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以太網(wǎng)在自動(dòng)化中的應(yīng)用

以太網(wǎng)在自動(dòng)化中的應(yīng)用
 
  本文介紹了以太網(wǎng)技術(shù)在自動(dòng)化中的應(yīng)用刚陡,并通過(guò)實(shí)例分析了其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能陆盘,說(shuō)明了應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)是自動(dòng)化的發(fā)展方向之一舷蟀。

    計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展恤磷,引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革「旯矗控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化绷煎、開(kāi)放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)户痒,在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用火毕。    

1. 以太網(wǎng)技術(shù)介紹
    一般來(lái)講,控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層:信息層赠槽、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)剃炬。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng),而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線或其他專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)盘另。目前惋探,以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層,很多的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品巩荧。以太網(wǎng)之所以給自動(dòng)化市場(chǎng)帶來(lái)風(fēng)暴式的革命抗海,主要有3個(gè)原因:低成本的刺激和速度的提高;現(xiàn)代企業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息有越來(lái)越多的要求福耐;以太網(wǎng)的開(kāi)放性和兼容性葫羡。     早期的以太網(wǎng),多節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)傳輸媒體昌罩,稱(chēng)為共享以太網(wǎng)(Shared Ethernet)哭懈,節(jié)點(diǎn)間通信采用廣播方式,易發(fā)生沖突茎用。共享以太網(wǎng)用CSMA/CD技術(shù)來(lái)避免沖突遣总,即發(fā)送方檢測(cè)到?jīng)_突就暫停發(fā)送,隨機(jī)延遲一段時(shí)間后再重新發(fā)送直到成功轨功。由于延遲時(shí)間是隨機(jī)的旭斥,不能事先知道,因而共享以太網(wǎng)的時(shí)間響應(yīng)具有不確定性古涧,不能用于強(qiáng)實(shí)時(shí)性場(chǎng)合垂券。     交換以太網(wǎng)(Switched Ethernet)的出現(xiàn)克服了這一缺點(diǎn),以太網(wǎng)的交換機(jī)(Switch)是數(shù)據(jù)鏈路層(ISO/OSI參考模型第二層)的多端口網(wǎng)橋羡滑,也可以說(shuō)是智能分配器菇爪。交換機(jī)將其管理的網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節(jié)點(diǎn),每一節(jié)點(diǎn)單獨(dú)與交換機(jī)建立物理連接柒昏,在通信的時(shí)候交換機(jī)會(huì)在發(fā)送端口與接受端口間建立一個(gè)獨(dú)占的全雙工通道凳宙,它具有以太網(wǎng)的全部帶寬并避免沖突属圃。     交換以太網(wǎng)在獲得確定性的同時(shí),傳輸速度也有極大的提高仔省。千兆以太網(wǎng)已普及俄躺,10Gb/s的交換以太網(wǎng)正在開(kāi)發(fā)。當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)红集,應(yīng)用層含有HTTP(超級(jí)文本傳輸協(xié)議)亲沃、FTP (文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)判懒。這些基于TCP/IP的協(xié)議簇已經(jīng)成為工業(yè)界事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)袋员,在不同廠商的不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時(shí)刀雳,體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信痘嫉、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。     工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)粪世。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設(shè)備層采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后馆义,控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制,可以位于現(xiàn)場(chǎng)胁塞,也可以位于中央控制室咏尝。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來(lái)越強(qiáng),在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器啸罢,從而允許信息層的用戶(hù)也可以和控制層的用戶(hù)一樣直接獲取控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值编检。采用以太網(wǎng)架構(gòu)和開(kāi)放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱(chēng)為“透明工廠”。     此外扰才,通過(guò)Internet可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控允懂,將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)的用戶(hù)需求結(jié)合起來(lái),使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)衩匣,而是直接面向機(jī)會(huì)和市場(chǎng)的“電子制造”蕾总,從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的要求。    

