工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動控制中的應用

劉金龍

（河鋼邯鋼大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056003）

0 引言

進入新時代，科技還在飛速發(fā)展，促使互聯(lián)網(wǎng)應用在各領域各行業(yè)中，在工業(yè)自動化控制中應用促進工業(yè)的快速發(fā)展。工業(yè)自動化控制的主要方式包括計算機的集散控制（DCS）、集中控制（CCS）、總控制（FCS）等，但由于工業(yè)需求方面的發(fā)展，以上的控制方式的應用出現(xiàn)了一些不足，如網(wǎng)絡通信信號不夠穩(wěn)定，自動控制系統(tǒng)難以升級，后續(xù)維修及養(yǎng)護消耗大量的人力及物力資源等，所以當前工業(yè)自動化控制既能滿足工廠需求，也能避免以上傳統(tǒng)自動控制在應用中存在的問題。因此進一步研究工業(yè)以太網(wǎng)應用在軋鋼廠自動化控制的設計十分必要。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的相關闡述

工業(yè)以太網(wǎng)主要設計應用在工業(yè)上的，符合國際標準IEEE802.3提供性能可靠、開放、多供應商等區(qū)域及單元網(wǎng)絡。在控制網(wǎng)絡的頂層都已廣泛應用工業(yè)以太網(wǎng)，且發(fā)展逐漸朝著現(xiàn)場層及底層方面拓展。同時工業(yè)以太網(wǎng)主要采用的的協(xié)議主要是TCP或IP，通過以太網(wǎng)工廠的自動化控制系統(tǒng)就能與企業(yè)的外部、內(nèi)部的因特網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進行連接，同時一系列硬件設備無需配備，就能實時共享管理與控制的網(wǎng)絡的信息數(shù)據(jù)，即“管控一體化”；近年來Internet和Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，可不應用軟件，使用IE瀏覽器可對工業(yè)現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)進行訪問瀏覽，這是任何一種現(xiàn)場總線都是無法完成的，其中的交換技術可提供通信穩(wěn)定的性能。同時以太網(wǎng)比較靈活，原有的設備也可進行發(fā)展，其中使用的拓撲網(wǎng)絡結構，使得網(wǎng)絡的可靠性及穩(wěn)定性更高。通過無線、有線的電話網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，即可滿足以太網(wǎng)交換遠程信息數(shù)據(jù)的需求；通信速率快，10Mbit或100 Mbit/s的以太網(wǎng)已被投入廣泛應用，此時1Gb/s以太網(wǎng)技術也已經(jīng)成熟，而傳統(tǒng)的總線速率只達12Mb/s因此，以太網(wǎng)速率相對于傳統(tǒng)的來說，可滿足工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡更快速率的寬帶需求。綜上，工業(yè)以太網(wǎng)主要有以下特點：（1）以太網(wǎng)和IEEE802．3與IEEE802.3u 兼容，產(chǎn)品在設計及制造中滿足工業(yè)生產(chǎn)的實際需要。（2）傳輸速率快，網(wǎng)絡最多能承載1023個節(jié)點，網(wǎng)絡覆蓋的范圍最大可達150km。（3）較強的抗干擾能力，無論環(huán)境多么惡劣的工業(yè)現(xiàn)場都可應用，使得被廣泛應用于工業(yè)領域。（4）供電采用DC24V，冗余連接得以實現(xiàn)。（5）導軌較為標準，更換和安裝更為便捷，可隨意組合不同的拓撲網(wǎng)絡結構。（6）供電采用DC24V，冗余連接得以實現(xiàn)。（7）應用局域網(wǎng)技術，網(wǎng)絡被分為幾個子網(wǎng)，使得網(wǎng)絡的負荷得有有效減輕。（8）故障自動恢復，網(wǎng)絡發(fā)生交換機故障或斷線等重構網(wǎng)絡的時間在0.3s以下，同時能夠?qū)蚀_的診斷和糾正網(wǎng)絡故障[1]。

2 軋鋼廠自動控制系統(tǒng)中應用工業(yè)的整體設計

2.1 系統(tǒng)設計遵循的原則

（1）實用：以太網(wǎng)建立的自動加控制系統(tǒng)必須要符合軋鋼廠的實際生產(chǎn)需求與管理要求，對于一些控制系統(tǒng)功能升級或線路擴充等要充分考慮，在設計中遵循最重要的原則就是實用。

