以太网在工业自动化中的应用.doc

以太网在工业自动化中的应用摘 要 本文介绍了以太网技术的基础知识和在工业自动化中的应用，并通过实例分析了其系统的结构和功能，说明了应用以太网技术是工业自动化的发展方向之一。 关键词 以太网 自动化 PLC(可编程序控制器) DCS(集散控制系统)1 引 言 以太网产生于1973年，当时，施乐公司的Bob Metcalfe在一张餐巾纸上勾画出Ethernet的基本轮廓，这张餐巾纸现在还保存在施乐公司的Palo Alto研究中心。最初的Ethernet标准通讯速率是2.94Mbps。在施乐公司和Intel公司、Digital Equipment公司合作开发了DIX2.0标准后，Ethernet在粗同轴电缆上的传输速率变成了10Mbps。同一时期，国际电气与电子工程师协会（IEEE）指定了Ethernet的CSMA/CD 802.3标准。1983年CSMA/CD 802.3标准正式确定并被采用。近几年来，随着计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革，Ethernet逐渐的进入工业领域。据统计，目前在工业领域有超过100种通讯协议被应用于各种各样的工业计算机平台之间的数据交换，从智能传感器到参域的监控系统都在应用Ethernet。Ethernet是目前可用的最常见的网络协议，因而控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流，以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域将会得到了越来越多的应用。 2 以太网技术介绍及其发展趋势 一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，很多的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3个原因：（一）低成本的刺激和速度的提高；（二）现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；（三）以太网的开放性和兼容性。 早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网(Shared Ethernet)，节点间通信采用广播方式，易发生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性，不能用于强实时性场合。 交换以太网(Switched Ethernet)的出现克服了这一缺点， 以太网的交换机(Switch)是数据链路层(ISO/OSI参考模型第二层)的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相联系的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送端口与接受端口间建立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。 交换以太网在获得确定性的同时， 传输速度也有极大的提高。千兆以太网已普及，10Gb/s的交换以太网正在开发。当以太网用于信息技术时，应用层含有HTTP(超级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、SMTP(简单电子邮件传送协议)和Telnet(远程登录)。这些基于TCP/IP的协议簇已经成为工业界事实上的网络标准，在不同厂商的不同网络系统互联方面起着关键作用。但当以太网用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。 工业以太网和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“透明工厂”。 此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向定单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求。 许多工业控制系统正在致力于发展IP和以太网技术，当前快速发展的信息技术已经成为工业控制网络的一部分。目前，以太网技术的发展情况如表1所示。表1 以太网技术发展情况现场总线协议对以太网的服务应 用基金会现场总线（FF）FF HSEFMS与UDP/IP之间的映射ProfibusProfiNet与TCP/IP之间的接口ModbusModbus TCPModbus与TCP/IP之间的接口ControlNet和DeviceNetCIP on 以太网CIP与TCP/IP之间的接口LonWorksiLonLontalk与TCP/IP之间的接口InterbusInterbus on 以太网与TCP/IP之间的接口3 串口上网技术 在系统网络化的过程里,由于许多传统的串口设备未具备联网能力,在控制指令与设备信息的传递上,必须要有串行通讯转TCP/IP网络的方案。