淺談工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動控制中的應(yīng)用

張曉慶

【摘 要】在當前工業(yè)生產(chǎn)控制日趨自動化、智能化的背景下，傳統(tǒng)的集中控制、集散控制以及現(xiàn)場總線控制等方式在遠程自動控制、工業(yè)通信等環(huán)節(jié)存在著一定的不足之處，限制了工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化水平的進一步提升。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實需求，工業(yè)以太網(wǎng)在實際應(yīng)用中嶄露頭角，其自動控制的及時性、可靠性和安全性有了很大水平的提升。本文探討了工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動控制中的應(yīng)用，旨在提供一定參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng) 軋鋼廠 自動控制

1 以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

令牌總線控制是當前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的控制形式，這種控制形式的特點是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部工作站控制指令的傳遞是由令牌進行控制的。在當前的工業(yè)控制領(lǐng)域，控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部令牌接收節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)對傳輸介質(zhì)進行訪問，并向控制目標發(fā)送指令信息。在完成信息傳輸或規(guī)定時間結(jié)束后，令牌將會傳遞至下一個工作站。這種控制方式，通過令牌限時傳遞實現(xiàn)了信息傳輸確定性控制。

在當前應(yīng)用較多的工業(yè)控制系統(tǒng)中，其內(nèi)部控制指令信息傳遞峰值約為10M 工業(yè)以太網(wǎng)最大負荷的5%，相應(yīng)的該峰值也只占到100M工業(yè)以太網(wǎng)負荷的0.5%，在合理科學(xué)設(shè)計的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和通信數(shù)據(jù)信息技術(shù)的有效控制，將網(wǎng)絡(luò)總負荷限制在10%以內(nèi) ，這使得工業(yè)以太網(wǎng)取代傳統(tǒng)令牌網(wǎng)成為了可能。現(xiàn)階段工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率不斷提升，一直從10M、100M發(fā)展到現(xiàn)在1000M、10G的水平。因此在工業(yè)控制數(shù)據(jù)信息傳遞總量一定的條件下，工業(yè)以太網(wǎng)具有更為理想的通信速率，傳輸延時相對較小，控制信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)碰撞機率更低。

其次，工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)建為星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部交換機的作用將系統(tǒng)劃分為部分網(wǎng)段，協(xié)同作用控制工業(yè)生產(chǎn)過程，不同信息數(shù)據(jù)發(fā)送渠道的相互影響較小。工業(yè)以太網(wǎng)依托于交換機實現(xiàn)工業(yè)控制信息的存儲于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時不同端口節(jié)點部分能夠?qū)崿F(xiàn)I/O功能的緩沖，從而避免數(shù)據(jù)信息碰撞中交換機數(shù)據(jù)過濾功能在造成的丟包問題。工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸被限制在本地網(wǎng)段內(nèi)部，不通過主干網(wǎng)進行傳輸，同時不影響其他網(wǎng)段的指令信息傳達，這也難怪能夠有效降低工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負荷，提升指令的下達與反饋信息獲得效率。

此外，工業(yè)以太網(wǎng)為全雙工通信制式，在硬件層面上講，端口間的鏈接介質(zhì)為兩對雙絞線或光纖，每對介質(zhì)負責不同的功能，分別進行工業(yè)控制數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，在指令與反饋信息雙向傳輸?shù)臈l件下，同一時段內(nèi)不會出現(xiàn)信息沖突問題。

2 工業(yè)以太網(wǎng)特點應(yīng)用優(yōu)勢分析

2.1通信實時性與確定性

工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)了高速、高質(zhì)量的信號傳遞，能夠滿足當前工業(yè)生產(chǎn)控制管理工作對于數(shù)據(jù)信息實時性與準確性的要求。同時，拓展后的工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)變量數(shù)據(jù)的實時刷新，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)全過程跟蹤控制的需求。另外，在硬件層面，工業(yè)以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)更為理想，全雙工交換模式最大限度的利用了工業(yè)控制系統(tǒng)的信息資源，能夠進一步替代令牌網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)更高效率的的工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化控制。

2.2穩(wěn)定性與可靠性

在部分工業(yè)領(lǐng)域，其具體的生產(chǎn)過程所處的客觀環(huán)境較為復(fù)雜惡劣，如高溫、高壓、揚塵等條件對于自動化控制有著一定的影響。工業(yè)以太網(wǎng)為星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，不同網(wǎng)段間的相互影響較小，而且具有模塊化拓展功能，出現(xiàn)故障問題時能夠極為便捷的進行維修或替換，這使得工業(yè)以太網(wǎng)具有更高的穩(wěn)定性與可靠性，能夠適應(yīng)更多工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