（2）低成本： 軋鋼廠實現(xiàn)自動控制必須在工廠內(nèi)架設組網(wǎng)，這時組網(wǎng)架設投入的資金成本高，使得在組網(wǎng)設計中要求降低投入成本。低成本針對于軋鋼廠來說，除了軋鋼廠架設自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的低成本，主要還有自動化控制系統(tǒng)應用后續(xù)的擴容、升級、維護系統(tǒng)等工作中涉及到的成本，也需要降低成本[2]。

（3）組網(wǎng)靈活：軋鋼廠實際的生產(chǎn)和運營中涉及到的生產(chǎn)及電氣設備的種類繁多，不同類型設備配置的電氣規(guī)格也不相同，類型多樣的電氣規(guī)格的生產(chǎn)設備接入以太網(wǎng)，為了保證網(wǎng)絡的有效性，每臺不同的設備必須要接入專用接口模塊，使得以太網(wǎng)建立的自動控制在設計中靈活組網(wǎng)是不可缺少的，促使生產(chǎn)設備能夠靈活與整個自動化控制網(wǎng)絡實現(xiàn)連接。

（4）穩(wěn)定可靠：軋鋼廠生產(chǎn)環(huán)境相于來說比較惡劣，一些內(nèi)部及外部因素都用可能對自動化控制產(chǎn)生影響。同時該網(wǎng)絡主要是拓撲結構，故障發(fā)生也能很好地更換及維修，因此，工業(yè)以太網(wǎng)自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定及可靠性能十分必要性，確保能夠適應生產(chǎn)環(huán)境。

2.2 明確系統(tǒng)功能

根據(jù)軋鋼廠自動控制對于系統(tǒng)的要求，對于構建的自動控制系統(tǒng)的主要功能包括以下模塊：（1）數(shù)據(jù)收集模塊：該模塊功能設計的主要目的是實現(xiàn)軋鋼廠中的各種類型的生產(chǎn)、電氣設備運行的實時監(jiān)測，主要是工作運行及環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，同時還有對生產(chǎn)生指標的功能產(chǎn)生影響的參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測。通過傳感器收集將進行對監(jiān)測功能的參數(shù)，收集模塊將底層信息數(shù)據(jù)經(jīng)過太網(wǎng)通信入口傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)總網(wǎng)中進而經(jīng)過其到的最頂層的信息化的管理系統(tǒng)中[3]。（2）數(shù)據(jù)輸送模塊：該模塊功能實現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)，同時需要一些不可缺少的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)輸送設施設備，才能讓數(shù)據(jù)實現(xiàn)網(wǎng)絡輸送，主要是底層數(shù)據(jù)輸送到達信息控制系統(tǒng)，信息控制系統(tǒng)遠程發(fā)出控制命令傳輸?shù)降讓拥目刂铺幚砥髦小＃?）運行中生成的數(shù)據(jù)信息處理模塊：主要包括數(shù)據(jù)的自動生成、存儲、瀏覽及遠程控制等，要想實現(xiàn)該模塊功能，需要專門為其設計的機組軟件，使得底層檢測的數(shù)據(jù)顯示圖形化、存儲及瀏覽等功能才能實現(xiàn)。（4）人機交互模塊：該模塊功能主要是使得自動化系統(tǒng)的操作技術人員和系統(tǒng)之間交互的實現(xiàn)，同時讓系統(tǒng)使用中對于操作人員發(fā)出的遠程控制命令等進行很好地做出相關的反應，該模塊功能的實現(xiàn)主要是設計交互觸摸屏、鍵盤等工具[4]。

3 軋鋼廠應用工業(yè)以太網(wǎng)自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)參數(shù)確定

