基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王勝斌

摘 要：如今的現(xiàn)代化社會(huì)越來(lái)越注重對(duì)于各種智能化技術(shù)的研究，其涉及到的互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、通訊都在不斷地?cái)U(kuò)展自身的各種功能，以適應(yīng)現(xiàn)代人的生活方式并未人類提供更好的服務(wù)。人類對(duì)于研究工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)朝著更加樂(lè)觀的方向前進(jìn)著，工業(yè)以太網(wǎng)改善了傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的各種缺陷，本文就其工業(yè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)談一談它的作用。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；工業(yè)控制系統(tǒng)；應(yīng)用

當(dāng)今社會(huì)，日新月異，無(wú)論是哪一方面的發(fā)展都是非常迅猛的，新技術(shù)時(shí)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑是最快的，為了解放人的雙手，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這些年其應(yīng)用范圍也被逐漸延伸，自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)是如今的工業(yè)生產(chǎn)離不開(kāi)的工作條件，而在自動(dòng)化控制的范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是應(yīng)用最為普遍的，雖然它有著很多優(yōu)點(diǎn)，但也已經(jīng)不能適應(yīng)如今的大規(guī)模生產(chǎn)活動(dòng)了，而工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)改善了這種不良的情況。本文通過(guò)對(duì)于生產(chǎn)活動(dòng)中的工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用提出幾點(diǎn)自己的觀點(diǎn)。

1 以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)相較于以前被廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線，存在著諸多優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)如今生產(chǎn)中的大規(guī)模生產(chǎn)任務(wù)，可同時(shí)控制與監(jiān)管多臺(tái)機(jī)械設(shè)備，組網(wǎng)的價(jià)格比較低，可以實(shí)現(xiàn)有效控制成本，還可效果良好地監(jiān)控通訊，更加方便相關(guān)設(shè)備的后期更新與維護(hù)，可以在一定程度上取代現(xiàn)場(chǎng)總線。雖然以前的工業(yè)以太網(wǎng)存在著不確定性的缺陷，但現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)也在實(shí)踐中逐漸穩(wěn)定下來(lái)。

工業(yè)以太網(wǎng)的工作原理是在相關(guān)儀器的底部安裝傳感設(shè)備，來(lái)檢測(cè)儀器在運(yùn)行過(guò)程中的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)，再利用能夠使用的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)上。隨著生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大化，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化要求也越來(lái)越高，盡可能地減少人在工業(yè)生產(chǎn)中的存在感，而將PLC控制系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)連接使用，也是生產(chǎn)實(shí)踐中的重要突破。

2 以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的功能

一般的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)都有較多的流程，比如汽車整車焊裝的工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于機(jī)電裝備的要求很多，比如離散度、監(jiān)測(cè)能力、控制力度等方面。以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中有以下幾方面的功能：

2.1.1 分配和調(diào)整生產(chǎn)任務(wù)，工業(yè)以太網(wǎng)在分配需要完成的生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，會(huì)參考生產(chǎn)的進(jìn)度，來(lái)對(duì)不同的對(duì)象分配出適合的生產(chǎn)任務(wù)，在出現(xiàn)臨時(shí)的生產(chǎn)任務(wù)變動(dòng)時(shí)，也能適時(shí)地自動(dòng)做出相應(yīng)的調(diào)整，來(lái)達(dá)到對(duì)于不同情況的最好適應(yīng)度。

2.1.2 控制電氣供給情況并給出科學(xué)的分析。根據(jù)工業(yè)以太網(wǎng)的工作原理，來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，在監(jiān)管各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)時(shí)，在相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)找出可靠的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析與調(diào)研工作。在進(jìn)行監(jiān)督工作時(shí)，可以通過(guò)直觀的監(jiān)控畫面，為用戶帶去更好的體驗(yàn)。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)以太網(wǎng)往往被應(yīng)用于流水線工程中，這種流水線工程上的信號(hào)種類復(fù)雜，控制位置的分布也不集中，儀器設(shè)備數(shù)量多，本地控制模式顯然不能適應(yīng)這種生產(chǎn)方式，因?yàn)楸镜乜刂颇Ｊ街饕鞘褂靡话愕目刂崎_(kāi)關(guān)和繼電器，這種比較落后的處理方式不能及時(shí)地使系統(tǒng)更新，工業(yè)以太網(wǎng)使用的是較為領(lǐng)先的DCS模式，其中主要分為三個(gè)層次：

