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案例详细
标题EtherNet/IP工业以太网在打叶复烤企业的应用
技术领域工业以太网
行业
简介
内容
    摘  要：本文结合德昌复烤厂12000kg/h打叶复烤线电气控制系统详细阐述了工业以太网在自动化控制领域的应用状况以及发展前景。
    关键词：打叶复烤 ; 工业以太网 ; 自动化控制

    Abstract: This paper combined with the auto-control system which applied in Dechang Threshing&Redring factory , it also mainly introduces the application of the Industrial Ethernet in the field of auto-control and its development in the future.

    Key words: Threshing&Redring;  Industrial Ethernet ; Auto-control

    1  前言

    计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。本文以德昌复烤厂12000kg/h打叶复烤线为例详细介绍了美国Rockwell公司的EtherNet/IP工业以太网在本控制系统中的应用。
 
    2   EtherNet/IP工业以太网概述
    EtherNet/IP由美国Rockwell公司定义，并由ODVA和ControlNet International两 大国际组织支持推广，具有以下特点：

    （1）  EtherNet/IP网络采用标准的IEEE802.3u以太网和TCP/IP协议。因此EtherNet/IP可以采用符合工业要求的商业以太网通信芯片、物理介质和各种拓扑结构。

    （2）   EtherNet/IP协议由IEEE802.3物理层标准、TCP/IP协议组和通用工业协议CIP等三个部分组成。前面两个部分为标准以太网技术，在应用层采用和ControlNet、DeviceNet控制网络相同的适合实时工业控制的通用工业协议CIP。CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输。CIP协议采用了面向对象的方法去设计网络设备，基于“对象”技术编程和设备组态。

    （3）    EtherNet/IP能满足从高精度时间同步、分布式伺服控制、离散控制、过程控制到安全系统等工业应用要求。

    （4）    支持现场和远程监控、诊断和组态，可使用其他标准TCP/IP以太网上的服务如HTTP、SNMP、SMTP等。

    （5）    从EMC、安装防护等级各方面做出规定，保证EtherNet/IP产品适应严格的工业环境。

    3   应用状况

    德昌复烤厂隶属四川三益烟草有限责任公司，是2008年新建厂区，其整个控制系统采用现场设备层、过程监控层、信息管理层三层结构，基于EtherNet/IP工业以太网组成全分布式控制系统，该控制系统从底层的现场设备层到过程监控层、信息管理层全部采用以太网，实现了以太网的“一网到底”。系统网络结构如图1所示。


             

图1 德昌复烤厂控制系统网络结构图
    3.1 现场设备层

    现场设备层主要功能是完成车间级生产信息及产品质量信息的管理。德昌复烤厂生产车间全线电控系统采用总线方式控制，即采用主控柜与现场分布式I/O箱相结合的控制模式。车间分为真空回潮、预处理、打叶等多个工艺处理段，每一工艺段由主控柜（含PLC与变频器、电源开关等器件）、控制子站（放置在生产现场）、现场操作站等组成。

    3.1.1 主要电气元器件选型

    PLC选用A-B公司CONTROILOGIX系列产品1756－L63处理器；变频器选用A-B公司POWER FLEX 700系列产品；远程I/O选用A-B公司的1794-AENT系列产品;现场操作站选用A-B公司的2711P系列产品；交换机选用N-TRON公司SC接头系列产品。

    3.1.2 以太网传输方式

    各个子站、变频器、现场操作站与主站通讯采用AB公司工业以太网络EtherNet/IP,每个工艺段均采用有源星型拓扑结构，所有设备以点对点的方式直接与交换机建立连接，星型拓扑结构使得节点设备之间的连接更为简捷，为故障诊断和后期维护都带来了方便。传输介质采用超五类屏蔽双绞线或者光纤（传输距离超过100米时使用），传输速率可达百兆。较之以前的ControlNet和DeviceNet系统，Ethernet解决了长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。

    3.2  过程监控层

    3.2.1 硬件组成

    过程监控层实现对生产线的实时监控、质量管理与生产数据采集。车间中央监控系统硬件部分由监控计算机4台、质量管理计算机1台、工程师管理计算机1台、数据采集服务器2台以及N-TRON公司的9台508FX2-A-SC-S网络交换机组成。

