基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制系統(tǒng)

本文以實(shí)例說明了作為工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)代化水平標(biāo)志的基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)，
并特別對(duì)數(shù)據(jù)通信部分進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：集散控制； PLC； 以太網(wǎng)； 現(xiàn)場(chǎng)總線； 通信

Abstract: The structure of distributed control system which mark the up-date level of industrial automation are summarized. And
its function and characteristics are illustrated with an example based on Ethernet and field bus. The part of data communication is
introduced specially.
Key words: distributed control PLC Ethernet field bus communication

0 引言
進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著市場(chǎng)的進(jìn)一步開放，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不斷加強(qiáng)，各企業(yè)紛紛投入資金加緊
進(jìn)行新一輪的技術(shù)改造，希望能以高新技術(shù)為核心，以綜合自動(dòng)化為手段，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，確立和加強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位。隨著計(jì)算機(jī)、控制器、網(wǎng)絡(luò)、總線技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化領(lǐng)域正在迅速的覆蓋從車間的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制、管理的各個(gè)層次。分散檢測(cè)控制、集中監(jiān)控管理的集散控制方式為實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。

1 概述
計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)、邏輯判斷等信息加工能力，從它誕生開始就被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，
特別是微處理器的出現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。在計(jì)算機(jī)上配以自動(dòng)化組態(tài)軟件可以更直觀、更方便地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖形顯示能力。

可編程控制器（PLC）具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，便于擴(kuò)展，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，正在越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。隨著生產(chǎn)水平不斷提高，人們更愿意使用多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化中小型PLC 而不是用一臺(tái)或數(shù)臺(tái)超大型PLC 來包攬全局。適當(dāng)分散的中小PLC 所控制的范圍不大，不僅降低了風(fēng)險(xiǎn)，往往還可以簡(jiǎn)化許多熱備冗余的配置，降低設(shè)備成本。

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是以太網(wǎng)技術(shù)，符合公共標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)使得上層
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問車間級(jí)數(shù)據(jù)，為全廠范圍控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集和監(jiān)視創(chuàng)造條件。它的開放性協(xié)議使得各種計(jì)算機(jī)和不同廠商的PLC 可以互連，在必要時(shí)也可以進(jìn)行一些控制和協(xié)調(diào)。而且人們對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)很熟悉，可以降低系統(tǒng)的開發(fā)、培訓(xùn)和維護(hù)的費(fèi)用。
現(xiàn)場(chǎng)總線是一種互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)總線使控制功能適當(dāng)
分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，系統(tǒng)的自立能力增強(qiáng)，節(jié)約機(jī)柜空間，使現(xiàn)場(chǎng)的電纜連線大量減少。現(xiàn)場(chǎng)總線具備可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快、系統(tǒng)安全符合環(huán)境保護(hù)要求的優(yōu)勢(shì)。

總之企業(yè)的系統(tǒng)生產(chǎn)過程是很復(fù)雜的，設(shè)備分布廣，各工序各設(shè)備并行地進(jìn)行工作，因此用數(shù)臺(tái)PLC
對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，用一臺(tái)或數(shù)臺(tái)微型機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)，上位機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC 相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)巡回采集、集中處理，在實(shí)際應(yīng)用中還可以利用上位機(jī)對(duì)PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程編程或?qū)Τ绦蛑械?a target="_blank">參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或修改。以太網(wǎng)可以達(dá)到很高的通信速率，利用以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合PLC 控制器及現(xiàn)場(chǎng)總線，就可以構(gòu)成全分散、全開放的集散控制系統(tǒng)。下面以某廠打葉復(fù)烤線控制系統(tǒng)為例對(duì)集散控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。

2 系統(tǒng)組成
依據(jù)分散檢測(cè)控制、集中監(jiān)控管理的原則，系統(tǒng)由集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層兩部分組成。圖1 為該
打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖。

2.1 集中監(jiān)控層（上位機(jī)）
由三臺(tái)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成。一臺(tái)對(duì)煙葉預(yù)處理、葉梗分離、風(fēng)送除塵三條線進(jìn)行集中監(jiān)控，另一臺(tái)
對(duì)煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包三條線進(jìn)行集中監(jiān)控。一臺(tái)用作編程工作站。
2.1.1 集中監(jiān)控層軟硬件配置
監(jiān)控計(jì)算機(jī)選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻，128M 內(nèi)存，40G 硬盤的IBM 商用電腦，PHILIPS 21 寸顯示器；打印機(jī)選用HP LJ5000 激光打印機(jī)；配置不間斷電源（UPS），型號(hào)選用APC 產(chǎn)品,容量為２KVA。監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；監(jiān)控組態(tài)軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監(jiān)控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網(wǎng)與控制執(zhí)行層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過簡(jiǎn)潔、直觀的現(xiàn)場(chǎng)模擬圖反映主要單機(jī)設(shè)備電
機(jī)狀態(tài)，各檢測(cè)元件狀態(tài)，各執(zhí)行器件狀態(tài)，主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等；
b. 顯示主要工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)，如水分、流量、溫度等，有助于工藝人員及時(shí)掌握工藝參數(shù)變化
情況，穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息，包括故障發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、故障內(nèi)容等；
d. 工程師站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)PLC 編程、PLC 運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)及程序修改等；
e. 向上通過以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù)，為廠
里的決策提供依據(jù)，接受廠里的指令并打印各種報(bào)表等。
2.2 設(shè)備控制層
劃分為煙葉預(yù)處理、葉梗分離、煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包、風(fēng)送除塵六條生產(chǎn)分線， 設(shè)置六
組對(duì)應(yīng)的PLC 控制電控柜及相應(yīng)器件，對(duì)六條生產(chǎn)分線分別執(zhí)行控制。

