連，并分配虛擬COM口，上位機組態軟件需要設計下位計算機的所有系統組態程序，建立相應的COM3-COM5硬件設備，進行系統的人機界面設置組態，系統的遠程監控可以通過訪問上位機實現（與以太網方案相同，需要在組態軟件上發布WEB頁面），遠程計算機可以直接訪問MOXA多串口服務器的IP地址，直接讀取TCP/IP數據包，進行網絡遠程監控。具體設計為破碎站PLC為COM3口，粉磨站PLC為COM4口、炒制及包裝站PLC為COM5口。系統結構圖如圖1所示。 本系統通過以太網可實現遠程控制，與傳統的現場總線方式相比，具有成本低，控制距離遠（連入網絡的計算機均可對系統監控），易于管控結合等特點。 4.3 系統監控軟件設計 系統監控軟件采用組態王組態軟件。因為組態王的網絡結構是一種柔性的客戶服務器模式，所以客戶服務器是相對的。按系統網絡構架系統有管理站，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王網絡版，以太網構架。需在每一工作站組態王“網絡設置”項中選擇聯網，管理站設置為登陸服務器和WEB SERVER服務器生成需要通過Internet遠程監控瀏覽的界面，并且需要把本站點上的工程所在路徑下的文件夾設置為共享方式。然后再在網絡設置”項中進行“客戶配置”定義本地計算機在網絡中充當的客戶功能，并且可充當多個站點的客戶。一個系統中登陸服務器只有一個均選擇管理站。進行以上配置前提為網絡中的所有站點均需在網絡中，并且可以經常通訊。 網絡信息傳遞即網絡變量的引用。組態王可以對網絡中的變量直接引用。 5 總結 從上述案例論述中，我們可以得出以下簡單的結論：工業自動化的發展趨勢應該是分布式、開放化和信息化。分布式的結構是一種能確保網絡中每個智能的模塊能夠獨立的工作的網絡，達到系統危險分散的概念；開放化則是系統結構具有與外界的接口，實現系統與外界網絡的連接；信息化則是使系統信息能夠進行綜合處理能力，與網絡技術結合實現網絡自動化和管控一體化。 基于以太網技術的自動化具有低成本和開放性，可以實現遠程控