王志强（1973－）
男，湖北人，工程师，（武汉烟草集团武汉卷烟厂，湖北 武汉  430000）,毕业于合肥经济技术学院（今中国科技大学）工业自动化专业，现任武烟集团武汉卷烟厂电气主任工程师。

摘要：工业以太网是一种新兴的行业技术，在保持了早期现场总线的技术特点的同时，融入了大量最尖端的信息技术。目前它已经成为了下一代工业产品中最具有发展潜力和特点的技术。本文简要介绍了关于传统以太网和工业以太网的各项技术特点和基本概念，针对这门新技术在实际中的运用，提出了一些实际看法。并且较详细的描叙了国内第一条工业流水线的安装，实施，调试和最终使用的过程，对于其中的很多问题都给出了具体的解决方案。

关键词：以太网络；工业以太网络；工业级服务器；数据介质；网络层次结构；交换机；IGMP；现场总线；存储介质；IGMP；EtherNet/IP

Abstract: The industry ethernet is one emerging profession technology, maintaining the technical characteristic of the field bus in the early time, and integrating the massive most state-of-art information technology. At present it already became one technology with the most developing potential and characteristic in the next generation of industry product.This article introduces briefly about the traditional ethernet and the industry Ethernet, their technical characteristics and the basic concepts, and meanwhile in view of the practical applications of the industrial Ethernet technology , proposes some actual views. More detailed description is given about the process from instalment, implementation, debug and final application of the first domestic industry assembly line and the solution to a lot of problems occurring during the whole process.

Key words: Ethernet；industrial ethernet；industrial server；data medium；network hierarchical structure；switchboard；IGMP field bus；storage medium； EtherNet/IP

1 前言

    众所周知，开放性、互联互通性是自动化厂商与IT厂商的共同目标，使用标准TCP/IP以太网将有利于自动化厂商与IT厂商的合作和整合，有利于为用户提供真正意义上的完整解决方案。工业自动控制系统分为三个层次——信息层、控制层和设备层，现在EtherNet/IP已经在工厂自动控制信息层上得到广泛使用，并且也已经大量应用到控制器实时联锁层。在IO设备层，EtherNet/IP已经进入并且实现了成功的案例。作为CIP技术最新发展的EtherNet/IP工业以太网，一个特别的好处就是使用标准TCP/IP以太网技术。这意味着，EtherNet/IP工业用户能直接受益于标准TCP/IP以太网的持续创新、功能增强和成本降低等带来的好处。并且，EtherNet/IP产品生产商可以自由、自主地选择任何符合工业要求的TCP/IP以太网ASIC进行开发和生产。在EtherNet/IP产品开发和制造中，中国厂商和全球范围内的其他厂商完全站在同一条起跑线上。在武汉烟草集团武汉卷烟厂2400KG/H黄鹤楼精品生产线上，武汉卷烟厂选择了工业自动化解决方案供应商罗克韦尔自动化公司（Rockwell Automation）的EtherNet/IP，基本实现了“一网到底”的思路。

2 应用情况

    武汉卷烟厂2400Kg线是一条刚刚投产的试验线，整个试验线分为：叶片处理线、切丝处理线、混丝处理线和加香处理线四个控制工艺段，每个工艺段包含一组主控柜、1台现场操作站、部分智能化单机设备、多个构件单元分布式控制箱和分布式安装的变频器，主控制器采用ControlLogix处理器安装于控制柜内，中央集控采用分布式RSView SE系统。

    2.1   系统构成

    控制网络采用罗克韦尔自动化公司的EtherNet / IP工业以太网，主干网采用光纤环网形式，分支使用星形连接，各控制PLC、现场操作员终端、独立的控制系统（如切丝机、电子秤）以及集中监控层的集中段监控机通过工业以太网交换机连接到工业以太网上进行通讯，实现数据、信息共享。分布式I/O、变频器、软启动器通过工业以太网与PLC连接；智能设备仪表如水分仪、流量计等采用DeviceNet连接；现场执行机构（如电机、控制阀等）和检测器件（如光电管、接近开关、温度变送器、压力变送器等）信号接入现场分布式I/O。

    主要设备包括以下设备：

    ● 18块1756 ENBT

    ● 3块1788 ENBT

    ● 7块Logix5555系列PLC 

    ● 4块FlexLogix系列PLC 

    ● 10台电子秤(SLC500+Ethernet/IP)

