基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)設(shè)計

金世昕

（重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司 上海分公司 上海 201204）

1 引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展速度不斷加快，其對相應(yīng)的生產(chǎn)流程和加工流程的自動化需求也愈發(fā)明顯。在六十年代末，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模達到了前所未有的高度，這也就導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)亟需帶有數(shù)據(jù)處理功能的工業(yè)控制系統(tǒng)。

最初的計算機控制主要是用于自動化生產(chǎn)線的集中監(jiān)控，輔以數(shù)據(jù)處理能力，以實現(xiàn)信息通信等目的。在后續(xù)的發(fā)展過程中，逐漸引入了DCS控制系統(tǒng)?？傮w架構(gòu)上來看，DCS控制系統(tǒng)的分布特點是以分級遞接的形式存在，將硬件部分劃分為若干個微處理器，并由多個控制站控制系統(tǒng)回路。受大數(shù)據(jù)技術(shù)以及信息技術(shù)發(fā)展的影響，DCS控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)加工領(lǐng)域[1-2]。

目前，已有相關(guān)學(xué)者設(shè)計基于支持向量機的自動化生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)等成果。然而在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)線DCS控制過程存在IO占用率過高的問題。

工業(yè)以太網(wǎng)能夠在一定程度上緩解系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享以及數(shù)據(jù)交換的局限性，將其應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)中，是目前值得深入研究的課題?；谏鲜龇治?，本研究基于工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計了一種新的自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)硬件主要包括：主控制器各類型電動機、以及相應(yīng)的電路設(shè)備等。主控制器作為系統(tǒng)硬件的核心部分，還需要設(shè)置輸入、輸出模塊和上位機。主控制器在與外界通信過程中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實時交互任務(wù)。同時，為了避免數(shù)據(jù)冗余的情況出現(xiàn)，還要通過上位機實時調(diào)整信號處理的路徑。通常情況下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源可分為兩種，一種是外設(shè)輸入數(shù)據(jù)，另一種是主控制器本身的輸出數(shù)據(jù)。而在通信模式下，這兩種數(shù)據(jù)都需要對運行信息加以匯總，并反饋給上位機。系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)

從圖1可知，三個主要部分之間是通過通訊鏈路連接的。根據(jù)系統(tǒng)運行要求，選擇P1020作為系統(tǒng)硬件的主CPU芯片，該芯片性質(zhì)為工業(yè)級芯片。同時，滿足工作頻率在550MHz～820 MHz的要求，具有多個網(wǎng)絡(luò)接口，包括 RMII，SGMII以及 MII等類型。當(dāng)硬件中的控制器發(fā)送執(zhí)行指令時，驅(qū)動器作為接收端，就會發(fā)出對應(yīng)的電流運動值，以保證指令傳輸?shù)倪^程中馬達能夠保持正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時的檢測器，需要提取實時的馬達轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)反饋給主控制器，以形成馬達運動值與設(shè)定值之間閉環(huán)。

為了保證與上位機的順利連接，設(shè)置 RJ45外接連接器，并實現(xiàn)PCI-E到SGMII接口的轉(zhuǎn)換。基于以上描述，完成自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的步驟。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)識別自動化生產(chǎn)線訪問控制特征

自動化生產(chǎn)線 DCS控制系統(tǒng)的操作重點就在于分散了操作站與控制單元的功能部署，在保證分散管理的同時，又能對系統(tǒng)的整體運行進行集中管理[3]。時至今日，已經(jīng)不單是以封閉系統(tǒng)形式存在。系統(tǒng)中訪問控制特征主要是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)交換限制條件下，在固定交換區(qū)塊內(nèi)，以安全訪問形式將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到區(qū)塊外部空間。為了保證工業(yè)以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流能夠順利發(fā)送，需要計算工業(yè)以太網(wǎng)整體負(fù)荷，并且保證計算結(jié)果小于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)承載量。則工業(yè)以太網(wǎng)的整體負(fù)荷計算式為：

式（1）中，T 表示在固定時間內(nèi)，系統(tǒng)能夠同時處理的數(shù)據(jù)幀總數(shù)，γ 表示單位時間，m 表示工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點數(shù)量。式（1）表明，在單位時間內(nèi)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊必須將本次接收到的數(shù)據(jù)處理完畢。在此基礎(chǔ)上，得出接收鏈路與源節(jié)點之間的關(guān)系，表達公式如下：

式（2）中，φ 表示數(shù)據(jù)幀的總數(shù)，n 表示系統(tǒng)中接收鏈路的容量。同時，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)對電壓精度的要求相對較高，因此，需要獲取各個電壓狀態(tài)下的功耗，以此確定電源轉(zhuǎn)換流程。由于本次磁通是在工業(yè)以太網(wǎng)的背景下設(shè)計，因此除了部件部分芯片自身的接口外，在軟件部分還要擴展出至少兩路 RGMII以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口[4-5]。在以上描述的基礎(chǔ)上，完成識別自動化生產(chǎn)線訪問控制特征的步驟。