2.2.1 監(jiān)控終端。中央控制室是安裝監(jiān)控終端的最好位置，值班人員只需要在中央控制室就能監(jiān)控到整個(gè)工廠的流水線的工作過(guò)程，防止出現(xiàn)不可控制的情況，上位機(jī)程序是一種專門為監(jiān)控終端開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序，既可保證遠(yuǎn)程監(jiān)控的質(zhì)量，又能保證和本地PLC站的信息實(shí)現(xiàn)交互。

2.2.2 本地PLC站。這個(gè)程序的監(jiān)控目的與監(jiān)控終端有所不同，它的監(jiān)控對(duì)象主要是開(kāi)關(guān)量，如電磁閥、限位開(kāi)關(guān)等。將環(huán)節(jié)參數(shù)、工藝參數(shù)等重要參數(shù)在用工業(yè)以太網(wǎng)上傳之前，先轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，更好地展現(xiàn)一體化通信的優(yōu)勢(shì)之處。

2.2.3 底層傳感設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)傳感器主要是用以檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)物理參數(shù)信號(hào)，變送器將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)，經(jīng)屏蔽電纜送到各子系統(tǒng)的PLC內(nèi)。控制信號(hào)由PLC輸出后以4～20mA電流形式送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)控制模式設(shè)計(jì)

工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)行模式主要有兩種，一種是本地控制：這種屬于手動(dòng)模式，需要準(zhǔn)備控制箱，工作者啟動(dòng)或者停止開(kāi)關(guān)箱上的開(kāi)關(guān)，即使出現(xiàn)中央控制室失聯(lián)的情況，也能保證流水線正常運(yùn)作；另一種是遠(yuǎn)程遙控控制，同樣需要控制箱，但是可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定是“手動(dòng)”還是選擇“自動(dòng)”，工作者可以通過(guò)觀看監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.4 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

某些系統(tǒng)選用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，它會(huì)自動(dòng)旁路，而不影響環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是環(huán)路上的工作站在發(fā)送信息時(shí)，只能按照順序依次傳輸，所以不存在沖突問(wèn)題。在光纖傳輸介質(zhì)成本降低的今天，工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)選用光纖組成雙環(huán)路雙冗余網(wǎng)絡(luò)是比較合適的方法。

2.4.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線綜合自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以劃分為三層：信息管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、傳感檢測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層。

信息管理層。信息管理層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)自下而上傳輸過(guò)來(lái)的流水線生產(chǎn)工藝的各個(gè)參數(shù)的管理，包括狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、越限報(bào)警；生產(chǎn)工藝參數(shù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、報(bào)表分析；設(shè)備控制指令的自動(dòng)/聯(lián)動(dòng)派發(fā)等等，這些功能的實(shí)現(xiàn)依賴于在信息管理層所開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互接口良好的專用自動(dòng)化控制監(jiān)控程序，通常可以采用組態(tài)程序?qū)崿F(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層就是指基于工業(yè)以太網(wǎng)所搭建起來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)配置交換機(jī)、操作站等輔助設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員在網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的檢查、維護(hù)和管理。網(wǎng)絡(luò)傳輸層作為整個(gè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。

傳感監(jiān)測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層。傳感監(jiān)測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層主要有兩個(gè)作用，第一是通過(guò)傳感檢測(cè)設(shè)備，將流水線工藝流程中的各個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)出來(lái)并發(fā)送到工業(yè)以太網(wǎng)上進(jìn)行通訊，第二是通過(guò)安裝電氣開(kāi)關(guān)、電磁閥等開(kāi)關(guān)動(dòng)作執(zhí)行元件，接受來(lái)自頂層的中央信息管理層的遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電裝備或者流水線工藝流程的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，傳感監(jiān)測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層是面向整車焊接流水線生產(chǎn)和自動(dòng)化控制的最底層，主要包括車間現(xiàn)場(chǎng)的各種監(jiān)測(cè)、控制子系統(tǒng)，如焊接機(jī)器人控制子系統(tǒng)，滾床控制子系統(tǒng)，帶式輸送機(jī)控制子系統(tǒng)等。

結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)化管理是它在生產(chǎn)活動(dòng)中最大優(yōu)勢(shì)，使得它在現(xiàn)如今的社會(huì)有了立足之處，雖然可以達(dá)成全自動(dòng)化管理與監(jiān)控的目的，但是相關(guān)工作人員也不可掉以輕心，必須加強(qiáng)責(zé)任心，做好分內(nèi)的各項(xiàng)工作，確保工業(yè)以太網(wǎng)能夠發(fā)揮出作用；另一方面，工業(yè)以太網(wǎng)還存在著一些問(wèn)題，如在環(huán)境條件惡劣的工廠運(yùn)行時(shí)的安全問(wèn)題，都是值得深思的。

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