淺談工業以太網在軋鋼廠自動控制中的應用

張曉慶

【摘 要】在當前工業生產控制日趨自動化、智能化的背景下，傳統的集中控制、集散控制以及現場總線控制等方式在遠程自動控制、工業通信等環節存在著一定的不足之處，限制了工業生產自動化、智能化水平的進一步提升。為了滿足工業生產的現實需求，工業以太網在實際應用中嶄露頭角，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。本文探討了工業以太網在軋鋼廠自動控制中的應用，旨在提供一定參考借鑒。

【關鍵詞】工業以太網 軋鋼廠 自動控制

1 以太網在工業控制領域的應用

令牌總線控制是當前工業生產領域應用較為廣泛的控制形式，這種控制形式的特點是工業控制網絡內部工作站控制指令的傳遞是由令牌進行控制的。在當前的工業控制領域，控制網絡內部令牌接收節點在規定時間內對傳輸介質進行訪問，并向控制目標發送指令信息。在完成信息傳輸或規定時間結束后，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了信息傳輸確定性控制。

在當前應用較多的工業控制系統中，其內部控制指令信息傳遞峰值約為10M 工業以太網最大負荷的5%，相應的該峰值也只占到100M工業以太網負荷的0.5%，在合理科學設計的條件下，能夠實現工業控制系統內部網絡節點和通信數據信息技術的有效控制，將網絡總負荷限制在10%以內 ，這使得工業以太網取代傳統令牌網成為了可能。現階段工業以太網的通信速率不斷提升，一直從10M、100M發展到現在1000M、10G的水平。因此在工業控制數據信息傳遞總量一定的條件下，工業以太網具有更為理想的通信速率，傳輸延時相對較小，控制信息數據的網絡碰撞機率更低。

其次，工業以太網的系統構建為星型網絡拓撲結構，通過內部交換機的作用將系統劃分為部分網段，協同作用控制工業生產過程，不同信息數據發送渠道的相互影響較小。工業以太網依托于交換機實現工業控制信息的存儲于數據轉發，同時不同端口節點部分能夠實現I/O功能的緩沖，從而避免數據信息碰撞中交換機數據過濾功能在造成的丟包問題。工業以太網內部網段內節點之間數據的傳輸被限制在本地網段內部，不通過主干網進行傳輸，同時不影響其他網段的指令信息傳達，這也難怪能夠有效降低工業控制系統的網絡負荷，提升指令的下達與反饋信息獲得效率。

此外，工業以太網為全雙工通信制式，在硬件層面上講，端口間的鏈接介質為兩對雙絞線或光纖，每對介質負責不同的功能，分別進行工業控制數據信息的接收和發送，在指令與反饋信息雙向傳輸的條件下，同一時段內不會出現信息沖突問題。

2 工業以太網特點應用優勢分析

2.1通信實時性與確定性

工業以太網實現了高速、高質量的信號傳遞，能夠滿足當前工業生產控制管理工作對于數據信息實時性與準確性的要求。同時，拓展后的工業以太網能夠實現變量數據的實時刷新，能夠滿足工業生產全過程跟蹤控制的需求。另外，在硬件層面，工業以太網傳輸介質更為理想，全雙工交換模式最大限度的利用了工業控制系統的信息資源，能夠進一步替代令牌網絡實現更高效率的的工業生產自動化、智能化控制。

2.2穩定性與可靠性

在部分工業領域，其具體的生產過程所處的客觀環境較為復雜惡劣，如高溫、高壓、揚塵等條件對于自動化控制有著一定的影響。工業以太網為星型網絡拓撲結構，不同網段間的相互影響較小，而且具有模塊化拓展功能，出現故障問題時能夠極為便捷的進行維修或替換，這使得工業以太網具有更高的穩定性與可靠性，能夠適應更多工業生產環境。

2.3生產控制安全性

工業生產的過程中，不可避免的存在部分易燃、易爆或有毒氣體等威脅企業人員生命財產安全的因素。工業以太網具有更大信息傳遞量于傳遞速度，能夠對工業生產過程中出現的異常情況進行監測，并即時將監測結果提交控制人員，出現危險狀況時能夠第一時間進行告警，保證工業生產現場的安全。

3 基于工業以太網的軋鋼廠自動控制系統的應用實現

3.1軋鋼廠自動控制系統工業以太網基本參數的確定

在假設玩軋鋼廠工業以太網后，在投入實際應用前應對網絡進行調試，獲得相應的系統參數，從而保證工業以太網能夠正常運作。（1）工業以太網的網絡拓撲結構。根據軋鋼廠工業生產自動化控制的實際需求，可以選擇環型拓撲結構作為廠區生產自動化控制網絡各區段內部構架。環形結構是將廠區自動化控制系統各信息節點首位相連，從而形成控制指令信息傳遞的閉環管理。相對而言自動化控制系統與工業以太網絡建設投入較少，而信息傳遞速度也能夠滿足工業生產實際控制需求。這樣的組網形式能夠存在部分信息冗余，同時在部分環路出現故障時，也不會對其他部分造成影響。（2）網絡帶寬的選擇。隨著信息科學技術的不斷發展，當前工業以太網的網絡帶寬有了大幅度提升，己經從最初的1M帶寬，發展到10M帶寬、100M帶寬及1000M帶寬。綜合信息傳輸效率、經濟成本投入以及自動化控制實際效果等多方面內容，現代化軋鋼廠自動化控制系統可選擇100M網絡帶寬，不僅能滿足實際需求，也能夠有效降低工業以太網絡乃至整個廠區自動化控制系統的建設費用。

3.2工業以太網在軋鋼廠生產中自動控制統的實現

（1）信息管理層。工業以太網信息管理層在現代化軋鋼廠的應用中負責工業生產數據信息的監控與管理，作為管理系統的終端，管理人員能夠在管理層平臺上獲取相應的工業生產過程數據信息與圖形圖像，對這部數據信息進行存儲、查詢以及調用，同時可以根據自動控制系統的告警提示，下達控制指令，從而完成現代化軋鋼廠生產過程的實時監測與遠程遙控。（2）中間層。現代化軋鋼廠自動化控制系統工業以太網的中間層，可以看做數據信息的傳輸介質層。主要由骨干網絡、路由器、數據收發中轉站、現場控制站點等部分構成。中間層軋鋼廠工業生產過程中設備運行狀態與數據進行傳輸，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備上，實現控制動作數據的有效送達。（3）設備控制層。設備控制層是工業以太網的最底層部分，同時也是軋鋼廠自動化控制系統獲得管控信息反饋與動作執行的層級。設備控制層的監測與執行主要通過傳感器與PLC控制器等構件完成，實現對軋鋼廠電氣設備工況的實時監測，并將相關數據傳輸給PLC控制器或者單片機控制器進行數據預處理，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，并實現由PLC控制器或者單片機控制器對電氣設備的控制。

4 結語

綜上所述，工業現場的通信網絡是實現企業信息化的基礎，隨著企業信息化與自動控制技術的發展，發展基于以太網的網絡化控制系統，應用于各種自動化控制領域，發揮其本身具有的高質量、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“數字通”開始，再逐步過渡到個分散現場控制、管控一體化方向發展，必將為企業現代化生產帶來史大的益處。

參考文獻：

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