工業(yè)自動(dòng)化中以太網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，工廠設(shè)備自動(dòng)化程度日益提升，自動(dòng)化控制水平已經(jīng)成為了影響工廠發(fā)展的重要因素。文章首先對(duì)工業(yè)自動(dòng)化中以太網(wǎng)的具體應(yīng)用進(jìn)行了探討，然后對(duì)以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化中的發(fā)展前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)化；以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)；工廠設(shè)備自動(dòng)化；自動(dòng)化控制水平 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP393 文章編號(hào)：1009-2374（2016）26-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.020

1 案例介紹

某工廠二號(hào)高爐電氣改造時(shí)，使用了Modbus-TCP工業(yè)以太網(wǎng)和昆騰984可編程控制器代替同類別的低級(jí)產(chǎn)品。高速線材和棒材都用了當(dāng)前比較常用的PROFINET和S7-400PLC工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了各制造產(chǎn)品之間的自動(dòng)化通信，通過優(yōu)化分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，極大地降低了調(diào)試費(fèi)用和配置費(fèi)用，提高設(shè)備操作、維護(hù)的便利性。工業(yè)以太網(wǎng)是在IEEE802.3基礎(chǔ)規(guī)范上發(fā)展而來的，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，并且包含了TCP/IP協(xié)議組，有時(shí)可以將應(yīng)用層建安郵件傳送協(xié)議SMTP、傳輸協(xié)議FTP、域名服務(wù)DNS文件、超文本鏈接HTTP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁發(fā)布等協(xié)議都捆綁在一起。

2 將以太網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化中

2.1 實(shí)現(xiàn)協(xié)議瀏覽

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用以太網(wǎng)的主要目的為將協(xié)議變得更加開放，使不一樣廠家的以太網(wǎng)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)有效連接，與現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)制定程序中發(fā)生的狀況是相同的，與不同群體和不同廠家制定出的以太網(wǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)是不同的。所有的標(biāo)準(zhǔn)都具有相同的底層，受應(yīng)用層不同的影響而存在著一定的差異。以太網(wǎng)協(xié)議主要包括以下四個(gè)方面的內(nèi)容：

2.1.1 1999年Scheider Automation公司發(fā)布了MODBUS/TCP協(xié)議。該協(xié)議的主要內(nèi)容是在TCP協(xié)議上捆綁MODBUS總線協(xié)議。在工業(yè)領(lǐng)域中，MODBUS和TCP得到大面積的普及，可以實(shí)現(xiàn)有效的連接，但也存在一定的缺點(diǎn)，一般性的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)在MODBUS無法獲得有效支持，導(dǎo)致用戶不得不手動(dòng)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置。

2.1.2 TCP和MODBUS協(xié)議中的不足被分布式自動(dòng)化接口所識(shí)得，也就是IDA，Scheider Automation公司發(fā)布的ISAEXPO/2000可以對(duì)分布式自動(dòng)化接口進(jìn)行有效的支持，同時(shí)Sick、Phoenix Contect、Lenze、Kuka Roboter以及Jetter都可以對(duì)分布式自動(dòng)化接口進(jìn)行有效的支持。定購方模型和發(fā)布方模型是IDA的核心內(nèi)容，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送的時(shí)候，可以不對(duì)接收方的詳細(xì)地址進(jìn)行設(shè)置，發(fā)布方只是對(duì)單一的事件或者是主題進(jìn)行發(fā)送，對(duì)主題的接收方進(jìn)行預(yù)訂接收信息，對(duì)于額外的信息不需要進(jìn)行考慮，使網(wǎng)絡(luò)資源消耗較少，使時(shí)間得到有效同步。

2.1.3 1998年后HSE現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的H2網(wǎng)使用以太網(wǎng)做基本協(xié)議，使構(gòu)成的以太網(wǎng)協(xié)議具有比較高速的特點(diǎn)。以太網(wǎng)協(xié)議具有較強(qiáng)的先進(jìn)性，可以對(duì)對(duì)象模型、定購方模型和發(fā)布方模型進(jìn)行完整的提供，是可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)協(xié)議中進(jìn)行使用的模型，在過程控制領(lǐng)域中得到了廣泛的使用。

2.1.4 Control Net International所發(fā)布的IP或者是ETHERNET不屬于Internet協(xié)議的范圍，它主要是指工業(yè)協(xié)議。此協(xié)議將DeviceNet和ControlNet中信息協(xié)議和控制的應(yīng)用層全部都轉(zhuǎn)移到TCP中。在對(duì)工業(yè)控制設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要是使用對(duì)象策略并對(duì)其提供有效的消費(fèi)者模型和制造者模型。協(xié)議主要提供明示和暗示兩種信息，一次性數(shù)據(jù)傳遞的場(chǎng)合比較適合使用明示信息；在比較規(guī)則、多次重復(fù)傳遞數(shù)據(jù)的場(chǎng)合中比較適合使用暗示信息。

2.2 產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)情況

2.2.1 使用的IP協(xié)議或者是Ethernet協(xié)議產(chǎn)品主要是指由Rockwell/Automation公司生產(chǎn)的FlexI、Processlogix或者是Controlllogix產(chǎn)品，這樣就可以使控制和實(shí)時(shí)性的要求得到滿足，速度可以達(dá)到100Mbps以上。

2.2.2 能夠較好實(shí)現(xiàn)冗余以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)的公司為德國(guó)Hirschmann公司生產(chǎn)的RT1-TP/FL集線器，該技術(shù)主要支持的終端設(shè)備包括機(jī)器人、I/O模塊、計(jì)算機(jī)、DCS以及PLC等。冗余以太環(huán)網(wǎng)也可以使用RT2-TX/FX交換機(jī)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主干網(wǎng)的速度非常快，可以達(dá)到100Mbps以上。

