摘要：工業(yè)以太網(wǎng)由于具有眾多優(yōu)勢(shì)而在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用?；诠I(yè)以太網(wǎng)絡(luò)探討了流水線自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，給出了工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方案，并結(jié)合流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際功能，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)控制系統(tǒng)層次框架，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)化控制；遠(yuǎn)程控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.143904

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002013202

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：陳長(zhǎng)輝（1980-），男，廣東雷州人，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)綜合布線。

0引言

隨著精密制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)控制的自動(dòng)化要求日漸提高，對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求也就越來(lái)越高。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展，使得工業(yè)自動(dòng)化控制從過(guò)去傳統(tǒng)的電氣自動(dòng)化控制向無(wú)人值守遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)變＼[1＼]。在這種背景下，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)得以廣泛研究與應(yīng)用，并逐步取代傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

本文結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，詳細(xì)探討基于工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，以期能夠找到工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)與控制中的應(yīng)用模式與經(jīng)驗(yàn)，并和廣大同行分享。

1工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

1.1工業(yè)以太網(wǎng)概述

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的強(qiáng)大區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATIC NET 提供了一個(gè)無(wú)縫集成到新的多媒體世界的途徑＼[2＼]。企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)（Intranet）、外部互聯(lián)網(wǎng)（Extranet）以及國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）已應(yīng)用于生產(chǎn)及其過(guò)程自動(dòng)化。繼10M波特率以太網(wǎng)成功運(yùn)行之后，具有交換功能、全雙工和自適應(yīng)的100M波特率快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的標(biāo)準(zhǔn)）也已成功運(yùn)行多年。采用何種性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要，通用的兼容性允許用戶無(wú)縫升級(jí)到新技術(shù)，這是工業(yè)以太網(wǎng)的最大優(yōu)勢(shì)。因此，很多過(guò)去傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)能夠無(wú)縫升級(jí)到基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)＼[3＼]。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接決定了整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因此選用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要結(jié)合具體的控制對(duì)象和控制要求來(lái)分析。本文以工業(yè)生產(chǎn)中最為普及和廣泛的流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象。由于流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)往往涉及多個(gè)機(jī)電裝備，同時(shí)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，因此選用普通的星型結(jié)構(gòu)或者樹(shù)形結(jié)構(gòu)，都無(wú)法保證整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性；選擇環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)旁路傳輸，不會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)上某一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，其可靠性比普通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強(qiáng)一倍＼[4＼]，因此，本文選用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2.2系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)了整個(gè)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。從要實(shí)現(xiàn)的控制功能來(lái)看，整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)可以劃分為以下3個(gè)層次：

（1）信息管理層。信息管理層處于整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂層，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)信息的匯總、集成和管理。通過(guò)開(kāi)發(fā)具有人機(jī)交互功能的軟件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層處于整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)組網(wǎng)方案的中間層次，是由工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的實(shí)際物流鏈路傳輸層，用于實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)頂層控制中心下行的控制指令的雙向傳輸。網(wǎng)絡(luò)傳輸層的可靠性直接決定著整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性。因此，在實(shí)際構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)傳輸層時(shí)，應(yīng)采用合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、合理的中繼路由節(jié)點(diǎn)，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的可靠性。

（3）底層數(shù)據(jù)采集層。底層數(shù)據(jù)采集層位于整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)組網(wǎng)方案的底層，主要由各類傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)源和基礎(chǔ)＼[5＼]。因此，在實(shí)際構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集層時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用合理的傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置，確保采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)、有效和可靠，并實(shí)時(shí)進(jìn)入工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

2工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1功能模塊設(shè)計(jì)

基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)功能主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)電裝備運(yùn)行參數(shù)的采集與實(shí)時(shí)顯示。流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)首先要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各機(jī)電裝備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)，確保整個(gè)流水線生產(chǎn)運(yùn)作的穩(wěn)定可靠。因此，系統(tǒng)的首要功能便是實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境、狀態(tài)參數(shù)的采集與實(shí)時(shí)顯示，從而為現(xiàn)場(chǎng)控制人員和管理人員的生產(chǎn)工序調(diào)整、設(shè)備維護(hù)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

（2）流水線自動(dòng)控制指令的實(shí)時(shí)下達(dá)。流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)需要針對(duì)不同的工序、工步調(diào)整各機(jī)電裝備的運(yùn)行狀態(tài)，這在以往都是由工人手動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，無(wú)需工人手動(dòng)調(diào)整，依托自動(dòng)控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制。因此，流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)控制指令的自動(dòng)、實(shí)時(shí)傳輸是實(shí)現(xiàn)真正自動(dòng)化控制和無(wú)人值守的關(guān)鍵功能。

（3）數(shù)據(jù)管理功能。針對(duì)眾多機(jī)電裝備的不同狀態(tài)參數(shù)，要對(duì)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，需要流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的數(shù)據(jù)管理功能，這借助于第三方數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件就能實(shí)現(xiàn)。

（4）遠(yuǎn)程調(diào)度與監(jiān)控功能。工業(yè)以太網(wǎng)的最大優(yōu)勢(shì)是能夠依托網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度和監(jiān)控，真正做到無(wú)人值守。而要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度與監(jiān)控功能，除了工業(yè)以太網(wǎng)要具備普通的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的全部功能外，還應(yīng)當(dāng)能夠和因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。將工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)處于因特網(wǎng)中，只要輸入IP地址，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度功能。

2.2系統(tǒng)層次框架設(shè)計(jì)

基于工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)及其系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)，整個(gè)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)的層次框架設(shè)計(jì)如下：

（1）傳感采集設(shè)備。傳感采集設(shè)備主要由各類傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集需要監(jiān)測(cè)的機(jī)電裝備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)及必要的環(huán)境參數(shù)，確保整個(gè)流水線自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（2）本地PLC站。本地PLC站負(fù)責(zé)接收傳感采集設(shè)備傳輸過(guò)來(lái)的相關(guān)數(shù)據(jù)，由PLC內(nèi)部程序進(jìn)行必要的運(yùn)算，通過(guò)PLC與上位機(jī)監(jiān)控終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與實(shí)時(shí)顯示。這種方案的最大優(yōu)點(diǎn)在于極大地減輕了上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理壓力，讓數(shù)據(jù)處理由本地PLC站實(shí)現(xiàn)，這一方面能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算，另一方面也可提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸單元。網(wǎng)絡(luò)傳輸單元主要由工業(yè)以太網(wǎng)及其必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸、中繼設(shè)備構(gòu)成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的頂層與底層之間數(shù)據(jù)的雙向通信和交換。

（4）監(jiān)控終端。監(jiān)控終端主要由頂層的具有人機(jī)交互功能的終端實(shí)現(xiàn)，可以由第三方軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，也可以借助于專業(yè)平臺(tái)。監(jiān)控終端除了具有對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能外，同時(shí)還具有數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)控制等功能，以確保整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程調(diào)度和無(wú)人值守的功能。

（5）控制執(zhí)行終端?？刂茍?zhí)行終端位于系統(tǒng)的底層，主要作用是接收來(lái)自頂層的監(jiān)控終端的控制指令，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂茍?zhí)行終端，由控制執(zhí)行終端驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行器完成預(yù)定的控制功能，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能。

3結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的逐漸普及與應(yīng)用，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)得到了廣泛研究與應(yīng)用，現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制水平得以不斷提高。本文主要從工業(yè)以太網(wǎng)自身的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)入手，結(jié)合流水線自動(dòng)化工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，探討了基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）