工業(yè)以太網在軋鋼廠自動控制中的應用

劉金龍

（河鋼邯鋼大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056003）

0 引言

進入新時代，科技還在飛速發(fā)展，促使互聯網應用在各領域各行業(yè)中，在工業(yè)自動化控制中應用促進工業(yè)的快速發(fā)展。工業(yè)自動化控制的主要方式包括計算機的集散控制（DCS）、集中控制（CCS）、總控制（FCS）等，但由于工業(yè)需求方面的發(fā)展，以上的控制方式的應用出現了一些不足，如網絡通信信號不夠穩(wěn)定，自動控制系統難以升級，后續(xù)維修及養(yǎng)護消耗大量的人力及物力資源等，所以當前工業(yè)自動化控制既能滿足工廠需求，也能避免以上傳統自動控制在應用中存在的問題。因此進一步研究工業(yè)以太網應用在軋鋼廠自動化控制的設計十分必要。

1 工業(yè)以太網的相關闡述

工業(yè)以太網主要設計應用在工業(yè)上的，符合國際標準IEEE802.3提供性能可靠、開放、多供應商等區(qū)域及單元網絡。在控制網絡的頂層都已廣泛應用工業(yè)以太網，且發(fā)展逐漸朝著現場層及底層方面拓展。同時工業(yè)以太網主要采用的的協議主要是TCP或IP，通過以太網工廠的自動化控制系統就能與企業(yè)的外部、內部的因特網與互聯網進行連接，同時一系列硬件設備無需配備，就能實時共享管理與控制的網絡的信息數據，即“管控一體化”；近年來Internet和Intranet的發(fā)展，以太網已滲透到各個角落，可不應用軟件，使用IE瀏覽器可對工業(yè)現場控制數據進行訪問瀏覽，這是任何一種現場總線都是無法完成的，其中的交換技術可提供通信穩(wěn)定的性能。同時以太網比較靈活，原有的設備也可進行發(fā)展，其中使用的拓撲網絡結構，使得網絡的可靠性及穩(wěn)定性更高。通過無線、有線的電話網或互聯網，即可滿足以太網交換遠程信息數據的需求；通信速率快，10Mbit或100 Mbit/s的以太網已被投入廣泛應用，此時1Gb/s以太網技術也已經成熟，而傳統的總線速率只達12Mb/s因此，以太網速率相對于傳統的來說，可滿足工業(yè)自動化控制網絡更快速率的寬帶需求。綜上，工業(yè)以太網主要有以下特點：（1）以太網和IEEE802．3與IEEE802.3u 兼容，產品在設計及制造中滿足工業(yè)生產的實際需要。（2）傳輸速率快，網絡最多能承載1023個節(jié)點，網絡覆蓋的范圍最大可達150km。（3）較強的抗干擾能力，無論環(huán)境多么惡劣的工業(yè)現場都可應用，使得被廣泛應用于工業(yè)領域。（4）供電采用DC24V，冗余連接得以實現。（5）導軌較為標準，更換和安裝更為便捷，可隨意組合不同的拓撲網絡結構。（6）供電采用DC24V，冗余連接得以實現。（7）應用局域網技術，網絡被分為幾個子網，使得網絡的負荷得有有效減輕。（8）故障自動恢復，網絡發(fā)生交換機故障或斷線等重構網絡的時間在0.3s以下，同時能夠對準確的診斷和糾正網絡故障[1]。

2 軋鋼廠自動控制系統中應用工業(yè)的整體設計

2.1 系統設計遵循的原則

（1）實用：以太網建立的自動加控制系統必須要符合軋鋼廠的實際生產需求與管理要求，對于一些控制系統功能升級或線路擴充等要充分考慮，在設計中遵循最重要的原則就是實用。

（2）低成本： 軋鋼廠實現自動控制必須在工廠內架設組網，這時組網架設投入的資金成本高，使得在組網設計中要求降低投入成本。低成本針對于軋鋼廠來說，除了軋鋼廠架設自動化控制系統網絡的低成本，主要還有自動化控制系統應用后續(xù)的擴容、升級、維護系統等工作中涉及到的成本，也需要降低成本[2]。

（3）組網靈活：軋鋼廠實際的生產和運營中涉及到的生產及電氣設備的種類繁多，不同類型設備配置的電氣規(guī)格也不相同，類型多樣的電氣規(guī)格的生產設備接入以太網，為了保證網絡的有效性，每臺不同的設備必須要接入專用接口模塊，使得以太網建立的自動控制在設計中靈活組網是不可缺少的，促使生產設備能夠靈活與整個自動化控制網絡實現連接。

（4）穩(wěn)定可靠：軋鋼廠生產環(huán)境相于來說比較惡劣，一些內部及外部因素都用可能對自動化控制產生影響。同時該網絡主要是拓撲結構，故障發(fā)生也能很好地更換及維修，因此，工業(yè)以太網自動化控制系統的穩(wěn)定及可靠性能十分必要性，確保能夠適應生產環(huán)境。

