基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的集散控制系統(tǒng)

本文以實例說明了作為工業(yè)自動化現(xiàn)代化水平標(biāo)志的基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和特點，
并特別對數(shù)據(jù)通信部分進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：集散控制； PLC； 以太網(wǎng)； 現(xiàn)場總線； 通信

Abstract: The structure of distributed control system which mark the up-date level of industrial automation are summarized. And
its function and characteristics are illustrated with an example based on Ethernet and field bus. The part of data communication is
introduced specially.
Key words: distributed control PLC Ethernet field bus communication

0 引言
進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著市場的進(jìn)一步開放，企業(yè)之間的競爭不斷加強(qiáng)，各企業(yè)紛紛投入資金加緊
進(jìn)行新一輪的技術(shù)改造，希望能以高新技術(shù)為核心，以綜合自動化為手段，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，確立和加強(qiáng)企業(yè)在市場競爭中的地位。隨著計算機(jī)、控制器、網(wǎng)絡(luò)、總線技術(shù)的發(fā)展，自動化領(lǐng)域正在迅速的覆蓋從車間的現(xiàn)場設(shè)備到控制、管理的各個層次。分散檢測控制、集中監(jiān)控管理的集散控制方式為實現(xiàn)大系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。

1 概述
計算機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲、邏輯判斷等信息加工能力，從它誕生開始就被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，
特別是微處理器的出現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了計算機(jī)的應(yīng)用范圍。在計算機(jī)上配以自動化組態(tài)軟件可以更直觀、更方便地對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，充分發(fā)揮計算機(jī)的復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、報表統(tǒng)計和圖形顯示能力。

可編程控制器（PLC）具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，便于擴(kuò)展，使用方便等優(yōu)點，正在越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。隨著生產(chǎn)水平不斷提高，人們更愿意使用多臺網(wǎng)絡(luò)化中小型PLC 而不是用一臺或數(shù)臺超大型PLC 來包攬全局。適當(dāng)分散的中小PLC 所控制的范圍不大，不僅降低了風(fēng)險，往往還可以簡化許多熱備冗余的配置，降低設(shè)備成本。

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是以太網(wǎng)技術(shù)，符合公共標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)使得上層
計算機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問車間級數(shù)據(jù)，為全廠范圍控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集和監(jiān)視創(chuàng)造條件。它的開放性協(xié)議使得各種計算機(jī)和不同廠商的PLC 可以互連，在必要時也可以進(jìn)行一些控制和協(xié)調(diào)。而且人們對以太網(wǎng)技術(shù)很熟悉，可以降低系統(tǒng)的開發(fā)、培訓(xùn)和維護(hù)的費(fèi)用。
現(xiàn)場總線是一種互聯(lián)現(xiàn)場自動化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議，現(xiàn)場總線使控制功能適當(dāng)
分散到現(xiàn)場設(shè)備，系統(tǒng)的自立能力增強(qiáng)，節(jié)約機(jī)柜空間，使現(xiàn)場的電纜連線大量減少?，F(xiàn)場總線具備可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快、系統(tǒng)安全符合環(huán)境保護(hù)要求的優(yōu)勢。

總之企業(yè)的系統(tǒng)生產(chǎn)過程是很復(fù)雜的，設(shè)備分布廣，各工序各設(shè)備并行地進(jìn)行工作，因此用數(shù)臺PLC
對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時控制，用一臺或數(shù)臺微型機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)，上位機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC 相連，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)巡回采集、集中處理，在實際應(yīng)用中還可以利用上位機(jī)對PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程編程或?qū)Τ绦蛑械膮?shù)進(jìn)行設(shè)置或修改。以太網(wǎng)可以達(dá)到很高的通信速率，利用以太網(wǎng)的優(yōu)點，結(jié)合PLC 控制器及現(xiàn)場總線，就可以構(gòu)成全分散、全開放的集散控制系統(tǒng)。下面以某廠打葉復(fù)烤線控制系統(tǒng)為例對集散控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。

2 系統(tǒng)組成
依據(jù)分散檢測控制、集中監(jiān)控管理的原則，系統(tǒng)由集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層兩部分組成。圖1 為該
打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖。

2.1 集中監(jiān)控層（上位機(jī)）
由三臺計算機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成。一臺對煙葉預(yù)處理、葉梗分離、風(fēng)送除塵三條線進(jìn)行集中監(jiān)控，另一臺
對煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包三條線進(jìn)行集中監(jiān)控。一臺用作編程工作站。
2.1.1 集中監(jiān)控層軟硬件配置
監(jiān)控計算機(jī)選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻，128M 內(nèi)存，40G 硬盤的IBM 商用電腦，PHILIPS 21 寸顯示器；打印機(jī)選用HP LJ5000 激光打印機(jī)；配置不間斷電源（UPS），型號選用APC 產(chǎn)品,容量為２KVA。監(jiān)控計算機(jī)操作系統(tǒng)配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；監(jiān)控組態(tài)軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監(jiān)控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網(wǎng)與控制執(zhí)行層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過簡潔、直觀的現(xiàn)場模擬圖反映主要單機(jī)設(shè)備電
機(jī)狀態(tài)，各檢測元件狀態(tài)，各執(zhí)行器件狀態(tài)，主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等；
b. 顯示主要工藝參數(shù)的變化趨勢，如水分、流量、溫度等，有助于工藝人員及時掌握工藝參數(shù)變化
情況，穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息，包括故障發(fā)生時間、發(fā)生位置、故障內(nèi)容等；
d. 工程師站實現(xiàn)遠(yuǎn)程對PLC 編程、PLC 運(yùn)行狀況監(jiān)測及程序修改等；
e. 向上通過以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù)，為廠
里的決策提供依據(jù)，接受廠里的指令并打印各種報表等。
2.2 設(shè)備控制層
劃分為煙葉預(yù)處理、葉梗分離、煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包、風(fēng)送除塵六條生產(chǎn)分線， 設(shè)置六
組對應(yīng)的PLC 控制電控柜及相應(yīng)器件，對六條生產(chǎn)分線分別執(zhí)行控制。