2.3生產(chǎn)控制安全性

工業(yè)生產(chǎn)的過程中，不可避免的存在部分易燃、易爆或有毒氣體等威脅企業(yè)人員生命財產(chǎn)安全的因素。工業(yè)以太網(wǎng)具有更大信息傳遞量于傳遞速度，能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況進行監(jiān)測，并即時將監(jiān)測結(jié)果提交控制人員，出現(xiàn)危險狀況時能夠第一時間進行告警，保證工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的安全。

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的軋鋼廠自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)

3.1軋鋼廠自動控制系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)基本參數(shù)的確定

在假設(shè)玩軋鋼廠工業(yè)以太網(wǎng)后，在投入實際應(yīng)用前應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)試，獲得相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，從而保證工業(yè)以太網(wǎng)能夠正常運作。（1）工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)軋鋼廠工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的實際需求，可以選擇環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)作為廠區(qū)生產(chǎn)自動化控制網(wǎng)絡(luò)各區(qū)段內(nèi)部構(gòu)架。環(huán)形結(jié)構(gòu)是將廠區(qū)自動化控制系統(tǒng)各信息節(jié)點首位相連，從而形成控制指令信息傳遞的閉環(huán)管理。相對而言自動化控制系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入較少，而信息傳遞速度也能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)實際控制需求。這樣的組網(wǎng)形式能夠存在部分信息冗余，同時在部分環(huán)路出現(xiàn)故障時，也不會對其他部分造成影響。（2）網(wǎng)絡(luò)帶寬的選擇。隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當前工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬有了大幅度提升，己經(jīng)從最初的1M帶寬，發(fā)展到10M帶寬、100M帶寬及1000M帶寬。綜合信息傳輸效率、經(jīng)濟成本投入以及自動化控制實際效果等多方面內(nèi)容，現(xiàn)代化軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)可選擇100M網(wǎng)絡(luò)帶寬，不僅能滿足實際需求，也能夠有效降低工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)乃至整個廠區(qū)自動化控制系統(tǒng)的建設(shè)費用。

3.2工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠生產(chǎn)中自動控制統(tǒng)的實現(xiàn)

（1）信息管理層。工業(yè)以太網(wǎng)信息管理層在現(xiàn)代化軋鋼廠的應(yīng)用中負責工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控與管理，作為管理系統(tǒng)的終端，管理人員能夠在管理層平臺上獲取相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)信息與圖形圖像，對這部數(shù)據(jù)信息進行存儲、查詢以及調(diào)用，同時可以根據(jù)自動控制系統(tǒng)的告警提示，下達控制指令，從而完成現(xiàn)代化軋鋼廠生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測與遠程遙控。（2）中間層。現(xiàn)代化軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的中間層，可以看做數(shù)據(jù)信息的傳輸介質(zhì)層。主要由骨干網(wǎng)絡(luò)、路由器、數(shù)據(jù)收發(fā)中轉(zhuǎn)站、現(xiàn)場控制站點等部分構(gòu)成。中間層軋鋼廠工業(yè)生產(chǎn)過程中設(shè)備運行狀態(tài)與數(shù)據(jù)進行傳輸，提交給信息管理層，同時也將管理層下達的指令信息向下傳遞到具體的設(shè)備上，實現(xiàn)控制動作數(shù)據(jù)的有效送達。（3）設(shè)備控制層。設(shè)備控制層是工業(yè)以太網(wǎng)的最底層部分，同時也是軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)獲得管控信息反饋與動作執(zhí)行的層級。設(shè)備控制層的監(jiān)測與執(zhí)行主要通過傳感器與PLC控制器等構(gòu)件完成，實現(xiàn)對軋鋼廠電氣設(shè)備工況的實時監(jiān)測，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器或者單片機控制器進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，進而傳輸至上層信息管理層；同時也負責接收來自上層信息管理層的遠程控制指令，并實現(xiàn)由PLC控制器或者單片機控制器對電氣設(shè)備的控制。

4 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)企業(yè)信息化的基礎(chǔ)，隨著企業(yè)信息化與自動控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，應(yīng)用于各種自動化控制領(lǐng)域，發(fā)揮其本身具有的高質(zhì)量、高速度、高靈話性和低成本的特點，采取分步實施的策略，首先從解決“數(shù)字通”開始，再逐步過渡到個分散現(xiàn)場控制、管控一體化方向發(fā)展，必將為企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)帶來史大的益處。

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