基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化控制系統(tǒng)設計

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)由于具有眾多優(yōu)勢而在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用?；诠I(yè)以太網(wǎng)絡探討了流水線自動化控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，給出了工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構和組網(wǎng)方案，并結(jié)合流水線自動控制系統(tǒng)的實際功能，設計了基于計算機網(wǎng)絡的工業(yè)控制系統(tǒng)層次框架，對進一步促進工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)與自動控制系統(tǒng)中的應用具有較好的指導借鑒意義。

關鍵詞關鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；計算機網(wǎng)絡；自動化控制；遠程控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.143904

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）002013202

基金項目基金項目：

作者簡介作者簡介：陳長輝（1980-），男，廣東雷州人，廣州番禺職業(yè)技術學院信息工程學院實驗師，研究方向為計算機網(wǎng)絡技術、網(wǎng)絡綜合布線。

0引言

隨著精密制造技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)控制的自動化要求日漸提高，對于自動化控制系統(tǒng)的要求也就越來越高。網(wǎng)絡技術的發(fā)展極大地促進了工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，使得工業(yè)自動化控制從過去傳統(tǒng)的電氣自動化控制向無人值守遠程自動化控制轉(zhuǎn)變＼[1＼]。在這種背景下，基于計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)得以廣泛研究與應用，并逐步取代傳統(tǒng)現(xiàn)場總線實現(xiàn)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。

本文結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術，詳細探討基于工業(yè)以太網(wǎng)絡實現(xiàn)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設計與應用，以期能夠找到工業(yè)以太網(wǎng)絡在工業(yè)自動化生產(chǎn)與控制中的應用模式與經(jīng)驗，并和廣大同行分享。

1工業(yè)以太網(wǎng)設計

1.1工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的強大區(qū)域和單元網(wǎng)絡。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET 提供了一個無縫集成到新的多媒體世界的途徑＼[2＼]。企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)（Intranet）、外部互聯(lián)網(wǎng)（Extranet）以及國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）已應用于生產(chǎn)及其過程自動化。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運行之后，具有交換功能、全雙工和自適應的100M波特率快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的標準）也已成功運行多年。采用何種性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要，通用的兼容性允許用戶無縫升級到新技術，這是工業(yè)以太網(wǎng)的最大優(yōu)勢。因此，很多過去傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡能夠無縫升級到基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的自動化控制系統(tǒng)＼[3＼]。

1.2系統(tǒng)設計

1.2.1拓撲結(jié)構設計

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構直接決定了整個控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因此選用何種拓撲結(jié)構需要結(jié)合具體的控制對象和控制要求來分析。本文以工業(yè)生產(chǎn)中最為普及和廣泛的流水線自動控制系統(tǒng)為研究對象。由于流水線自動控制系統(tǒng)往往涉及多個機電裝備，同時對自動控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，因此選用普通的星型結(jié)構或者樹形結(jié)構，都無法保證整個自動控制系統(tǒng)的可靠性；選擇環(huán)型拓撲結(jié)構，能夠自動實現(xiàn)旁路傳輸，不會由于網(wǎng)絡上某一個節(jié)點發(fā)生故障而導致整個網(wǎng)絡癱瘓，其可靠性比普通拓撲結(jié)構強一倍＼[4＼]，因此，本文選用環(huán)型拓撲結(jié)構。

1.2.2系統(tǒng)組網(wǎng)設計

系統(tǒng)組網(wǎng)設計方案體現(xiàn)了整個流水線自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系架構。從要實現(xiàn)的控制功能來看，整個工業(yè)以太網(wǎng)絡的組網(wǎng)可以劃分為以下3個層次：

（1）信息管理層。信息管理層處于整個系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構的頂層，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)信息的匯總、集成和管理。通過開發(fā)具有人機交互功能的軟件程序，實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡層狀態(tài)的實時監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)庫管理功能對數(shù)據(jù)進行實時管理。

（2）網(wǎng)絡傳輸層。網(wǎng)絡傳輸層處于整個自動化控制系統(tǒng)組網(wǎng)方案的中間層次，是由工業(yè)以太網(wǎng)絡構成的實際物流鏈路傳輸層，用于實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集設備上傳的數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)頂層控制中心下行的控制指令的雙向傳輸。網(wǎng)絡傳輸層的可靠性直接決定著整個自動化控制系統(tǒng)的可靠性。因此，在實際構建網(wǎng)絡傳輸層時，應采用合理的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構、合理的中繼路由節(jié)點，以確保整個網(wǎng)絡傳輸層的可靠性。

（3）底層數(shù)據(jù)采集層。底層數(shù)據(jù)采集層位于整個自動化控制系統(tǒng)組網(wǎng)方案的底層，主要由各類傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置構成，負責采集整個自動化控制系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，是整個自動化控制系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)源和基礎＼[5＼]。因此，在實際構建底層數(shù)據(jù)采集層時，應當選用合理的傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置，確保采集到的數(shù)據(jù)真實、有效和可靠，并實時進入工業(yè)以太網(wǎng)進行傳輸。

