工業以太網在PTM上的應用

陳 明

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

隨著電解鋁車間自動化程度不斷提升，管控一體化系統逐漸被應用到生產管理中，管控一體化簡稱MCI,是一種通過計算機、網絡、數據庫、自動控制和接口通信等諸多先進技術建立起來的覆蓋企業生產管理與基礎自動化的綜合系統。PTM是電解鋁車間最重要的生產輔助設備，為配套管控一體化的整體需求，伴隨著整個鋁行業的迅猛發展，PTM目前已經逐漸走向智能化、無人化的發展階段。在智能化高速發展的道路上，工業以太網的應用是具有跨時代意義的，從最初的點對點接線通訊，到后來的現場總線控制，再到工業以太網控制，工業控制領域已經到了以太網時代，各種電器執行元件、監控系統、檢測元件都配備以太網通訊接口，方便整個設備級或車間級控制系統的建立。

1 工業以太網

1.1 工業以太網的發展情況

以太網及TCP/IP技術最早被應用在IT領域，并在IT領域獲得了巨大的成功，隨著計算機技術的發展，以太網逐漸成為IT領域的主流通訊技術，發揮了不可替代的作用。而最近幾年，以太網技術開始被應用到工業控制領域，并伴隨著工業控制自動化的發展而慢慢發展成熟，其大致發展情況為以下兩點：

(1)工業自動化控制領域逐漸從單機控制走向車間級或廠級的整體控制，比較典型的控制系統就是DCS控制系統，車間管控一體化也是比較有代表性的一種。近些年來，工程師們逐漸意識到實現單一設備的集成化智能控制并不能給企業帶來好的效益，而將整個車間或企業做為一個整體來控制才能符合當前的發展需求，工業以太網作為良好的通訊方式可以將各個單一的個體聯系起來。

(2)車間一線設備，如各種傳感器、監控設備等的數據采集及互通是管控一體化系統的基礎。為實現例如鋁電解車間管控一體化的要求，車間內各運行設備，包括PTM等必須具有實時性。這就要求互通數據的實時性、可靠性及兼容性，工業以太網具備當前工業控制領域的所有需求，必將實現其不可替代的作用。

1.2 工業以太網的優點

(1)安全性。在以往的自動控制系統中，PLC與PLC間、PLC與變頻器間等設備通訊大多采取總線通訊方式，如C.net和D.net.等。這種通訊方式很難建立起冗余通訊系統，不能保障硬件與硬件、硬件與軟件間的通訊穩定性，一旦通訊發生中斷會導致整個控制系統癱瘓。工業以太網可以通過PLC冗余模塊或工業交換機等構建冗余系統(環形網絡)，具有較好的穩定性，保障系統的正常運行。

(2)協議開放性。在大型的工業控制系統中，一般會包括多種品牌的PLC、變頻器等，不同自動化廠家的商品一般會采取其特有的通訊協議，因此以太網之前想采用一種統一的通訊方式幾乎是不可能的。工業以太網可以有效的解決工業互聯問題，在任何一種控制系統中，以太網可以與設備級網絡統一通訊，也可以與廠級網絡進行數據交流，最終實現整個大型網絡的互聯通訊。

(3)延伸性。延伸性(也稱拓展性)是考察一種通訊網絡的重要依據，工業以太網是一種靈活性極高的網絡。在典型的控制系統中(包括PLC、變頻器等)，只需要添加相應的以太網模塊或以太網選件卡，再對IP進行合理的布局分配，就可以實現廠級的互聯通訊。

(4)穩定性。在未來的工業控制領域，穩定性和可靠性將是人們關注的重點，工業以太網最突出的特點就是通訊速率快，一般可達到百兆級，最高可達到千兆級，極大的滿足了大數據時代需要的高通訊速率的需求。

2 工業以太網的工作原理

目前工業以太網主流的幾種通訊協議包括Modbus TCP/IP、Profinet、Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink，我們選取其中的一種EtherCAT協議簡述其工作原理及網絡結構。EtherCAT是一種現場總線式的以太網通訊協議，由德國倍福Beckhoff公司開發。主要用于過程數據的傳輸，包含若干個EtherCAT報文，這些報文工作在一塊特定的邏輯映射內存區，發送和接收的數據可以任意編寫地址。