2.1 集中監(jiān)控層（上位機(jī)）
由三臺(tái)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成。一臺(tái)對(duì)煙葉預(yù)處理、葉梗分離、風(fēng)送除塵三條線進(jìn)行集中監(jiān)控，另一臺(tái)
對(duì)煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包三條線進(jìn)行集中監(jiān)控。一臺(tái)用作編程工作站。
2.1.1 集中監(jiān)控層軟硬件配置
監(jiān)控計(jì)算機(jī)選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻，128M 內(nèi)存，40G 硬盤的IBM 商用電腦，PHILIPS 21 寸顯示器；打印機(jī)選用HP LJ5000 激光打印機(jī)；配置不間斷電源（UPS），型號(hào)選用APC 產(chǎn)品,容量為２KVA。監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；監(jiān)控組態(tài)軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監(jiān)控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網(wǎng)與控制執(zhí)行層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過簡(jiǎn)潔、直觀的現(xiàn)場(chǎng)模擬圖反映主要單機(jī)設(shè)備電
機(jī)狀態(tài)，各檢測(cè)元件狀態(tài)，各執(zhí)行器件狀態(tài)，主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等；
b. 顯示主要工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)，如水分、流量、溫度等，有助于工藝人員及時(shí)掌握工藝參數(shù)變化
情況，穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息，包括故障發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、故障內(nèi)容等；
d. 工程師站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)PLC 編程、PLC 運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)及程序修改等；
e. 向上通過以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù)，為廠
里的決策提供依據(jù)，接受廠里的指令并打印各種報(bào)表等。
2.2 設(shè)備控制層
劃分為煙葉預(yù)處理、葉梗分離、煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包、風(fēng)送除塵六條生產(chǎn)分線， 設(shè)置六
組對(duì)應(yīng)的PLC 控制電控柜及相應(yīng)器件，對(duì)六條生產(chǎn)分線分別執(zhí)行控制。

3 系統(tǒng)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)
3.1 監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC 的配置
監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用3COM 公司的EtherLink Ⅲ網(wǎng)卡，對(duì)該網(wǎng)卡，可用Windows 自帶的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行配置。在FIX 應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)配置中，有兩種協(xié)議：NetBOIS 和TCP/IP。選擇TCP/IP，則數(shù)據(jù)傳輸速度快，適用于較多站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。在FIX Driver Configuration 中，輸入節(jié)點(diǎn)名、以太網(wǎng)址。并將節(jié)點(diǎn)名映射到單獨(dú)的IP 地址，TCP/IP 采用多種方式處理名稱辨識(shí)，采用本地HOSTS 文件方式具有最高的可靠性。該文本文件存在各節(jié)點(diǎn)上。PLC 采用Schneider 公司的ETY110 網(wǎng)卡，必須對(duì)ETY110 正確配置節(jié)點(diǎn)名和以太網(wǎng)址，如果網(wǎng)上各PLC 及I/O Driver 都配置正確，則個(gè)設(shè)備之間可以建立通信。
3.2 FIX 組態(tài)軟件與PLC 的通信過程
PLC 中有一個(gè)專門用來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，組態(tài)軟件的I/O 驅(qū)動(dòng)程序從中讀取數(shù)據(jù)，并將其傳入驅(qū)動(dòng)
程序映射表的地址中，對(duì)應(yīng)與點(diǎn)名。掃描、報(bào)警、控制程序訪問點(diǎn)名，則獲得數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至過程數(shù)據(jù)庫。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫訪問功能從本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至請(qǐng)求的應(yīng)用程序中去。

4 系統(tǒng)中各站點(diǎn)的尋址
集散控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分散檢測(cè)控制、集中監(jiān)控的關(guān)鍵之一是各通信實(shí)體的正確尋址。本系統(tǒng)中目的
通信實(shí)體的一般格式為：網(wǎng)絡(luò)號(hào)、站號(hào)、設(shè)備物理地址，設(shè)備物理地址一般是它的通信模塊的地理位置，即其模塊號(hào)、通道號(hào)和通道中的通信實(shí)體。
4.1 站內(nèi)尋址
如打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖所示，如PLC1 對(duì)UNI-TELWAY 總線上第4 號(hào)變頻器尋址，其目標(biāo)
地址為

4.2 站間尋址
如打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖所示，如PLC2 對(duì)PLC1 的UNI-TELWAY 總線上第4 號(hào)變頻器尋址，其目標(biāo)地址為：

在Schneider Premium 系列PLC 上總線模塊和CPU 模塊集成在一起，始終處于機(jī)架上0 模塊位置，如選用TER 通信通道，通道地址為0，如選用PCMCIA 卡通信通道，通道地址為1。

5 結(jié)束語
正如上例打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)所描述的，集散型控制系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功
能完善、數(shù)據(jù)處理方便。顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡(jiǎn)單規(guī)范、調(diào)試方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。它能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的各種需要，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平和管理水平，通高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗和原材料消耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證生產(chǎn)安全，可有力地促進(jìn)工業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造出最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn) :
[1] 陽憲惠，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京 :清華大學(xué)出版社，1996，6.
[2] 徐皚冬，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)，信息與控制，2000，4.