2. 串口上網(wǎng)技術(shù)
    以太網(wǎng)作為IT產(chǎn)業(yè)的主要通訊骨干琅捏,已是眾所皆知的事實(shí)谤专,并已大量的應(yīng)用在人類(lèi)生活息息相關(guān)的信息產(chǎn)業(yè)上。面對(duì)這股網(wǎng)絡(luò)化的潮流午绳,身為所有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng),也廣泛的應(yīng)用TCP/IP以太網(wǎng)作為系統(tǒng)通訊界面映之,并積極發(fā)展更符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)品拦焚,提高系統(tǒng)自動(dòng)化的能力,從而達(dá)到降低成本颜要、提升競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)荣吻。     但是,在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的過(guò)程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設(shè)備未具備聯(lián)網(wǎng)能力,在控制指令與設(shè)備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的方案哭夺。而串口通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)單、易用押辽,性?xún)r(jià)比高卷撞,是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的理想選擇。現(xiàn)在市場(chǎng)上已出現(xiàn)MOXA的Nport系列串口上網(wǎng)服務(wù)器饵忙。     使用MOXA的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)程序盐文,MOXA的串行端口可以被仿真成是遠(yuǎn)程的COM端口徘涤,不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應(yīng)用軟件或通訊元件评矩。好處在于,有了Windows和Linux/Unix的驅(qū)動(dòng)程序支持果嗜,Nport 家族 可以立即讓串口設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)的能力极阴。Nport 家族設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器包含完整的TCP/IP協(xié)議昙百。它可以把串口數(shù)據(jù)包裝成TCP封包,并轉(zhuǎn)換成可以在Ethernet上傳送的Frame碟狞,傳送到主機(jī)的以太網(wǎng)卡上啄枕。主機(jī)以自己的TCP/IP協(xié)議解封包后,應(yīng)用程序可以接收到完整的串口數(shù)據(jù)族沃。     通過(guò)Nport 家族 TCP端口频祝,可不是用驅(qū)動(dòng)程序,而以TCP/IP Socket來(lái)存取串口數(shù)據(jù)竭业。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統(tǒng)智润。讓串口設(shè)備具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)界面,可提高企業(yè)管理與原作效率未辆。由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程窟绷、機(jī)動(dòng)性管理的特性,大大減低系統(tǒng)故障維護(hù)與人力成本咐柜,是一個(gè)底成本效益的串口設(shè)備管理模式兼蜈。      

3.基于以太網(wǎng)的DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)    
3.1以某石膏粉生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)為例,原理:石膏粉生產(chǎn)線分破碎拙友、粉磨为狸、炒制及包裝等幾大部分。
    破碎:將生料送入一次破碎機(jī)中破碎遗契,一次破碎后的生料由提升機(jī)送入料倉(cāng)1中臭膊,料倉(cāng)1下掛有電振機(jī),啟動(dòng)電振機(jī)即可將一次破碎后的生料送入二次破碎機(jī)中進(jìn)行二次破碎膊编,二次破碎后的生料由提升機(jī)送入料倉(cāng)2栏赋,待料倉(cāng)2下的電振機(jī)啟動(dòng)即可將破碎后生料送入磨機(jī)進(jìn)行粉磨。      粉磨:破碎后的生料進(jìn)入磨機(jī)進(jìn)行粉磨尸钢,粉磨后的粉料由絞刀1#經(jīng)提升機(jī)仙衩、絞刀2#送入預(yù)熱倉(cāng)妄由,預(yù)熱倉(cāng)的粉料再經(jīng)下面雙絞刀3#、4#送入炒鍋進(jìn)行炒制篇挡。其中像淋,預(yù)熱倉(cāng)中粉料的料位由料位傳感器測(cè)得,經(jīng)變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道报葬。 
            
    炒制及包裝:粉料經(jīng)雙絞刀3#语雇、4#送入炒鍋中進(jìn)行炒制,當(dāng)炒鍋中粉料的料位達(dá)到上限值時(shí)贵健,停止雙絞刀3#迷啄、4#。炒鍋一邊加熱朋蔫,一邊用攪拌器攪拌粉料罚渐,當(dāng)粉料溫度達(dá)溫度設(shè)定值時(shí),啟動(dòng)閥門(mén)電機(jī)驯妄,粉料泄入料倉(cāng)3中荷并。當(dāng)炒鍋中粉料的料位達(dá)到下限值時(shí),啟動(dòng)雙絞刀3#青扔、4#源织,預(yù)熱倉(cāng)中的粉料進(jìn)入炒鍋,使炒鍋的溫度低于溫度設(shè)定值微猖,停止閥門(mén)電機(jī)谈息,粉料進(jìn)入下一輪炒制。料倉(cāng)3中的熟料凛剥,由絞刀5#經(jīng)提升機(jī)機(jī)送入料倉(cāng)4侠仇,再經(jīng)絞刀6#輸出包裝。其中犁珠,炒鍋中粉料的溫度由溫度傳感器測(cè)得逻炊,經(jīng)變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道;絞刀6#的輸出速度由變頻器控制雇牍,以便調(diào)節(jié)其輸出速度嗅呻。限于篇幅省略工藝流程圖(需要可與作者聯(lián)系)