2.1 集中監(jiān)控層（上位機(jī)）
由三臺計算機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成。一臺對煙葉預(yù)處理、葉梗分離、風(fēng)送除塵三條線進(jìn)行集中監(jiān)控，另一臺
對煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包三條線進(jìn)行集中監(jiān)控。一臺用作編程工作站。
2.1.1 集中監(jiān)控層軟硬件配置
監(jiān)控計算機(jī)選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻，128M 內(nèi)存，40G 硬盤的IBM 商用電腦，PHILIPS 21 寸顯示器；打印機(jī)選用HP LJ5000 激光打印機(jī)；配置不間斷電源（UPS），型號選用APC 產(chǎn)品,容量為２KVA。監(jiān)控計算機(jī)操作系統(tǒng)配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；監(jiān)控組態(tài)軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監(jiān)控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網(wǎng)與控制執(zhí)行層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過簡潔、直觀的現(xiàn)場模擬圖反映主要單機(jī)設(shè)備電
機(jī)狀態(tài)，各檢測元件狀態(tài)，各執(zhí)行器件狀態(tài)，主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等；
b. 顯示主要工藝參數(shù)的變化趨勢，如水分、流量、溫度等，有助于工藝人員及時掌握工藝參數(shù)變化
情況，穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量；
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息，包括故障發(fā)生時間、發(fā)生位置、故障內(nèi)容等；
d. 工程師站實現(xiàn)遠(yuǎn)程對PLC 編程、PLC 運(yùn)行狀況監(jiān)測及程序修改等；
e. 向上通過以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù)，為廠
里的決策提供依據(jù)，接受廠里的指令并打印各種報表等。
2.2 設(shè)備控制層
劃分為煙葉預(yù)處理、葉梗分離、煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包、風(fēng)送除塵六條生產(chǎn)分線， 設(shè)置六
組對應(yīng)的PLC 控制電控柜及相應(yīng)器件，對六條生產(chǎn)分線分別執(zhí)行控制。

3 系統(tǒng)以太網(wǎng)通信的實現(xiàn)
3.1 監(jiān)控計算機(jī)和PLC 的配置
監(jiān)控計算機(jī)采用3COM 公司的EtherLink Ⅲ網(wǎng)卡，對該網(wǎng)卡，可用Windows 自帶的驅(qū)動程序進(jìn)行配置。在FIX 應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)配置中，有兩種協(xié)議：NetBOIS 和TCP/IP。選擇TCP/IP，則數(shù)據(jù)傳輸速度快，適用于較多站點的網(wǎng)絡(luò)。在FIX Driver Configuration 中，輸入節(jié)點名、以太網(wǎng)址。并將節(jié)點名映射到單獨的IP 地址，TCP/IP 采用多種方式處理名稱辨識，采用本地HOSTS 文件方式具有最高的可靠性。該文本文件存在各節(jié)點上。PLC 采用Schneider 公司的ETY110 網(wǎng)卡，必須對ETY110 正確配置節(jié)點名和以太網(wǎng)址，如果網(wǎng)上各PLC 及I/O Driver 都配置正確，則個設(shè)備之間可以建立通信。
3.2 FIX 組態(tài)軟件與PLC 的通信過程
PLC 中有一個專門用來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，組態(tài)軟件的I/O 驅(qū)動程序從中讀取數(shù)據(jù)，并將其傳入驅(qū)動
程序映射表的地址中，對應(yīng)與點名。掃描、報警、控制程序訪問點名，則獲得數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至過程數(shù)據(jù)庫。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫訪問功能從本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至請求的應(yīng)用程序中去。

4 系統(tǒng)中各站點的尋址
集散控制系統(tǒng)中實現(xiàn)分散檢測控制、集中監(jiān)控的關(guān)鍵之一是各通信實體的正確尋址。本系統(tǒng)中目的
通信實體的一般格式為：網(wǎng)絡(luò)號、站號、設(shè)備物理地址，設(shè)備物理地址一般是它的通信模塊的地理位置，即其模塊號、通道號和通道中的通信實體。
4.1 站內(nèi)尋址
如打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖所示，如PLC1 對UNI-TELWAY 總線上第4 號變頻器尋址，其目標(biāo)
地址為

4.2 站間尋址
如打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖所示，如PLC2 對PLC1 的UNI-TELWAY 總線上第4 號變頻器尋址，其目標(biāo)地址為：

在Schneider Premium 系列PLC 上總線模塊和CPU 模塊集成在一起，始終處于機(jī)架上0 模塊位置，如選用TER 通信通道，通道地址為0，如選用PCMCIA 卡通信通道，通道地址為1。

5 結(jié)束語
正如上例打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)所描述的，集散型控制系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功
能完善、數(shù)據(jù)處理方便。顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡單規(guī)范、調(diào)試方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點。它能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的各種需要，提高生產(chǎn)自動化水平和管理水平，通高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗和原材料消耗，提高勞動生產(chǎn)率，保證生產(chǎn)安全，可有力地促進(jìn)工業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造出最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
參考文獻(xiàn) :
[1] 陽憲惠，現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京 :清華大學(xué)出版社，1996，6.
[2] 徐皚冬，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)，信息與控制，2000，4.