2.2.3 SST公司出產(chǎn)的NetGateWay網(wǎng)關(guān)，擁有4個(gè)串口、2個(gè)以太網(wǎng)口和Stron-gARM處理器，處理器可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置200MHz的，同時(shí)可以將2塊PC/104接口卡插接進(jìn)去并保持2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。用戶從辦公室可以直接接入到工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，主要是通過NetGateWay實(shí)現(xiàn)的。

2.2.4 Automationdirect.com公司可以把配備以太網(wǎng)卡的PC與DL405或者是DL205多插槽I/O集中器進(jìn)行有效連接，從而形成了PC基控制系統(tǒng)，這主要是使用了H4-EBC或者是H2-EBC以太網(wǎng)基控制器。在DL405和DL205進(jìn)行混合使用的時(shí)候，通過En-tivity公司出產(chǎn)的Think&Do組態(tài)軟件來進(jìn)行混合應(yīng)用和支持的。

以往以太網(wǎng)的不確定性可以通過使用Automationdirect.com公司提供的Master/Slave傳送協(xié)議進(jìn)行較好的處理，同時(shí)可以將多個(gè)I/O集中器與以太網(wǎng)HUB進(jìn)行有效連接。詳見圖1所示：

2.2.5 西門子公司出品的具有較強(qiáng)控制中心作用的工業(yè)以太網(wǎng)為SIMATICNE，具有比較完善的LAN/FIELDBUS結(jié)構(gòu)，也是全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的核心內(nèi)容，給工業(yè)通信提供了完善的部件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。SIMATICNET的網(wǎng)絡(luò)通信包括過程或現(xiàn)場(chǎng)通信、數(shù)據(jù)通信以及IT通信三個(gè)層次的內(nèi)容。過程或現(xiàn)場(chǎng)通信將傳感器和執(zhí)行器接入到自動(dòng)化系統(tǒng)中，SIMATICNET主要使用了AS-I接口和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線；數(shù)據(jù)通信將智能設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了良好的轉(zhuǎn)換；IT通信借助以太網(wǎng)將SIMATIC集成到辦公自動(dòng)化的體系中。

2.3 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的使用情況

就目前情況來說，在工業(yè)自動(dòng)化中使用以太網(wǎng)主要體現(xiàn)為兩種結(jié)構(gòu)類型，分別是設(shè)備中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在控制結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)主要在企業(yè)網(wǎng)上層應(yīng)用，將操作員站、控制器、管理計(jì)算機(jī)連接到一起，在企業(yè)網(wǎng)的底部還使用現(xiàn)場(chǎng)總線的連接形式，建立了簡(jiǎn)潔的LAN/Fieldbus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。I/O設(shè)備與以太網(wǎng)和以太網(wǎng)兼容的I/O數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行了較好的連接。在這樣的結(jié)構(gòu)類型中，現(xiàn)場(chǎng)總線被以太網(wǎng)所取代，從而形成的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括了企業(yè)網(wǎng)的底層和上層。

3 我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用以太網(wǎng)的情況

我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)和PLC行業(yè)在發(fā)展的過程中具有較強(qiáng)的落后性，如今，我國(guó)對(duì)PLC行業(yè)的發(fā)展非常關(guān)注，并將儀表行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃成國(guó)家發(fā)展的核心內(nèi)容。有的企業(yè)在自動(dòng)化系統(tǒng)和PLC行業(yè)中將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行了充分的利用，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)水平都比較成熟，國(guó)際上的團(tuán)體和公司已經(jīng)將現(xiàn)場(chǎng)總線的專利技術(shù)進(jìn)行了壟斷。隨著以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的不斷興起和使用，我國(guó)控制系統(tǒng)和PLC技術(shù)都獲得了良好的發(fā)展機(jī)會(huì)，不斷對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行積極研究，可以在工業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)品和儀表行業(yè)中獲得一定的獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)。有部分企業(yè)已經(jīng)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行了不斷研發(fā)，其中具有典型代表的企業(yè)如下：

3.1 北京和利時(shí)工控公司

該公司擁有屬于自己的MACS-SCADA大型綜合監(jiān)控系統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使子系統(tǒng)和骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了高速交換，對(duì)本地監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分層，借助利時(shí)公司的MACS軟件體系中多子系統(tǒng)和多專業(yè)系統(tǒng)對(duì)大范圍的地方實(shí)現(xiàn)了全面的監(jiān)控。在與第三方進(jìn)行連接的時(shí)候，可以使用交換器和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有效的連接。

3.2 上海新華控制工程公司

該公司經(jīng)過不懈的努力研發(fā)出了屬于自己的分布式控制系統(tǒng)，即XDP-400系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都具有較強(qiáng)的開放性，比如人機(jī)接口、通信網(wǎng)絡(luò)以及控制單元等。在對(duì)控制單元進(jìn)行連接的時(shí)候，主要使用冗余的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速公路，模件是控制單元的核心內(nèi)容，同時(shí)還配備以太網(wǎng)卡，網(wǎng)絡(luò)速度比較快可以達(dá)到10Mbps以上。

4 結(jié)語

綜上所述，我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)以太網(wǎng)的應(yīng)用還處于發(fā)展初期，還有很多的工作需要完善。隨著以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷成熟，其應(yīng)用前景也會(huì)越來越廣泛。針對(duì)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用過程中存在的問題，只需要根據(jù)以太網(wǎng)的基本原理，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的基本情況就可以很好地解決。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：韓松濤（1982-），男，四川樂山人，四川漢唐騰輝科技有限公司工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：蔣建華）