1.工業(yè)以太網簡介

所謂工業(yè)以太同，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場要求。

2.工業(yè)以太網的特點

2.1 實時性和確定性

隨著快速以太網與交換式以太網技術的發(fā)展，給解決以太網的非確定性問題帶來了新的鍥機，使這一應用成為可能。首先，以太網的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐景相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小，即網絡碰撞幾率大大下降。其次。采用星型網絡拓撲結構代替總線型結構，交換機將網絡劃分為若干個網段。以太網交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、轉發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時交換機還可以對網絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使各個網段內節(jié)點問數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網段內進行，而不需經過主干網，也不占用其他網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。

再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，同時網絡上的沖突域不復存在（全雙工通信），或碰撞幾率大大降低（半雙工），因此，以太網通信確定性和實對性大大提高。

2.2 穩(wěn)定性和可靠性

以太網進入工藝控制領域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商業(yè)領域設計的，商用網絡產品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，因而需要針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等）來設計工業(yè)以太網。

隨著網絡技術的發(fā)展。上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)領域應用，在極端條件下網絡也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產了機架導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準D IN導軌上，并由冗余電源供電，接插件采用牢固的DB29結構。現(xiàn)在已經出現(xiàn)了特別設計用于連接工業(yè)應用中具有以太網絡接口的工業(yè)設備（如PLC、HM I、DCS系統(tǒng)等）。

此外，在實際應用中，主干網可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可以采用冗余網絡技術，以此提高網絡的抗干擾能力和可靠性。

3.冶金自動化控制系統(tǒng)的體系結構

按照目前流行的自動化體系結構，典型的冶金自動化系統(tǒng)按功能層次可分為基礎自動化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、生產管理控制系統(tǒng)、企業(yè)信息化系統(tǒng)4個層面。

3.1 基礎自動化系統(tǒng)

以PLC、DCS、工業(yè)控制計算機為代表的計算機控制，是以對現(xiàn)場級設備的控制。在基礎自動化系統(tǒng)中，目前南PLC控制仍占主要地位：在冶金流程中，基礎自動化控制系統(tǒng)又是關鍵的部分．它沒計的好壞直接影響到整個控制系統(tǒng)。

3.2 過程控制系統(tǒng)

冶金流程在線連續(xù)檢測和監(jiān)控系統(tǒng)。采用新型傳感器技術、光機電一體化技術、軟測量技術、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理技術、冶金環(huán)境下可靠性技術，以關鍵工藝參數(shù)閉環(huán)控制、物流跟蹤、能源平衡控制、環(huán)境排放實時控制和產品質量全面過程控制為目標。實現(xiàn)冶金流程在線檢測和監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 生產管理控制系統(tǒng)

冶金流程的全息集成。實現(xiàn)鐵一鋼一軋橫向數(shù)據(jù)集成和相互傳遞，實現(xiàn)管理→計劃→生產→控制縱向信息集成。同事整合生產實時數(shù)據(jù)和關系數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)倉庫，采用數(shù)據(jù)挖掘技術，提供生產管理控制的決策支持。

3.4 企業(yè)信息化系統(tǒng)

企業(yè)信息集成到行業(yè)信息集成。信息化的目的之一是實現(xiàn)信息共享，在有效競爭前提下趨利避害，在企業(yè)信息系統(tǒng)的編碼體系標準化、企業(yè)異構數(shù)據(jù)/信息集成基礎上，進一步實現(xiàn)協(xié)作制造企業(yè)信息集成，全行業(yè)信息網絡建設及宏觀捌控信息系統(tǒng)，直軍全球行業(yè)信息網絡建設及宏觀調控信息系統(tǒng)。

4.自動化控制系統(tǒng)的網絡結構和一絡通訊

4.1 自動化控制系統(tǒng)的網絡結構

從現(xiàn)場級到生產控制級，再到公司管理層網絡結構可采用多種不同類型的網絡來設計，目前用到最多的就是工業(yè)以太網現(xiàn)場級大多采用西門子的Profibus網絡，不過西門子的Profinet網絡（是把以太網和Profibus結合于一體）是新開發(fā)的一種現(xiàn)場級網絡．在將來會逐步代替Profibus網絡，而現(xiàn)場級以上的三層控制系統(tǒng)大都采用以太網。

以太網在自動化控制系統(tǒng)中扮演著很重要的角色?；A自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場級網絡采用Profibus（使用最為廣泛）或Profinet是目前最流行和實用的兩種網絡。但是Profinet網絡比Profibus網絡優(yōu)越很多，因為Profinet就是基于以太網的，因此，Profinet是后來追上。

現(xiàn)場級以上的控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網，每一級的工業(yè)以太網都可以是采用不同的結構如：環(huán)形結構，樹形結構等。所有以太網接口的設備都可以通過交換饑、集線器和路由器等連接到以太網網絡之中。為了保證網絡暢通和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，建議所有的控制系統(tǒng)采用環(huán)形網絡或者做冗余系統(tǒng)。