3.2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)利用以太網(wǎng)技術(shù),采用集中管理分散控制的方式乌心。根據(jù)石膏粉生產(chǎn)線破碎导劝、粉磨、炒制及包裝三大部分的控制要求匹羹,用三臺(tái)CPM1A型OMRON PLC實(shí)現(xiàn)控制往姆。     本系統(tǒng)選擇1對(duì)3串口服務(wù)器。只需在上位機(jī)按裝 Windows 95/98/ME, Windows NT, 和 Windows 2000 native COM 驅(qū)動(dòng)程序, 給MOXA多串口服務(wù)器設(shè)置IP地址,上位機(jī)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)與MOXA Nport-Server通訊宏湾,下位機(jī)(PLC)通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)換器與MOXA多串口服務(wù)器通訊相連,并分配虛擬COM口涧谓,上位機(jī)組態(tài)軟件需要設(shè)計(jì)下位計(jì)算機(jī)的所有系統(tǒng)組態(tài)程序旋稚,建立相應(yīng)的COM3-COM5硬件設(shè)備,進(jìn)行系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)置組態(tài)瑟捺,系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以通過(guò)訪問(wèn)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)(與以太網(wǎng)方案相同奕枝,需要在組態(tài)軟件上發(fā)布WEB頁(yè)面),遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以直接訪問(wèn)MOXA多串口服務(wù)器的IP地址瓶堕,直接讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包隘道,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體設(shè)計(jì)為破碎站PLC為COM3口郎笆,粉磨站PLC為COM4口谭梗、炒制及包裝站PLC為COM5口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示宛蚓。 


             
    本系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制激捏,與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線方式相比,具有成本低凄吏,控制距離遠(yuǎn)(連入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)均可對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控)远舅,易于管控結(jié)合等特點(diǎn)。

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王組態(tài)軟件痕钢。因?yàn)榻M態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性的客戶(hù)服務(wù)器模式图柏,所以客戶(hù)服務(wù)器是相對(duì)的。按系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架系統(tǒng)有管理站任连,下位機(jī)分破碎站,粉磨站和炒制及包裝站蚤吹,各工作站分別安裝組態(tài)王6.0網(wǎng)絡(luò)版。以太網(wǎng)構(gòu)架嚎脖。需在每一工作站組態(tài)王“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”項(xiàng)中選擇聯(lián)網(wǎng)鬼痹,管理站設(shè)置為登陸服務(wù)器和WEB SERVER服務(wù)器生成需要通過(guò)Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控瀏覽的界面,并且需要把本站點(diǎn)上的工程所在路徑下的文件夾設(shè)置為共享方式勤鼓。然后再在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”項(xiàng)中進(jìn)行“客戶(hù)配置”定義本地計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)目蛻?hù)功能榕吨,并且可充當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)的客戶(hù)。一個(gè)系統(tǒng)中登陸服務(wù)器只有一個(gè)均選擇管理站涎舔。進(jìn)行以上配置前提為網(wǎng)絡(luò)中的所有站點(diǎn)均需在網(wǎng)絡(luò)中甲盘,并且可以中常通訊。     網(wǎng)絡(luò)信息傳遞即網(wǎng)絡(luò)變量的引用哮互。組態(tài)王可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的變量直接引用臣镜。
   
4. 總結(jié)
    工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是分布式、開(kāi)放化和信息化。分布式的結(jié)構(gòu)是一種能確保網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)智能的模塊能夠獨(dú)立的工作的網(wǎng)絡(luò)洁馒,達(dá)到系統(tǒng)危險(xiǎn)分散的概念贾悬;開(kāi)放化則是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有與外界的接口,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的連接柱锹;信息化則是使系統(tǒng)信息能夠進(jìn)行綜合處理能力哪自,與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和管控一體化。     基于以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化具有低成本和開(kāi)放性禁熏,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制壤巷,易于與管理結(jié)合,實(shí)現(xiàn)管控一體化瞧毙,這也是自動(dòng)化的發(fā)展方向之一胧华。上述系統(tǒng)已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),具有極好的推廣價(jià)值宙彪。

                                                                                                               


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