而串口通讯网络技术简单、易用，性价比高，是系统网络化的理想选择。现在市场上已出现MOXA的Nport系列串口上网服务器。 使用MOXA的标准串口驱动程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是远程的COM端口，不需要更改系统原有使用串行通讯的应用软件或通讯元件。好处在于，有了Windows和Linux/Unix的驱动程序支持，Nport 家族 可以立即让串口设备具备联网的能力。Nport 家族 设备联网服务器包含完整的TCP/IP协议。它可以把串口数据包装成TCP封包，并转换成可以在Ethernet上传送的Frame，传送到主机的以太网卡上。主机以自己的TCP/IP协议解封包后，应用程序可以接收到完整的串口数据。 通过Nport 家族 TCP端口，可不是用驱动程序，而以TCP/IP Socket来存取串口数据。这种解决方案适合于所有具备TCP/IP连接功能的系统。 让串口设备具备TCP/IP网络界面，可提高企业管理与原作效率。由TCP/IP网络可远程、机动性管理的特性，大大减低系统故障维护与人力成本，是一个底成本效益的串口设备管理模式。 4 基于以太网的DCS系统设计 4.1 以某石膏粉生产线DCS系统为例 原理：石膏粉生产线分破碎、粉磨、炒制及包装等几大部分。 破碎：将生料送入一次破碎机中破碎，一次破碎后的生料由提升机送入料仓1中，料仓1下挂有电振机，启动电振机即可将一次破碎后的生料送入二次破碎机中进行二次破碎，二次破碎后的生料由提升机送入料仓2，待料仓2下的电振机启动即可将破碎后生料送入磨机进行粉磨。 粉磨：破碎后的生料进入磨机进行粉磨，粉磨后的粉料由绞刀1#经提升机、绞刀2#送入预热仓，预热仓的粉料再经下面双绞刀3#、4#送入炒锅进行炒制。其中，预热仓中粉料的料位由料位传感器测得，经变送后输出给PLC模拟块的输入通道。 炒制及包装：粉料经双绞刀3#、4#送入炒锅中进行炒制，当炒锅中粉料的料位达到上限值时，停止双绞刀3#、4#。炒锅一边加热，一边用搅拌器搅拌粉料，当粉料温度达温度设定值时，启动阀门电机，粉料泄入料仓3中。当炒锅中粉料的料位达到下限值时，启动双绞刀3#、4#，预热仓中的粉料进入炒锅，使炒锅的温度低于温度设定值，停止阀门电机，粉料进入下一轮炒制。料仓3中的熟料，由绞刀5#经提升机机送入料仓4，再经绞刀6#输出包装。其中，炒锅中粉料的温度由温度传感器测得，经变送后输出给PLC模拟块的输入通道；绞刀6#的输出速度由变频器控制，以便调节其输出速度。4.2 系统硬件结构设计 系统利用以太网技术，采用集中管理分散控制的方式。根据石膏粉生产线破碎、粉磨、炒制及包装三大部分的控制要求，用三台CPM1A型OMRON PLC实现控制。 本系统选择1对3串口服务器。只需在上位机按装 Windows 2000 native COM 驱动程序, 给MOXA多串口服务器设置IP地址，上位机通过实验室局域网与MOXA Nport-Server通讯，下位机（PLC）通过RS-232转换器与MOXA多串口服务器通讯相连，并分配虚拟COM口，上位机组态软件需要设计下位计算机的所有系统组态程序，建立相应的COM3-COM5硬件设备，进行系统的人机界面设置组态，系统的远程监控可以通过访问上位机实现（与以太网方案相同，需要在组态软件上发布WEB页面），远程计算机可以直接访问MOXA多串口服务器的IP地址，直接读取TCP/IP数据包，进行网络远程监控。具体设计为破碎站PLC为COM3口，粉磨站PLC为COM4口、炒制及包装站PLC为COM5口。系统结构图如图1所示。 本系统通过以太网可实现远程控制，与传统的现场总线方式相比，具有成本低，控制距离远（连入网络的计算机均可对系统监控），易于管控结合等特点。 4.3 系统监控软件设计 系统监控软件采用组态王组态软件。因为组态王的网络结构是一种柔性的客户服务器模式，所以客户服务器是相对的。按系统网络构架系统有管理站，下位机分破碎站,粉磨站和炒制及包装站，各工作站分别安装组态王网络版，以太网构架。需在每一工作站组态王“网络设置”项中选择联网，管理站设置为登陆服务器和WEB SERVER服务器生成需要通过Internet远程监控浏览的界面，并且需要把本站点上的工程所在路径下的文件夹设置为共享方式。然后再在网络设置”项中进行“客户配置”定义本地计算机在网络中充当的客户功能，并且可充当多个站点的客户。一个系统中登陆服务器只有一个均选择管理站。进行以上配置前提为网络中的所有站点均需在网络中，并且可以经常通讯。 网络信息传递即网络变量的引用。组态王可以对网络中的变量直接引用。 5 总结 从上述案例论述中，我们可以得出以下简单的结论：工业自动化的发展趋势应该是分布式、开放化和信息化。分布式的结构是一种能确保网络中每个智能的模块能够独立的工作的网络，达到系统危险分散的概念；开放化则是系统结构具有与外界的接口，实现系统与外界网络的连接；信息化则是使系统信息能够进行综合处理能力，与网络技术结合实现网络自动化和管控一体化。 基于以太网技术的自动化具有低成本和开放性，可以