工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動(dòng)控制中的應(yīng)用

劉金龍

（河鋼邯鋼大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056003）

0 引言

進(jìn)入新時(shí)代，科技還在飛速發(fā)展，促使互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在各領(lǐng)域各行業(yè)中，在工業(yè)自動(dòng)化控制中應(yīng)用促進(jìn)工業(yè)的快速發(fā)展。工業(yè)自動(dòng)化控制的主要方式包括計(jì)算機(jī)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(yīng)用出現(xiàn)了一些不足，如網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)不夠穩(wěn)定，自動(dòng)控制系統(tǒng)難以升級(jí)，后續(xù)維修及養(yǎng)護(hù)消耗大量的人力及物力資源等，所以當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化控制既能滿足工廠需求，也能避免以上傳統(tǒng)自動(dòng)控制在應(yīng)用中存在的問題。因此進(jìn)一步研究工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用在軋鋼廠自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)十分必要。

1 工業(yè)以太網(wǎng)的相關(guān)闡述

工業(yè)以太網(wǎng)主要設(shè)計(jì)應(yīng)用在工業(yè)上的，符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3提供性能可靠、開放、多供應(yīng)商等區(qū)域及單元網(wǎng)絡(luò)。在控制網(wǎng)絡(luò)的頂層都已廣泛應(yīng)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(shí)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(dòng)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(jìn)行連接，同時(shí)一系列硬件設(shè)備無需配備，就能實(shí)時(shí)共享管理與控制的網(wǎng)絡(luò)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(gè)角落，可不應(yīng)用軟件，使用IE瀏覽器可對(duì)工業(yè)現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)可提供通信穩(wěn)定的性能。同時(shí)以太網(wǎng)比較靈活，原有的設(shè)備也可進(jìn)行發(fā)展，其中使用的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(yīng)用，此時(shí)1Gb/s以太網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)成熟，而傳統(tǒng)的總線速率只達(dá)12Mb/s因此，以太網(wǎng)速率相對(duì)于傳統(tǒng)的來說，可滿足工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)：（1）以太網(wǎng)和IEEE802．3與IEEE802.3u 兼容，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)及制造中滿足工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。（2）傳輸速率快，網(wǎng)絡(luò)最多能承載1023個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍最大可達(dá)150km。（3）較強(qiáng)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(yīng)用，使得被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。（4）供電采用DC24V，冗余連接得以實(shí)現(xiàn)。（5）導(dǎo)軌較為標(biāo)準(zhǔn)，更換和安裝更為便捷，可隨意組合不同的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（6）供電采用DC24V，冗余連接得以實(shí)現(xiàn)。（7）應(yīng)用局域網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)被分為幾個(gè)子網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷得有有效減輕。（8）故障自動(dòng)恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生交換機(jī)故障或斷線等重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間在0.3s以下，同時(shí)能夠?qū)?zhǔn)確的診斷和糾正網(wǎng)絡(luò)故障[1]。

2 軋鋼廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用工業(yè)的整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則

（1）實(shí)用：以太網(wǎng)建立的自動(dòng)加控制系統(tǒng)必須要符合軋鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)需求與管理要求，對(duì)于一些控制系統(tǒng)功能升級(jí)或線路擴(kuò)充等要充分考慮，在設(shè)計(jì)中遵循最重要的原則就是實(shí)用。

（2）低成本： 軋鋼廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制必須在工廠內(nèi)架設(shè)組網(wǎng)，這時(shí)組網(wǎng)架設(shè)投入的資金成本高，使得在組網(wǎng)設(shè)計(jì)中要求降低投入成本。低成本針對(duì)于軋鋼廠來說，除了軋鋼廠架設(shè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的低成本，主要還有自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用后續(xù)的擴(kuò)容、升級(jí)、維護(hù)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(shí)際的生產(chǎn)和運(yùn)營中涉及到的生產(chǎn)及電氣設(shè)備的種類繁多，不同類型設(shè)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(shè)備接入以太網(wǎng)，為了保證網(wǎng)絡(luò)的有效性，每臺(tái)不同的設(shè)備必須要接入專用接口模塊，使得以太網(wǎng)建立的自動(dòng)控制在設(shè)計(jì)中靈活組網(wǎng)是不可缺少的，促使生產(chǎn)設(shè)備能夠靈活與整個(gè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(duì)自動(dòng)化控制產(chǎn)生影響。同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)主要是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(dòng)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(yīng)生產(chǎn)環(huán)境。

