基于以太環(huán)網(wǎng)與虛擬串口的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘要】 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有很多有效的數(shù)據(jù)需要處理，如視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)PLC采集的數(shù)據(jù)等等。傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)一般是在近端完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制、數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，本文介紹了一種基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、無(wú)線通訊、虛擬串口等技術(shù)的遠(yuǎn)距離工業(yè)自動(dòng)化通訊系統(tǒng)，可完成對(duì)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息的遠(yuǎn)程處理，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和便捷性。

【關(guān)鍵詞】 以太環(huán)網(wǎng) 工業(yè)自動(dòng)化 無(wú)線通信 PLC

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)需要有效和可靠的工業(yè)級(jí)通訊系統(tǒng)，以保障工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全。然而，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的有線、簡(jiǎn)單的通訊手段并不能完全適合那些錯(cuò)綜復(fù)雜、多層架構(gòu)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如礦山、煤礦、冶金等等。本文提出了一種基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、無(wú)線通訊技術(shù)的新型工業(yè)自動(dòng)化通訊系統(tǒng)，可適用于各類(lèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

概況地講，本系統(tǒng)由上位檢測(cè)層，通信系統(tǒng)層和前段設(shè)備層三部分組成。前段設(shè)備層是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如各類(lèi)PLC、攝像頭、GPS設(shè)備；通信系統(tǒng)層是本設(shè)計(jì)的核心，包含串口服務(wù)器、以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、無(wú)線通信模塊等等；上位檢測(cè)層包含控制軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等，負(fù)責(zé)前段設(shè)備的顯示、控制和存儲(chǔ)。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 前端設(shè)備

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的前端設(shè)備可以包含各類(lèi)工業(yè)PLC、傳感器和監(jiān)控設(shè)備等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，目前工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)前端設(shè)備豐富多樣。由于PLC不斷地采用新技術(shù)以及增強(qiáng)系統(tǒng)的開(kāi)放性，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。PLC將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，成為實(shí)現(xiàn)單機(jī)、車(chē)間、工廠自動(dòng)化的核心設(shè)備。目前主流的生產(chǎn)企業(yè)大多來(lái)自國(guó)外，如施耐德、西門(mén)子、歐姆龍和羅克韋爾等；傳感器的發(fā)展奠定了工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，特別是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，各種有毒氣體、溫度、濕度、質(zhì)量等傳感器提供了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的詳細(xì)指標(biāo)。此外，現(xiàn)場(chǎng)視頻畫(huà)面、用戶(hù)GPS位置等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中都是重要的一部分。

2.2 智能通信網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)以工業(yè)級(jí)設(shè)備為基礎(chǔ)，配合工業(yè)級(jí)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)，將各種非以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，部分場(chǎng)景下采用無(wú)線傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，用于克服地勢(shì)環(huán)境的限制。

1、以太網(wǎng)串口服務(wù)器。雖然PLC功能和應(yīng)用全面，但是絕大多數(shù)工業(yè)設(shè)備還不能直接支持以太網(wǎng)協(xié)議，這樣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中需要將此類(lèi)工業(yè)協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，而以太網(wǎng)串口服務(wù)器可以將RS232、RS422、RS485的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)普遍的以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。串口服務(wù)器可使用三種使用方式：直連IP模式；虛擬串口模式；對(duì)等模式。本系統(tǒng)使用虛擬串口模式，該模式下會(huì)在PC上虛擬出一個(gè)串口，串口設(shè)備類(lèi)似直接連接到物理串口設(shè)備一樣，串口服務(wù)器進(jìn)行兩端設(shè)備數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸。

2、工業(yè)級(jí)無(wú)線傳輸設(shè)備。工業(yè)場(chǎng)景下村鎮(zhèn)環(huán)境惡劣、布線困難或者長(zhǎng)距離的傳輸?shù)膱?chǎng)景，因而需要使用到無(wú)線傳輸設(shè)備。通信系統(tǒng)中考慮到此類(lèi)的場(chǎng)景，基于modbus等總線的設(shè)備都可以通過(guò)無(wú)線通信模塊，達(dá)到安全、穩(wěn)定并遠(yuǎn)距離的傳輸，通過(guò)串口服務(wù)器即可以接入廣泛的以太網(wǎng)。使用該無(wú)線模塊的網(wǎng)絡(luò)的有如下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省線纜布線和維護(hù)費(fèi)用；可提供分布式網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接；可高達(dá)15Mbps的數(shù)據(jù)吞吐量，2KM的距離。

3、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。通信網(wǎng)絡(luò)的核心部分是基于RingOn技術(shù)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，前端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)直接或者通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入工業(yè)級(jí)以太環(huán)網(wǎng)，通過(guò)工業(yè)級(jí)的傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端控制中心。該網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點(diǎn)：工業(yè)級(jí)以太環(huán)網(wǎng)，適合惡劣環(huán)境；不間斷的冗余環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)時(shí)間小于20ms；網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，性能優(yōu)良。

2.3控制中心設(shè)計(jì)

該部分基于現(xiàn)有的服務(wù)器端標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，包含存儲(chǔ)器、控制設(shè)備和顯示設(shè)備等。自動(dòng)化工廠的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸單元接入控制中心，每種不同的PLC都有相應(yīng)的上位機(jī)模塊，可以將數(shù)據(jù)直接顯示出來(lái)或者直接進(jìn)行存儲(chǔ)。

三、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與展望

本通信系統(tǒng)以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合無(wú)線通信模塊，承載工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的前端設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和后端控制系統(tǒng)，組成了一個(gè)完整的工廠自動(dòng)化解決方案。以太網(wǎng)串口服務(wù)器的使用簡(jiǎn)單的完成了快速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男Ч?；控制端使用虛擬串口減少了對(duì)控制器的要求并使用靈活，適合多類(lèi)控制場(chǎng)景；工業(yè)PLC類(lèi)型的多樣性間接突出了本系統(tǒng)高度的可移植行。