工業(yè)以太網(wǎng)在PTM上的應(yīng)用

陳 明

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

隨著電解鋁車間自動化程度不斷提升，管控一體化系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到生產(chǎn)管理中，管控一體化簡稱MCI,是一種通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、自動控制和接口通信等諸多先進(jìn)技術(shù)建立起來的覆蓋企業(yè)生產(chǎn)管理與基礎(chǔ)自動化的綜合系統(tǒng)。PTM是電解鋁車間最重要的生產(chǎn)輔助設(shè)備，為配套管控一體化的整體需求，伴隨著整個(gè)鋁行業(yè)的迅猛發(fā)展，PTM目前已經(jīng)逐漸走向智能化、無人化的發(fā)展階段。在智能化高速發(fā)展的道路上，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用是具有跨時(shí)代意義的，從最初的點(diǎn)對點(diǎn)接線通訊，到后來的現(xiàn)場總線控制，再到工業(yè)以太網(wǎng)控制，工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)到了以太網(wǎng)時(shí)代，各種電器執(zhí)行元件、監(jiān)控系統(tǒng)、檢測元件都配備以太網(wǎng)通訊接口，方便整個(gè)設(shè)備級或車間級控制系統(tǒng)的建立。

1 工業(yè)以太網(wǎng)

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展情況

以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)最早被應(yīng)用在IT領(lǐng)域，并在IT領(lǐng)域獲得了巨大的成功，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)逐漸成為IT領(lǐng)域的主流通訊技術(shù)，發(fā)揮了不可替代的作用。而最近幾年，以太網(wǎng)技術(shù)開始被應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，并伴隨著工業(yè)控制自動化的發(fā)展而慢慢發(fā)展成熟，其大致發(fā)展情況為以下兩點(diǎn)：

(1)工業(yè)自動化控制領(lǐng)域逐漸從單機(jī)控制走向車間級或廠級的整體控制，比較典型的控制系統(tǒng)就是DCS控制系統(tǒng)，車間管控一體化也是比較有代表性的一種。近些年來，工程師們逐漸意識到實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備的集成化智能控制并不能給企業(yè)帶來好的效益，而將整個(gè)車間或企業(yè)做為一個(gè)整體來控制才能符合當(dāng)前的發(fā)展需求，工業(yè)以太網(wǎng)作為良好的通訊方式可以將各個(gè)單一的個(gè)體聯(lián)系起來。

(2)車間一線設(shè)備，如各種傳感器、監(jiān)控設(shè)備等的數(shù)據(jù)采集及互通是管控一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)例如鋁電解車間管控一體化的要求，車間內(nèi)各運(yùn)行設(shè)備，包括PTM等必須具有實(shí)時(shí)性。這就要求互通數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性及兼容性，工業(yè)以太網(wǎng)具備當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域的所有需求，必將實(shí)現(xiàn)其不可替代的作用。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)安全性。在以往的自動控制系統(tǒng)中，PLC與PLC間、PLC與變頻器間等設(shè)備通訊大多采取總線通訊方式，如C.net和D.net.等。這種通訊方式很難建立起冗余通訊系統(tǒng)，不能保障硬件與硬件、硬件與軟件間的通訊穩(wěn)定性，一旦通訊發(fā)生中斷會導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓。工業(yè)以太網(wǎng)可以通過PLC冗余模塊或工業(yè)交換機(jī)等構(gòu)建冗余系統(tǒng)(環(huán)形網(wǎng)絡(luò))，具有較好的穩(wěn)定性，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(2)協(xié)議開放性。在大型的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般會包括多種品牌的PLC、變頻器等，不同自動化廠家的商品一般會采取其特有的通訊協(xié)議，因此以太網(wǎng)之前想采用一種統(tǒng)一的通訊方式幾乎是不可能的。工業(yè)以太網(wǎng)可以有效的解決工業(yè)互聯(lián)問題，在任何一種控制系統(tǒng)中，以太網(wǎng)可以與設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一通訊，也可以與廠級網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通訊。

(3)延伸性。延伸性(也稱拓展性)是考察一種通訊網(wǎng)絡(luò)的重要依據(jù)，工業(yè)以太網(wǎng)是一種靈活性極高的網(wǎng)絡(luò)。在典型的控制系統(tǒng)中(包括PLC、變頻器等)，只需要添加相應(yīng)的以太網(wǎng)模塊或以太網(wǎng)選件卡，再對IP進(jìn)行合理的布局分配，就可以實(shí)現(xiàn)廠級的互聯(lián)通訊。

(4)穩(wěn)定性。在未來的工業(yè)控制領(lǐng)域，穩(wěn)定性和可靠性將是人們關(guān)注的重點(diǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)最突出的特點(diǎn)就是通訊速率快，一般可達(dá)到百兆級，最高可達(dá)到千兆級，極大的滿足了大數(shù)據(jù)時(shí)代需要的高通訊速率的需求。

2 工業(yè)以太網(wǎng)的工作原理

目前工業(yè)以太網(wǎng)主流的幾種通訊協(xié)議包括Modbus TCP/IP、Profinet、Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink，我們選取其中的一種EtherCAT協(xié)議簡述其工作原理及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。EtherCAT是一種現(xiàn)場總線式的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，由德國倍福Beckhoff公司開發(fā)。主要用于過程數(shù)據(jù)的傳輸，包含若干個(gè)EtherCAT報(bào)文，這些報(bào)文工作在一塊特定的邏輯映射內(nèi)存區(qū)，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)可以任意編寫地址。