EtherCAT通訊協議的OSI模型如圖1所示，主要包含三層結構，即物理層、數據鏈層、應用層。物理層主要指硬件通訊設備，作用是信號的采集并上傳；數據鏈層的主要功能是對數據進行處理并傳輸，同時對傳輸的數據進行實時驗證，確保傳輸的數據不失貞；應用層主要是對傳輸過來的數據進行回應，經過計算后傳回物理層，EtherCAT的這種結構非常適合具有多個從站的控制系統，傳輸速率快。

圖1 EtherCAT通訊協議的OSI模型

3 一種典型的工業以太網PTM控制系統

PTM是電解鋁車間的主要輔助設備，其全稱為鋁電解多功能機組，主要負責電解鋁車間陽極更換、出鋁、加料以及車間內物料的吊運工作，工作范圍幾乎覆蓋了電解車間所有的工作區域，是車間構建管控一體化的重要組成部分。由于工業以太網已經普遍應用到工業控制領域，且管控一體化要求PTM所有的工作信息在辦公網絡中可查詢、可監控，PTM設備使用工業以太網作為主要的通訊方式已經是勢在必行了。

鋁電解多功能機組的結構主要包括大車、小車、出鋁車、液壓系統、提升機構等，控制系統一般采取PLC控制，驅動模式包括接觸器驅動和變頻器驅動。本文介紹的一種典型的工業以太網PTM控制系統采取PLC控制，分為一個主站兩個從站，大車、小車等主要機構采取變頻器驅動，單臺PTM設備配置一個無線電臺，所有以上提到的設備均采取以太網進行通訊，根據以上簡述的控制系統繪制如下結構簡圖。

圖2 一種典型的PTM以太網控制系統

系統由PLC、變頻器、工業電臺、交換機、觸摸屏及必要的通訊網線組成。PTM是一種復雜龐大的機械設備，執行機構和限位反饋較多，因此需要的IO點的數量比較龐大，所以PLC控制單元劃分為三個站，一個主站兩個從站，三個站分布在PTM的大梁、檢修平臺及司機室內，這種布局方便全車電纜的鋪設，可節省電纜成本。主站和從站通過以太網通訊，各站點設置不同的IP地址，所有的IO和模擬量數據通過網線進行交換。主站PLC外接一個工業交換機，用于通訊變頻器、工業電臺、HMI(人機界面)。工業電臺用于PTM與PTM間的數據通訊，也可進行PTM與車間中控室的數據交換，車間一體化管理就是通過這個電臺來監控天車的運行狀態，技術人員也可通過這個電臺用手機或筆記本電腦查看PTM的運行數據。HMI全稱人機界面，是監控PTM運行的主要設備，天車運行的所有數據均可顯示在觸摸屏上，包括所有的限位狀態、故障信息、變頻器運行實時數據等。變頻器作為電機的主要驅動裝置，通過以太網與PLC進行數據的讀寫操作，PLC通過網絡將運行指令發送給變頻器，變頻器再將運行狀態反饋給PLC。

整個控制系統均通過工業以太網進行通訊，以太網在進行通訊參數設置時十分便捷，一般只需要合理的IP分布就可以，如果網絡比較龐大，也可通過子網掩碼的設置增加可用IP的數量。圖2所示的控制系統結構為典型的環形網絡，也稱之為冗余系統，環形網絡最大的優點在于穩定性強，適合隨時移動的PTM設備，當網絡中任何一點斷開，控制系統依然可正常運行，保障生產正常進行。這種典型以太網通訊系統拓展性強，目前工業以太網大多是開放通訊協議，任何支持以太網的設備均可與之進行通訊，本系統無線電臺可與外界進行無線通訊，工業交換機也可用于系統自身的技術升級與設備拓展。因此基于以太網的PTM通訊系統不僅可以滿足車間管控一體化的使用需求，也為以后的技術改造升級留下了足夠的提升空間。

4 結束語

目前工業以太網正在快速發展中，其在鋁電解車間的應用主要體現在車間的輔助設備上，它的應用很大程度上提高了電解鋁行業的自動化水平，在企業減員增效方面發揮了巨大的作用。相信工業以太網的應用范圍會越來越廣泛，未來在智能控制方面發揮其不可替代的作用。