4.2 自動化系統(tǒng)的以太網網絡通訊

4.2.1 PLC與PLC之間的以太網通訊

這里以西門子S7-3001400系列的PLC為例。PLC之間可采用S7通訊、S5—兼容通訊（包括ISO協(xié)議、TCP議、ISO—on-TCP協(xié)議等），下面介紹幾種常用的通訊方法。

所需硬件：2套S7-300系統(tǒng)（包括電源模塊PS307、S7-300 PLC、以太網通訊模塊CP343—1）、PC機、以太網通訊網卡CP1613以及連接電纜。所需軟件：STEP 7。

①S7通訊

使用STEP 7軟件進行硬件組態(tài)和網絡組態(tài)（建立S7連接）以及編寫通訊程序。如果選擇雙邊通訊要在PLC雙方都編寫通訊程序。S7-300 PLC調用函數(shù)FB12、FB13進行通訊。S7-400調用函數(shù)SFB12、SFB13來進行通訊；如果選擇單邊通訊只在主動方編寫通訊程序，S7-300 PLC調用FB14、FB15進行通訊。S7-400調用函數(shù)SFB14、SFB15來進行通訊。

②TCP通訊

使用STEP 7軟件進行硬件組態(tài)和網絡組態(tài)（建立TCP連接）以及編寫通訊程序。PLC雙方都編寫通訊程序。S7-300 PLC調用函數(shù)FC5、FC6進行通訊，S7-400調用函數(shù)FCSO、FC60來進行通訊。

③ISO通訊

使用STEP 7軟件進行硬件組態(tài)和網絡組態(tài)（建立ISO連接）以及編寫通訊程序。PLC雙方都編寫通訊程序，S7-300 PLC調用函數(shù)FC5、FC6進行通訊，S7-40o調用函數(shù)FC50、FC60來進行通訊。

以上三種通訊方式的操作方法基本一致，只有在建立連接時選擇各自的協(xié)議即可。

4.2.2 PLC與HMI之間的以太網通訊

由于上位機監(jiān)控軟件種類繁多，PLC與HMI之間的通訊也就種類繁多。不同的上位機監(jiān)控產品可能與PLC的通訊協(xié)議不相同。但大多監(jiān)控軟件都有一個共同的標準接口：OPC接口，因此PLC與HMI之間的以太網通訊大多都可采用OPC進行通訊。除此之外，用戶還可以使用VC、VB等編程軟件開發(fā)一些簡單的監(jiān)控界面與西門子PLC直接進行TCP通訊。

①OPC通訊

所需硬件：1套S7-3o0系統(tǒng)（包括電源模塊Ps307、S7-300 PLC、以太網通訊模塊CP343—1），PC機，以太網通訊網卡CP1613以及連接電纜。所需軟件：STEP 7、SIMATIC NET6.3f提供虛擬Pc機和對Pc站的參數(shù)設置）、組態(tài)王以太網通訊實現(xiàn)：使用STEP 7軟件進行硬件組態(tài)和網絡組態(tài)以及使用HIMATICNET進行虛擬PC機組態(tài)。在SIMATIC NET軟件提供的OPC SCOUT中建立所需變量并添加到列表中查看其質量戳，如果為good，說明配置成功；如果為bad，說明配置失敗。在上位機監(jiān)控軟件中建立OPC通訊接口，并建立外部變量。在變量的連接設備中選擇建立的OPC接口，在變量的寄存器中選擇在OPC SCOUT處所建立的變量，這樣就通過OPC接口實現(xiàn)了PLC與上位機監(jiān)控軟件HMI之間的通訊。如果在不使用上位監(jiān)控軟件時還可以通過使用VC、VB編寫的應用程序讀寫OPC SCOUT里建立的變量來實現(xiàn)。

②通過VB編寫的應用程序與西門子PLC的TCP/IP通訊中，所需硬件：1套S7-300系統(tǒng)（包括電源模塊PS307、S7-300 PLC、以太網通訊模塊CP343—1），PC機、普通計算機以太網通訊網卡以及連接電纜。所需軟件：STEP 7、VB。

以太網通訊實現(xiàn)：使用STEP 7軟件進行硬件組態(tài)和網絡組態(tài)（建立TCP連接）以及使用SIMATICNET進行虛擬PC機組態(tài)。（建立TCP連接）編寫通訊程序，在PLC一方編寫通訊程序，S7—300 PLC調用函數(shù)FC5、FC6進行通訊，S7-400調用函數(shù)FC50、FC60來進行通訊，在HMI一方用VB編寫通訊程序，采用Winsock控件來實現(xiàn)。

工業(yè)以太網中的網絡結構和網絡通訊是自動化控制系統(tǒng)中的核心部分，因此對予每一個自動化控制系統(tǒng)來說網絡結構和網絡通訊的設計是否理想，直接決定該系統(tǒng)性能的好壞。由于工業(yè)以太網技術展示出來“一網到底”的工業(yè)控制信息化美景，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網絡的最佳解決方案，工業(yè)以太網已成為現(xiàn)場總線中的主流前沿技術。
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