    ● 50台 Flex IO 站点

    ● 76台 PowerFlex变频器
   
    ● 2台冗余HMI/数据服务器（RSView SE Server，双网卡）

    ● 7台现场操作站（RSView SE Client）

    ● 5台中控多功能终端工作站（RSView SE Client）

    ● 1台Oracle数据库服务器（双网卡）

    ● 1台域控制器（双网卡）

    ● 1台Web数据采集、发布服务器OPC（RSOPC Gateway，双网卡）

    2.2   网络结构

    光纤环网主要由可网管的带光纤端口的工业以太网交换机、光缆和光连接设备组成。主干交换机之间通过多模光纤组成的100M冗余环网作为主干网，作为监控层与控制层、控制器件间的通讯链路；应用光纤的长距离传输、高抗干扰能力和交换机具备的快速生成树功能，由五台可网管的工业以太网交换机构成冗余环网结构；交换机分别布置在集中控制室、叶片段、切丝段、混丝/烘丝段和加香段。其中，中控室交换机工作在冗余管理模式，实时检测环网的工作状况，在环网链路出现故障时实施链路切换，环网线路恢复时间小于500毫秒。

　　网络拓扑结构如图2所示。

图 2

图3

    处于核心数据层的是PLC节点，工控计算机和服务器节点，所有的数据交换几乎都放在同一层次的网络上，不分主次，这样的好处是真正做到了开放式，所有的数据源和数据采集节点都是对等的。在实际调试中，这种网络结构非常方便，充分体现了以太网开放性。

    但VLAN设置也带来了在现场调试的复杂性，每次更改设置都会带来整个网络的通讯暂停。其缺点也显而易见，数据介质的公用使得数据通道很拥塞，权限分工的不清晰，造成数据源长期处于繁忙中，数据的发送接收没有优先等级，对不同的需求和不同的优先级不能兼顾，造成系统效率低下。在系统投入运行后，通讯不稳定使生产线停机，经过分析主要是光纤环网交换机VLAN控制和IGMP处理能力不足，造成网络负载过重。

    网络设备的处理能力限制了VLAN的发挥，在实际使用过程中，由于工业网络的节点设备需要占用大量的网络时间，即会发出大量的实时包，用于保证工业控制的实时性，但是每个包会非常小，甚至于是几个字节的微小变化控制指令，这对于网络的带宽要求极小，但是对于网络节点设备的处理能力要求很高。一般网络节点交换机的处理能力是255个组波播组，当采用VLAN时，很有可能超出这个能力，工业以太网络的节点设备基本都采用Multicastwave方式。这样，很容易造成交换机的崩溃。

    另外，对于自动化流水线来说，最重要的是保证流水作业和工序的不间断性，如果一旦出现故障，那么虚拟网技术需要相当长的时间来恢复，更换交换机，配置网络，而且很有可能从一个网段扩散到其他的地方，从而影响整个网络。实际上，对于工业生产，稳定是最重要的。实时控制对于工控非常重要，而系统的瘫痪或者拥堵哪怕是几秒钟对于流水作业来说都是灾难。而且对于故障设备的生产中最优效率时间维护是多么的重要，能够让流水线迅速的恢复正常远远比了解故障的详细状况和彻底分析解决问题要重要并实际得多。

    综上所述，我们放弃VLAN,而采用稳定的物理分层结构，这样我们的维护工作变得简单高效。

    3.2   工程设计分析

    工程设计是整个工程的一个关键所在，在一个自动控制流水线的初始设计阶段，就应该充分考虑，电气设备的分布密度，数据传输介质的网络结构和规模，对于数据传输的极限，物理介质距离和相互之间电源、电磁干扰，以及网络优化，分布策略等等。具体来说，比如网络数据包的数量将会决定节点交换机的选型，电气设备的数据量将会决定网络传输设备和传输介质的具体参数型号。

    3.3   电气施工分析

    电气安装施工是整个工程的另一个关键。重要设备的安装，走线，比如变频器的走线和接线方式，必须采取有效方式降低谐波干扰对设备的影响。强电和弱电信号线必须分开布局，专业的网络介质需要专业的器材和制作工具来安装，还需要采用专业的测试工具来检测各项质量指标。电源干扰和设备节点接地问题也必须重点考虑。

4 总结

    Ethernet/IP工业网络解决方案的出现，对工业领域具有十分重要的意义，不仅提供了从设备层到企业信息网络层的一整套无缝整合系统，更重要的是，它建立在标准以太网技术平台之上，已为众多的技术人员所熟悉，保证了其今后会随着以太网技术的发展而得到进一步创新。作为一个日渐流行的开放标准，EtherNet/IP的技术优势可满足自动化领域的广泛需求。更可以为工业自动化提供一个整体的、高性价比、易于升级的解决方案。在武汉烟草集团武汉卷烟厂2400KG/H黄鹤楼精品生产线上的应用EtherNet/IP，取得了良好效果。

作者信息:

    王志强，李  军  （武汉烟草集团武汉卷烟厂，湖北 武汉  430000）