基于以太環網與虛擬串口的工業自動化系統的設計

【摘要】 工業現場有很多有效的數據需要處理，如視頻數據、音頻數據、溫濕度數據和工業現場PLC采集的數據等等。傳統的工業系統一般是在近端完成對工業現場的控制、數據的采集和存儲，本文介紹了一種基于工業以太環網、無線通訊、虛擬串口等技術的遠距離工業自動化通訊系統，可完成對惡劣的工業現場信息的遠程處理，相比傳統系統，本系統具有更強的穩定性、實時性和便捷性。

【關鍵詞】 以太環網 工業自動化 無線通信 PLC

工業自動化系統需要有效和可靠的工業級通訊系統，以保障工業現場的安全。然而，工業現場情況復雜多變，傳統的有線、簡單的通訊手段并不能完全適合那些錯綜復雜、多層架構的工業網絡，如礦山、煤礦、冶金等等。本文提出了一種基于工業以太環網、無線通訊技術的新型工業自動化通訊系統，可適用于各類工業現場數據的采集、傳輸和處理。

一、系統總體設計框架

概況地講，本系統由上位檢測層，通信系統層和前段設備層三部分組成。前段設備層是工業現場設備，如各類PLC、攝像頭、GPS設備；通信系統層是本設計的核心，包含串口服務器、以太環網交換機、無線通信模塊等等；上位檢測層包含控制軟件、數據庫等，負責前段設備的顯示、控制和存儲。系統簡圖如圖1所示。

二、系統硬件設計與實現

2.1 前端設備

本設計系統的前端設備可以包含各類工業PLC、傳感器和監控設備等。隨著計算機技術和通信技術的發展，目前工業自動化現場前端設備豐富多樣。由于PLC不斷地采用新技術以及增強系統的開放性，在工業自動化領域中的應用范圍不斷擴大。PLC將計算機技術、自動控制技術和通訊技術融為一體，成為實現單機、車間、工廠自動化的核心設備。目前主流的生產企業大多來自國外，如施耐德、西門子、歐姆龍和羅克韋爾等；傳感器的發展奠定了工業自動化的基礎，特別是在惡劣的工業環境中，各種有毒氣體、溫度、濕度、質量等傳感器提供了現場環境的詳細指標。此外，現場視頻畫面、用戶GPS位置等現場數據，在工業現場控制中都是重要的一部分。

2.2 智能通信網絡

本設計的通信網絡以工業級設備為基礎，配合工業級以太環網技術，將各種非以太網數據轉換成以太網數據進行遠距離傳輸，部分場景下采用無線傳輸設備將數據進行無線傳輸，用于克服地勢環境的限制。

1、以太網串口服務器。雖然PLC功能和應用全面，但是絕大多數工業設備還不能直接支持以太網協議，這樣工業現場中需要將此類工業協議的數據轉換成支持以太網數據，而以太網串口服務器可以將RS232、RS422、RS485的串口數據轉換成以太網數據，通過普遍的以太網絡進行遠距離傳輸。串口服務器可使用三種使用方式：直連IP模式；虛擬串口模式；對等模式。本系統使用虛擬串口模式，該模式下會在PC上虛擬出一個串口，串口設備類似直接連接到物理串口設備一樣，串口服務器進行兩端設備數據的轉換和傳輸。

2、工業級無線傳輸設備。工業場景下村鎮環境惡劣、布線困難或者長距離的傳輸的場景，因而需要使用到無線傳輸設備。通信系統中考慮到此類的場景，基于modbus等總線的設備都可以通過無線通信模塊，達到安全、穩定并遠距離的傳輸，通過串口服務器即可以接入廣泛的以太網。使用該無線模塊的網絡的有如下優點：節省線纜布線和維護費用；可提供分布式網絡的無縫連接；可高達15Mbps的數據吞吐量，2KM的距離。

3、工業以太環網。通信網絡的核心部分是基于RingOn技術的工業以太環網，前端設備采集的數據直接或者通過以太網網關接入工業級以太環網，通過工業級的傳輸網絡將數據傳輸到遠端控制中心。該網絡具有如下優點：工業級以太環網，適合惡劣環境；不間斷的冗余環網網絡，恢復時間小于20ms；網絡穩定，性能優良。

2.3控制中心設計

該部分基于現有的服務器端標準設計，包含存儲器、控制設備和顯示設備等。自動化工廠的數據通過傳輸單元接入控制中心，每種不同的PLC都有相應的上位機模塊，可以將數據直接顯示出來或者直接進行存儲。

三、系統優勢與展望

本通信系統以工業以太環網為基礎，結合無線通信模塊，承載工業現場的前端設備、通信網絡和后端控制系統，組成了一個完整的工廠自動化解決方案。以太網串口服務器的使用簡單的完成了快速遠距離傳輸的效果；控制端使用虛擬串口減少了對控制器的要求并使用靈活，適合多類控制場景；工業PLC類型的多樣性間接突出了本系統高度的可移植行。