2.2 明確系統功能

根據軋鋼廠自動控制對于系統的要求，對于構建的自動控制系統的主要功能包括以下模塊：（1）數據收集模塊：該模塊功能設計的主要目的是實現軋鋼廠中的各種類型的生產、電氣設備運行的實時監(jiān)測，主要是工作運行及環(huán)境等狀態(tài)參數，同時還有對生產生指標的功能產生影響的參數進行動態(tài)監(jiān)測。通過傳感器收集將進行對監(jiān)測功能的參數，收集模塊將底層信息數據經過太網通信入口傳輸到工業(yè)以太網總網中進而經過其到的最頂層的信息化的管理系統中[3]。（2）數據輸送模塊：該模塊功能實現基于工業(yè)以太網，同時需要一些不可缺少的網絡數據輸送設施設備，才能讓數據實現網絡輸送，主要是底層數據輸送到達信息控制系統，信息控制系統遠程發(fā)出控制命令傳輸到底層的控制處理器中。（3）運行中生成的數據信息處理模塊：主要包括數據的自動生成、存儲、瀏覽及遠程控制等，要想實現該模塊功能，需要專門為其設計的機組軟件，使得底層檢測的數據顯示圖形化、存儲及瀏覽等功能才能實現。（4）人機交互模塊：該模塊功能主要是使得自動化系統的操作技術人員和系統之間交互的實現，同時讓系統使用中對于操作人員發(fā)出的遠程控制命令等進行很好地做出相關的反應，該模塊功能的實現主要是設計交互觸摸屏、鍵盤等工具[4]。

3 軋鋼廠應用工業(yè)以太網自動控制系統的實現方案

3.1 系統中工業(yè)以太網參數確定

確定將工業(yè)以太網應用在軋鋼廠自動化控制系統中作為介質，確定系統的參數極其重要，主要是其拓撲結構及帶寬兩方面。（1）工業(yè)以太網中的拓撲結構主要是符合軋鋼廠自動化控制系統中的功能要求，明確自動化控制中系統采用的網絡拓撲結構主要是環(huán)型，這種網絡結構主要是在網絡節(jié)點連接主要是終端和末端相連的通信鏈路形成的閉合環(huán)路，這種網絡結構具有組網靈活、低成本、系統功能冗余等優(yōu)勢，即使在運行中其中一個環(huán)路網絡發(fā)生癱瘓或過于擁堵，在整個環(huán)型網絡上的另外網絡節(jié)點也不會受其影響，因此，確定網絡結構為環(huán)型[5]。（2）網絡帶寬的確定，工業(yè)以太網從出現發(fā)展至今，在不斷的發(fā)展及升級中從1M帶寬逐漸升級為10M、100M甚至是1000M的帶寬，1M帶寬對于任何領域的應用來說失去價值，而最新發(fā)展升級出現的1000M帶寬應用架設的組網成本高，結合軋鋼廠生產的大型車間環(huán)境，及具體應用自動化控制功能中對網速的要求，當前采用流行的100M網絡帶寬就能夠很好地滿足該系統控制需求。

3.2 工業(yè)以太網下軋鋼廠自動控制的實現

（1）信息管理層：該層的主要作用是實現數據的管理，將數據以理想中的形式顯示數據或者圖像圖形，自動儲存、查詢及結合數據信息進行的報警，遠程控制命令的發(fā)出等，對軋鋼廠所有的生產及電氣設備的運行及參數完成遠程監(jiān)測及控制。（2）中間層：該層主要是整個網絡的數據傳輸層，其主要的是工業(yè)以太網，其中還有路由器、數據處理傳輸、現場控制等。中間層的作用是對底層軋鋼廠在運行工作中的生產設備與工作的參數完成網絡傳輸，將產生的數據輸送到頂層的信息管理層；或者將頂層的信息管理層下達的遠程控制命令輸送到軋鋼廠運行現場控制的設備或節(jié)點，完成指定設備的控制[6]。（3）設備控制層：設備控制層需要PLC、單片機控制器與傳感器輔助，動態(tài)監(jiān)測生產及電氣設備的運行狀態(tài)參數，同時將產生的數據信息輸送到PLC或單片機等控制器對數據進行預處理，最終傳送到頂端的信息管理層；這時也要責接對信息管理層發(fā)出的遠程控制命令進行接收，最終控制器實現對生產設備的控制。

4 工業(yè)以太網在自動化控制中的應用建議

4.1 加強實時及確定性

現階段，以太網在工業(yè)的自動化中廣泛應用，且重要性較為突出，但在變化發(fā)展的通信網絡環(huán)境下需要對局域網進行完善，加強其實時及確定性。采用交換技術，建立以交換機為介質的系統，實現有效安排數據包，確定傳輸的順序；應用系統面對面發(fā)送數據，避免發(fā)生碰撞，保證網絡更加安全穩(wěn)定。

4.2 加大對工業(yè)以太網自動化系統的研發(fā)力度

為了讓工業(yè)實現更高程度的自動化控制，以太網需要在工業(yè)生產現場的管控上有所發(fā)展，加大對工業(yè)自動化系統的研發(fā)，使得以太網的實時、穩(wěn)定及確定性得以提升，研發(fā)生產出高端系列產品，以此實現生產現場與辦公室的管控一體化。

此外，通過以太網技術加強自動化系統中的組態(tài)、控制及數據收集功能，控制對輸送任務網絡，自動化采集數據，以此提升控制水平。

5 結論

總的來說，結合軋鋼廠對自動化控制的應用需求，對工業(yè)以太網進行系統的闡述，基于此軋鋼廠自動化控制系統設計原則，又對工業(yè)以太網在軋鋼廠自動化控制系統中的應用提出實現的設計方案，最后以太網在工業(yè)自動化控制中很好地應用提出建議，以此提升自動化控制的程度及管理水平，促進現代化工業(yè)的蓬勃發(fā)展。