基于以太網的工業控制系統的研究與應用

王勝斌

摘 要：如今的現代化社會越來越注重對于各種智能化技術的研究，其涉及到的互聯網、計算機、通訊都在不斷地擴展自身的各種功能，以適應現代人的生活方式并未人類提供更好的服務。人類對于研究工業網絡系統朝著更加樂觀的方向前進著，工業以太網改善了傳統的工業網絡的各種缺陷，本文就其工業控制系統的特點談一談它的作用。

關鍵詞：以太網；工業控制系統；應用

當今社會，日新月異，無論是哪一方面的發展都是非常迅猛的，新技術時時都會產生。計算機技術的發展無疑是最快的，為了解放人的雙手，自動化技術應運而生，這些年其應用范圍也被逐漸延伸，自動化的生產技術已經是如今的工業生產離不開的工作條件，而在自動化控制的范圍內，現場總線技術是應用最為普遍的，雖然它有著很多優點，但也已經不能適應如今的大規模生產活動了，而工業以太網的出現改善了這種不良的情況。本文通過對于生產活動中的工業以太網的應用提出幾點自己的觀點。

1 以太網的工業控制系統概述

工業以太網相較于以前被廣泛使用的現場總線，存在著諸多優勢，可以適應如今生產中的大規模生產任務，可同時控制與監管多臺機械設備，組網的價格比較低，可以實現有效控制成本，還可效果良好地監控通訊，更加方便相關設備的后期更新與維護，可以在一定程度上取代現場總線。雖然以前的工業以太網存在著不確定性的缺陷，但現在的工業以太網也在實踐中逐漸穩定下來。

工業以太網的工作原理是在相關儀器的底部安裝傳感設備，來檢測儀器在運行過程中的周邊環境數據、工藝數據、工作狀態數據等重要數據，再利用能夠使用的通信網絡協議傳輸到工業以太網上。隨著生產的不斷擴大化，工業生產對生產過程中的自動化要求也越來越高，盡可能地減少人在工業生產中的存在感，而將PLC控制系統與工業以太網連接使用，也是生產實踐中的重要突破。

2 以太網的工業控制系統的設計

2.1 工業以太網的功能

一般的工業生產系統都有較多的流程，比如汽車整車焊裝的工業生產，對于機電裝備的要求很多，比如離散度、監測能力、控制力度等方面。以太網在工業生產中有以下幾方面的功能：

2.1.1 分配和調整生產任務，工業以太網在分配需要完成的生產任務時，會參考生產的進度，來對不同的對象分配出適合的生產任務，在出現臨時的生產任務變動時，也能適時地自動做出相應的調整，來達到對于不同情況的最好適應度。

2.1.2 控制電氣供給情況并給出科學的分析。根據工業以太網的工作原理，來達到實時監測的功能，在監管各個生產環節時，在相關數據庫找出可靠的數據，進行分析與調研工作。在進行監督工作時，可以通過直觀的監控畫面，為用戶帶去更好的體驗。

2.2 工業以太網的系統結構設計

工業以太網往往被應用于流水線工程中，這種流水線工程上的信號種類復雜，控制位置的分布也不集中，儀器設備數量多，本地控制模式顯然不能適應這種生產方式，因為本地控制模式主要是使用一般的控制開關和繼電器，這種比較落后的處理方式不能及時地使系統更新，工業以太網使用的是較為領先的DCS模式，其中主要分為三個層次：

2.2.1 監控終端。中央控制室是安裝監控終端的最好位置，值班人員只需要在中央控制室就能監控到整個工廠的流水線的工作過程，防止出現不可控制的情況，上位機程序是一種專門為監控終端開發出來的程序，既可保證遠程監控的質量，又能保證和本地PLC站的信息實現交互。

2.2.2 本地PLC站。這個程序的監控目的與監控終端有所不同，它的監控對象主要是開關量，如電磁閥、限位開關等。將環節參數、工藝參數等重要參數在用工業以太網上傳之前，先轉變成數字量，更好地展現一體化通信的優勢之處。

2.2.3 底層傳感設備。現場傳感器主要是用以檢測現場監控點物理參數信號，變送器將采樣數據轉換成4～20mA的電流信號，經屏蔽電纜送到各子系統的PLC內。控制信號由PLC輸出后以4～20mA電流形式送到執行機構。

2.3 工業以太網的系統控制模式設計

工業以太網的運行模式主要有兩種，一種是本地控制：這種屬于手動模式，需要準備控制箱，工作者啟動或者停止開關箱上的開關，即使出現中央控制室失聯的情況，也能保證流水線正常運作；另一種是遠程遙控控制，同樣需要控制箱，但是可以根據實際情況來決定是“手動”還是選擇“自動”，工作者可以通過觀看監控畫面實現遠程監控。

2.4 工業以太網網絡系統設計

2.4.1 網絡拓撲結構選擇

某些系統選用環型網絡拓撲結構，當某一節點出現故障時，它會自動旁路，而不影響環型網絡的信息傳輸。環型網絡結構的顯著特點是環路上的工作站在發送信息時，只能按照順序依次傳輸，所以不存在沖突問題。在光纖傳輸介質成本降低的今天，工業以太網的傳輸介質選用光纖組成雙環路雙冗余網絡是比較合適的方法。

2.4.2 系統組網方案設計

基于工業以太網的流水線綜合自動化控制網絡系統可以劃分為三層：信息管理層、網絡傳輸層、傳感檢測及執行機構層。

信息管理層。信息管理層主要是實現對整個工業以太網自下而上傳輸過來的流水線生產工藝的各個參數的管理，包括狀態參數的實時監測、越限報警；生產工藝參數的自動存儲、報表分析；設備控制指令的自動/聯動派發等等，這些功能的實現依賴于在信息管理層所開發的人機交互接口良好的專用自動化控制監控程序，通常可以采用組態程序實現。

網絡傳輸層。網絡傳輸層就是指基于工業以太網所搭建起來的工業以太網傳輸網絡系統，同時通過配置交換機、操作站等輔助設備，能夠實現操作人員在網絡現場對網絡傳輸層的檢查、維護和管理。網絡傳輸層作為整個自動化控制網絡系統的數據傳輸平臺，對于整個系統的功能實現具有至關重要的作用。

傳感監測及執行機構層。傳感監測及執行機構層主要有兩個作用，第一是通過傳感檢測設備，將流水線工藝流程中的各個參數實時檢測出來并發送到工業以太網上進行通訊，第二是通過安裝電氣開關、電磁閥等開關動作執行元件，接受來自頂層的中央信息管理層的遠程控制指令，實現對現場機電裝備或者流水線工藝流程的遠程自動化控制，傳感監測及執行機構層是面向整車焊接流水線生產和自動化控制的最底層，主要包括車間現場的各種監測、控制子系統，如焊接機器人控制子系統，滾床控制子系統，帶式輸送機控制子系統等。

結束語

工業以太網的自動化管理是它在生產活動中最大優勢，使得它在現如今的社會有了立足之處，雖然可以達成全自動化管理與監控的目的，但是相關工作人員也不可掉以輕心，必須加強責任心，做好分內的各項工作，確保工業以太網能夠發揮出作用；另一方面，工業以太網還存在著一些問題，如在環境條件惡劣的工廠運行時的安全問題，都是值得深思的。

參考文獻

[1]馮冬芹，金建祥，褚健.工業以太網關鍵技術初探[J].信息與控制，2003（03）.

[2]王威，繆學勤.試論工業以太網實時通信技術[J].自動化儀表，2003（02）.