3.2 優(yōu)化DCS控制系統(tǒng)軟件通信功能

根據(jù)上一節(jié)描述可知，多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)的訪問控制都需要通過擴展型訪問列表實現(xiàn)。而系統(tǒng)中的控制功能，通常是由生產(chǎn)對象屬性決定的。在發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)交換協(xié)議過程中，需要在總線中設(shè)置主從式的通信服務(wù)模式。這種通信服務(wù)模式必須先定義一個數(shù)據(jù)單元，并且在通信過程中能夠直接跳過基礎(chǔ)通信層，直接到達附加域通信層。通信過程中如果數(shù)據(jù)集沒能夠在緩沖區(qū)留下存儲痕跡，則會造成整個系統(tǒng)通信延時，因此，需要計算整個傳輸過程中存在的延時，計算式如下：

式（3）中，η 表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的延時，σ表示不存在數(shù)據(jù)幀沖突的延時。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點在忙碌狀態(tài)無法存儲數(shù)據(jù)幀時，求取系統(tǒng)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)量，具體為：

式（4）中，ε 表示系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈路層，以太網(wǎng)幀的頭部長度， r表示采樣周期。根據(jù)公式（3）和公式（4）的計算結(jié)果，可以規(guī)定系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀校驗?zāi)Ｊ?，將原有短幀結(jié)構(gòu)擴展成不設(shè)上限的數(shù)據(jù)幀接收結(jié)構(gòu)[6]。同時，在上位機發(fā)送報文幀之后，啟動對應(yīng)鏈路計時器，確保通信順利?；诖?，完成優(yōu)化DCS控制系統(tǒng)軟件通信功能步驟。

4 系統(tǒng)測試

4.1 搭建測試環(huán)境

為了測試此次設(shè)計的基于工業(yè)以太網(wǎng)自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對其展開系統(tǒng)測試。

測試設(shè)備包括兩臺配置相同的可重構(gòu)伺服電機裝置，上位機以及多軸控制器一臺。同時，選擇操作系統(tǒng)為 Windows，開發(fā)環(huán)境選擇 CCS/ keil MDK-ARM，并將Matlab作為上位機調(diào)試工具。

在測試開始之前，對系統(tǒng)的輸入電源進行常規(guī)功能測試，確保電源輸入與系統(tǒng)參數(shù)相匹配。為了保證測試時用電負(fù)荷質(zhì)量，設(shè)置UPS參數(shù)：電壓范圍在220V±5 %之間、電壓瞬間中斷范圍在12.5～25 ms內(nèi)、諧波范圍小于等于5 %、頻率范圍在50±0.5 Hz。并在此基礎(chǔ)上，以USB接口為媒介，連接伺服驅(qū)動器。USB虛擬串口作為多軸控制器與上位機的通信工具，識別虛擬串口指令。在上述實驗環(huán)境中，展開系統(tǒng)應(yīng)用測試。

4.2 測試結(jié)果

分別選取傳統(tǒng)且基于支持向量機的自動化生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進行對比測試。分別測試在不同用戶數(shù)同時在線的條件下，三種系統(tǒng)的IO占用率，實驗結(jié)果如表1～表3所示。

表1 200用戶數(shù)同時在線IO占用率/（%）

表2 500用戶數(shù)同時在線IO占用率/（%）

表3 800用戶數(shù)同時在線IO占用率/（%）

根據(jù)表1可知，當(dāng)同時在線用戶數(shù)為200人時，此次設(shè)計的自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)與另外兩種系統(tǒng)的IO占用率均值為：10.0718%、14.0670%、14.8749%。

根據(jù)表2可知，當(dāng)同時在線用戶數(shù)為500人時，此次設(shè)計的自動化生產(chǎn)線 DCS控制系統(tǒng)與另外兩種系統(tǒng)的IO占用率均值為：15.5235%、23.2391%、24.4799%。

根據(jù)表3可知，當(dāng)同時在線用戶數(shù)為800人時，此次設(shè)計的自動化生產(chǎn)線 DCS控制系統(tǒng)與另外兩種系統(tǒng)的IO占用率均值為：22.4227%、35.9609%、36.2383%。實驗結(jié)果表明，當(dāng)同時在線用戶數(shù)增多時，系統(tǒng)的 IO占用率會隨之增加。但是此次設(shè)計的自動化生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)的IO占用率，始終比另外兩種系統(tǒng)低8.4163%～9.1917%不等。

5 結(jié)語

本文在工業(yè)以太網(wǎng)的背景下，詳細(xì)闡述了自動化生產(chǎn)線訪問控制特征，并優(yōu)化了系統(tǒng)軟件功能。同時，此次設(shè)計的系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的生產(chǎn)與使用需求，調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)與軟件功能，以滿足間歇性或者是批量生產(chǎn)的使用需求。由于研究條件有限，文章還未對系統(tǒng)精度展開更深入的測試。