2工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設計

2.1功能模塊設計

基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的流水線自動控制系統(tǒng)功能主要包括以下幾個方面：

（1）機電裝備運行參數(shù)的采集與實時顯示。流水線自動控制系統(tǒng)首先要能夠?qū)崟r監(jiān)測各機電裝備的運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)，確保整個流水線生產(chǎn)運作的穩(wěn)定可靠。因此，系統(tǒng)的首要功能便是實現(xiàn)機電裝備運行參數(shù)、運行環(huán)境、狀態(tài)參數(shù)的采集與實時顯示，從而為現(xiàn)場控制人員和管理人員的生產(chǎn)工序調(diào)整、設備維護等工作提供基礎數(shù)據(jù)源。

（2）流水線自動控制指令的實時下達。流水線自動控制系統(tǒng)需要針對不同的工序、工步調(diào)整各機電裝備的運行狀態(tài)，這在以往都是由工人手動調(diào)整實現(xiàn)的。工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)極大地提高了整個系統(tǒng)的自動化程度，無需工人手動調(diào)整，依托自動控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制。因此，流水線自動控制系統(tǒng)控制指令的自動、實時傳輸是實現(xiàn)真正自動化控制和無人值守的關鍵功能。

（3）數(shù)據(jù)管理功能。針對眾多機電裝備的不同狀態(tài)參數(shù)，要對生產(chǎn)參數(shù)進行記錄和存儲，需要流水線自動控制系統(tǒng)具有一定的數(shù)據(jù)管理功能，這借助于第三方數(shù)據(jù)庫管理軟件就能實現(xiàn)。

（4）遠程調(diào)度與監(jiān)控功能。工業(yè)以太網(wǎng)的最大優(yōu)勢是能夠依托網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程調(diào)度和監(jiān)控，真正做到無人值守。而要實現(xiàn)遠程調(diào)度與監(jiān)控功能，除了工業(yè)以太網(wǎng)要具備普通的自動化控制系統(tǒng)的全部功能外，還應當能夠和因特網(wǎng)實現(xiàn)無縫對接。將工業(yè)自動控制網(wǎng)絡處于因特網(wǎng)中，只要輸入IP地址，就能夠?qū)崿F(xiàn)對該工業(yè)自動控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的遠程訪問和調(diào)度，從而實現(xiàn)遠程調(diào)度功能。

2.2系統(tǒng)層次框架設計

基于工業(yè)以太網(wǎng)設計及其系統(tǒng)控制功能設計，整個流水線自動控制系統(tǒng)的層次框架設計如下：

（1）傳感采集設備。傳感采集設備主要由各類傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡構成，負責采集需要監(jiān)測的機電裝備運行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)及必要的環(huán)境參數(shù)，確保整個流水線自動控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運行。

（2）本地PLC站。本地PLC站負責接收傳感采集設備傳輸過來的相關數(shù)據(jù)，由PLC內(nèi)部程序進行必要的運算，通過PLC與上位機監(jiān)控終端之間的網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與實時顯示。這種方案的最大優(yōu)點在于極大地減輕了上位機的數(shù)據(jù)處理壓力，讓數(shù)據(jù)處理由本地PLC站實現(xiàn)，這一方面能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速運算，另一方面也可提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）網(wǎng)絡傳輸單元。網(wǎng)絡傳輸單元主要由工業(yè)以太網(wǎng)及其必要的網(wǎng)絡傳輸、中繼設備構成，負責整個系統(tǒng)的頂層與底層之間數(shù)據(jù)的雙向通信和交換。

（4）監(jiān)控終端。監(jiān)控終端主要由頂層的具有人機交互功能的終端實現(xiàn)，可以由第三方軟件開發(fā)實現(xiàn)，也可以借助于專業(yè)平臺。監(jiān)控終端除了具有對整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能外，同時還具有數(shù)據(jù)管理和實時控制等功能，以確保整個自動控制系統(tǒng)具有遠程調(diào)度和無人值守的功能。

（5）控制執(zhí)行終端?？刂茍?zhí)行終端位于系統(tǒng)的底層，主要作用是接收來自頂層的監(jiān)控終端的控制指令，經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂茍?zhí)行終端，由控制執(zhí)行終端驅(qū)動相關執(zhí)行器完成預定的控制功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程自動控制功能。

3結(jié)語

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的逐漸普及與應用，基于計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)得到了廣泛研究與應用，現(xiàn)代工業(yè)自動化控制水平得以不斷提高。本文主要從工業(yè)以太網(wǎng)自身的網(wǎng)絡系統(tǒng)入手，結(jié)合流水線自動化工業(yè)控制系統(tǒng)的實際需求，探討了基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠程自動化控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。這對于進一步推動工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用具有較好的指導和借鑒意義。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）