確定將工業(yè)以太網(wǎng)應用在軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)中作為介質(zhì)，確定系統(tǒng)的參數(shù)極其重要，主要是其拓撲結構及帶寬兩方面。（1）工業(yè)以太網(wǎng)中的拓撲結構主要是符合軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)中的功能要求，明確自動化控制中系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡拓撲結構主要是環(huán)型，這種網(wǎng)絡結構主要是在網(wǎng)絡節(jié)點連接主要是終端和末端相連的通信鏈路形成的閉合環(huán)路，這種網(wǎng)絡結構具有組網(wǎng)靈活、低成本、系統(tǒng)功能冗余等優(yōu)勢，即使在運行中其中一個環(huán)路網(wǎng)絡發(fā)生癱瘓或過于擁堵，在整個環(huán)型網(wǎng)絡上的另外網(wǎng)絡節(jié)點也不會受其影響，因此，確定網(wǎng)絡結構為環(huán)型[5]。（2）網(wǎng)絡帶寬的確定，工業(yè)以太網(wǎng)從出現(xiàn)發(fā)展至今，在不斷的發(fā)展及升級中從1M帶寬逐漸升級為10M、100M甚至是1000M的帶寬，1M帶寬對于任何領域的應用來說失去價值，而最新發(fā)展升級出現(xiàn)的1000M帶寬應用架設的組網(wǎng)成本高，結合軋鋼廠生產(chǎn)的大型車間環(huán)境，及具體應用自動化控制功能中對網(wǎng)速的要求，當前采用流行的100M網(wǎng)絡帶寬就能夠很好地滿足該系統(tǒng)控制需求。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)下軋鋼廠自動控制的實現(xiàn)

（1）信息管理層：該層的主要作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理，將數(shù)據(jù)以理想中的形式顯示數(shù)據(jù)或者圖像圖形，自動儲存、查詢及結合數(shù)據(jù)信息進行的報警，遠程控制命令的發(fā)出等，對軋鋼廠所有的生產(chǎn)及電氣設備的運行及參數(shù)完成遠程監(jiān)測及控制。（2）中間層：該層主要是整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸層，其主要的是工業(yè)以太網(wǎng)，其中還有路由器、數(shù)據(jù)處理傳輸、現(xiàn)場控制等。中間層的作用是對底層軋鋼廠在運行工作中的生產(chǎn)設備與工作的參數(shù)完成網(wǎng)絡傳輸，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸送到頂層的信息管理層；或者將頂層的信息管理層下達的遠程控制命令輸送到軋鋼廠運行現(xiàn)場控制的設備或節(jié)點，完成指定設備的控制[6]。（3）設備控制層：設備控制層需要PLC、單片機控制器與傳感器輔助，動態(tài)監(jiān)測生產(chǎn)及電氣設備的運行狀態(tài)參數(shù)，同時將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息輸送到PLC或單片機等控制器對數(shù)據(jù)進行預處理，最終傳送到頂端的信息管理層；這時也要責接對信息管理層發(fā)出的遠程控制命令進行接收，最終控制器實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的控制。

4 工業(yè)以太網(wǎng)在自動化控制中的應用建議

4.1 加強實時及確定性

現(xiàn)階段，以太網(wǎng)在工業(yè)的自動化中廣泛應用，且重要性較為突出，但在變化發(fā)展的通信網(wǎng)絡環(huán)境下需要對局域網(wǎng)進行完善，加強其實時及確定性。采用交換技術，建立以交換機為介質(zhì)的系統(tǒng)，實現(xiàn)有效安排數(shù)據(jù)包，確定傳輸?shù)捻樞颍粦孟到y(tǒng)面對面發(fā)送數(shù)據(jù)，避免發(fā)生碰撞，保證網(wǎng)絡更加安全穩(wěn)定。

4.2 加大對工業(yè)以太網(wǎng)自動化系統(tǒng)的研發(fā)力度

為了讓工業(yè)實現(xiàn)更高程度的自動化控制，以太網(wǎng)需要在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的管控上有所發(fā)展，加大對工業(yè)自動化系統(tǒng)的研發(fā)，使得以太網(wǎng)的實時、穩(wěn)定及確定性得以提升，研發(fā)生產(chǎn)出高端系列產(chǎn)品，以此實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場與辦公室的管控一體化。

此外，通過以太網(wǎng)技術加強自動化系統(tǒng)中的組態(tài)、控制及數(shù)據(jù)收集功能，控制對輸送任務網(wǎng)絡，自動化采集數(shù)據(jù)，以此提升控制水平。

5 結論

總的來說，結合軋鋼廠對自動化控制的應用需求，對工業(yè)以太網(wǎng)進行系統(tǒng)的闡述，基于此軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)設計原則，又對工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動化控制系統(tǒng)中的應用提出實現(xiàn)的設計方案，最后以太網(wǎng)在工業(yè)自動化控制中很好地應用提出建議，以此提升自動化控制的程度及管理水平，促進現(xiàn)代化工業(yè)的蓬勃發(fā)展。