    3.2.2 各组件功能

    监控计算机实现对现场各相应工艺控制段运行状况进行监视以及对工艺参数进行调整。

    质量管理计算机将检测数据确认、存储、处理后将部分数据下发给各控制工艺段，在人机界面上显示质量信息，提示现场操作人员；跟踪每一批次的生产情况，在每一批次的生产过程中实时计算出水份、温度参数平均值、最大值、最小值、合格率，电子秤流量参数的平均值、最大值、最小值。

    设置一台工程师管理计算机，安装PLC编程软件Logix5000，用于对各条生产分线的相关PLC控制程序进行维护、修改。
数据采集服务器主要通过冗余的环型光纤以太网采集现场控制各控制单元的数据及向各控制单元下达工艺参数和控制指令。数据采集服务器采用冗余方式，以保证当一个数据采集服务器或局域网连接中断时，客户机能自动的从一个路径转到另一路径。
    3.3  信息管理层

    传统的控制系统在信息管理层大都采用以太网。德昌复烤厂的信息管理层由生产调度计算机、数据库服务器、网络打印机、Web服务器及N-TRON公司的1台517FX-A-SC-S网络交换机组成。

   德昌复烤厂采用最近网络应用热点：基于Web的网络监控平台。在企业内部，可以利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。

    3.4  系统流量控制

    为保证工业以太网的实时性和可靠性我们可以通过以下技术来进行网络流量控制：

    （1）    利用虚拟局域网技术。通过虚拟局域网将每个工艺段划为一个独立的虚拟局域网，各主控PLC另外配置一块以太网通讯模块与过程监控层划为一个虚拟局域网实现数据采集。这样每个虚拟局域网各设备之间的通讯数据包限制在本虚拟局域网内，从而降低整个网络的负载。

    （2）    利用IGMP（Internet Group Management Protocal）技术。EtherNet/IP的应用层采用CIP协议，CIP协议采用生产者/消费者通讯模型，系统中生产者数据可被多个消费者同时接收，生产者/消费者模型不但提高了网络带宽的使用效率，而且还可以保证多个消费者同步接收同一数据。EtherNet/IP使用组播实现生产者/消费者模型所要求的功能，如果进行流量控制，要求交换机必须支持组播功能。我们在系统的管理型交换机上开启了IGMP Snooping功能，对组播数据包只转发到需要此组播数据包的端口，有效地节约网络带宽、降低网络负载。

    3.5  系统安全设计

    以太网的开放互连使网络安全成为不可忽视的问题，这直接涉及到现场的生产质量及设备人员安全，因此我们采取了以下安全措施：

    （1）    将厂级网和车间各生产网段设置为不同的IP网段，通过服务器的双网卡实现隔离。

    （2）    通过PLC编程和网管软件对网络状况进行实时诊断监控，并将其整合到系统监控画面中，具备必要的报警功能。

    （3）    采取鉴权措施，屏蔽非法网络访问，根据职责分配用户操作权限，系统数据库能自动记录系统操作及设备工艺参数修改事件，做到操作可查询可追溯。

    4 应用前景

    以太网技术引入自动化控制领域，其技术优势非常明显：

    （1）    Ethernet是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。

    （2）    软硬件成本低廉，由于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。

    （3）    通信速率高，随着企业信息系统规模的扩大和复杂程度的提高，对信息量的需求也越来越大，有时甚至需要音频、视频数据的传输，目前以太网的通信速率为10M、100M的快速以太网开始广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快很多。

    （4）    可持续发展潜力大，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。
德昌复烤厂12000kg/h打叶复烤线电气控制系统采用EtherNet/IP工业以太网通信技术将企业的三层网络系统，即现场设备层、过程监控层、信息管理层合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，并可与Internet无缝集成，实现数据的共享，提高了工厂的运作效率。整个系统自使用以来已经以其成本低、可靠性强、传输速度快、维护简便等优点得到用户的好评，这一成功案例也证明实时工业以太网技术在自动化控制领域的发展前景极为乐观。
 
 
    参考文献

     [1]徐皑冬,王宏,杨志家.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制,2000年4月,第29卷,第2期

     [2] Rockwell公司EtherNet/IP产品样本.