EtherCAT通訊協(xié)議的OSI模型如圖1所示，主要包含三層結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈層、應(yīng)用層。物理層主要指硬件通訊設(shè)備，作用是信號的采集并上傳；數(shù)據(jù)鏈層的主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸，同時(shí)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不失貞；應(yīng)用層主要是對傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行回應(yīng)，經(jīng)過計(jì)算后傳回物理層，EtherCAT的這種結(jié)構(gòu)非常適合具有多個(gè)從站的控制系統(tǒng)，傳輸速率快。

圖1 EtherCAT通訊協(xié)議的OSI模型

3 一種典型的工業(yè)以太網(wǎng)PTM控制系統(tǒng)

PTM是電解鋁車間的主要輔助設(shè)備，其全稱為鋁電解多功能機(jī)組，主要負(fù)責(zé)電解鋁車間陽極更換、出鋁、加料以及車間內(nèi)物料的吊運(yùn)工作，工作范圍幾乎覆蓋了電解車間所有的工作區(qū)域，是車間構(gòu)建管控一體化的重要組成部分。由于工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)普遍應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，且管控一體化要求PTM所有的工作信息在辦公網(wǎng)絡(luò)中可查詢、可監(jiān)控，PTM設(shè)備使用工業(yè)以太網(wǎng)作為主要的通訊方式已經(jīng)是勢在必行了。

鋁電解多功能機(jī)組的結(jié)構(gòu)主要包括大車、小車、出鋁車、液壓系統(tǒng)、提升機(jī)構(gòu)等，控制系統(tǒng)一般采取PLC控制，驅(qū)動模式包括接觸器驅(qū)動和變頻器驅(qū)動。本文介紹的一種典型的工業(yè)以太網(wǎng)PTM控制系統(tǒng)采取PLC控制，分為一個(gè)主站兩個(gè)從站，大車、小車等主要機(jī)構(gòu)采取變頻器驅(qū)動，單臺PTM設(shè)備配置一個(gè)無線電臺，所有以上提到的設(shè)備均采取以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，根據(jù)以上簡述的控制系統(tǒng)繪制如下結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2 一種典型的PTM以太網(wǎng)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)由PLC、變頻器、工業(yè)電臺、交換機(jī)、觸摸屏及必要的通訊網(wǎng)線組成。PTM是一種復(fù)雜龐大的機(jī)械設(shè)備，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和限位反饋較多，因此需要的IO點(diǎn)的數(shù)量比較龐大，所以PLC控制單元劃分為三個(gè)站，一個(gè)主站兩個(gè)從站，三個(gè)站分布在PTM的大梁、檢修平臺及司機(jī)室內(nèi)，這種布局方便全車電纜的鋪設(shè)，可節(jié)省電纜成本。主站和從站通過以太網(wǎng)通訊，各站點(diǎn)設(shè)置不同的IP地址，所有的IO和模擬量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線進(jìn)行交換。主站PLC外接一個(gè)工業(yè)交換機(jī)，用于通訊變頻器、工業(yè)電臺、HMI(人機(jī)界面)。工業(yè)電臺用于PTM與PTM間的數(shù)據(jù)通訊，也可進(jìn)行PTM與車間中控室的數(shù)據(jù)交換，車間一體化管理就是通過這個(gè)電臺來監(jiān)控天車的運(yùn)行狀態(tài)，技術(shù)人員也可通過這個(gè)電臺用手機(jī)或筆記本電腦查看PTM的運(yùn)行數(shù)據(jù)。HMI全稱人機(jī)界面，是監(jiān)控PTM運(yùn)行的主要設(shè)備，天車運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)均可顯示在觸摸屏上，包括所有的限位狀態(tài)、故障信息、變頻器運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。變頻器作為電機(jī)的主要驅(qū)動裝置，通過以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，PLC通過網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)行指令發(fā)送給變頻器，變頻器再將運(yùn)行狀態(tài)反饋給PLC。

整個(gè)控制系統(tǒng)均通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，以太網(wǎng)在進(jìn)行通訊參數(shù)設(shè)置時(shí)十分便捷，一般只需要合理的IP分布就可以，如果網(wǎng)絡(luò)比較龐大，也可通過子網(wǎng)掩碼的設(shè)置增加可用IP的數(shù)量。圖2所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為典型的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，也稱之為冗余系統(tǒng)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定性強(qiáng)，適合隨時(shí)移動的PTM設(shè)備，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任何一點(diǎn)斷開，控制系統(tǒng)依然可正常運(yùn)行，保障生產(chǎn)正常進(jìn)行。這種典型以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)拓展性強(qiáng)，目前工業(yè)以太網(wǎng)大多是開放通訊協(xié)議，任何支持以太網(wǎng)的設(shè)備均可與之進(jìn)行通訊，本系統(tǒng)無線電臺可與外界進(jìn)行無線通訊，工業(yè)交換機(jī)也可用于系統(tǒng)自身的技術(shù)升級與設(shè)備拓展。因此基于以太網(wǎng)的PTM通訊系統(tǒng)不僅可以滿足車間管控一體化的使用需求，也為以后的技術(shù)改造升級留下了足夠的提升空間。

4 結(jié)束語

目前工業(yè)以太網(wǎng)正在快速發(fā)展中，其在鋁電解車間的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車間的輔助設(shè)備上，它的應(yīng)用很大程度上提高了電解鋁行業(yè)的自動化水平，在企業(yè)減員增效方面發(fā)揮了巨大的作用。相信工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍會越來越廣泛，未來在智能控制方面發(fā)揮其不可替代的作用。