2.2 明確系統(tǒng)功能

根據(jù)軋鋼廠自動(dòng)控制對(duì)于系統(tǒng)的要求，對(duì)于構(gòu)建的自動(dòng)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(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)軋鋼廠中的各種類型的生產(chǎn)、電氣設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要是工作運(yùn)行及環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)還有對(duì)生產(chǎn)生指標(biāo)的功能產(chǎn)生影響的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。通過傳感器收集將進(jìn)行對(duì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)需要一些不可缺少的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸送設(shè)施設(shè)備，才能讓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輸送，主要是底層數(shù)據(jù)輸送到達(dá)信息控制系統(tǒng)，信息控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)出控制命令傳輸?shù)降讓拥目刂铺幚砥髦小＃?）運(yùn)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(dòng)生成、存儲(chǔ)、瀏覽及遠(yuǎn)程控制等，要想實(shí)現(xiàn)該模塊功能，需要專門為其設(shè)計(jì)的機(jī)組軟件，使得底層檢測的數(shù)據(jù)顯示圖形化、存儲(chǔ)及瀏覽等功能才能實(shí)現(xiàn)。（4）人機(jī)交互模塊：該模塊功能主要是使得自動(dòng)化系統(tǒng)的操作技術(shù)人員和系統(tǒng)之間交互的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)讓系統(tǒng)使用中對(duì)于操作人員發(fā)出的遠(yuǎn)程控制命令等進(jìn)行很好地做出相關(guān)的反應(yīng)，該模塊功能的實(shí)現(xiàn)主要是設(shè)計(jì)交互觸摸屏、鍵盤等工具[4]。

3 軋鋼廠應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)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(yīng)用在軋鋼廠自動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)及帶寬兩方面。（1）工業(yè)以太網(wǎng)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是符合軋鋼廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的功能要求，明確自動(dòng)化控制中系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是環(huán)型，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)結(jié)構(gòu)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(yùn)行中其中一個(gè)環(huán)路網(wǎng)絡(luò)發(fā)生癱瘓或過于擁堵，在整個(gè)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)上的另外網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也不會(huì)受其影響，因此，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)型[5]。（2）網(wǎng)絡(luò)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(jí)中從1M帶寬逐漸升級(jí)為10M、100M甚至是1000M的帶寬，1M帶寬對(duì)于任何領(lǐng)域的應(yīng)用來說失去價(jià)值，而最新發(fā)展升級(jí)出現(xiàn)的1000M帶寬應(yīng)用架設(shè)的組網(wǎng)成本高，結(jié)合軋鋼廠生產(chǎn)的大型車間環(huán)境，及具體應(yīng)用自動(dòng)化控制功能中對(duì)網(wǎng)速的要求，當(dāng)前采用流行的100M網(wǎng)絡(luò)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(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

（1）信息管理層：該層的主要作用是實(shí)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(dòng)儲(chǔ)存、查詢及結(jié)合數(shù)據(jù)信息進(jìn)行的報(bào)警，遠(yuǎn)程控制命令的發(fā)出等，對(duì)軋鋼廠所有的生產(chǎn)及電氣設(shè)備的運(yùn)行及參數(shù)完成遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制。（2）中間層：該層主要是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(duì)底層軋鋼廠在運(yùn)行工作中的生產(chǎn)設(shè)備與工作的參數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)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(dá)的遠(yuǎn)程控制命令輸送到軋鋼廠運(yùn)行現(xiàn)場控制的設(shè)備或節(jié)點(diǎn)，完成指定設(shè)備的控制[6]。（3）設(shè)備控制層：設(shè)備控制層需要PLC、單片機(jī)控制器與傳感器輔助，動(dòng)態(tài)監(jiān)測生產(chǎn)及電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息輸送到PLC或單片機(jī)等控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最終傳送到頂端的信息管理層；這時(shí)也要責(zé)接對(duì)信息管理層發(fā)出的遠(yuǎn)程控制命令進(jìn)行接收，最終控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的控制。

4 工業(yè)以太網(wǎng)在自動(dòng)化控制中的應(yīng)用建議

4.1 加強(qiáng)實(shí)時(shí)及確定性

現(xiàn)階段，以太網(wǎng)在工業(yè)的自動(dòng)化中廣泛應(yīng)用，且重要性較為突出，但在變化發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下需要對(duì)局域網(wǎng)進(jìn)行完善，加強(qiáng)其實(shí)時(shí)及確定性。采用交換技術(shù)，建立以交換機(jī)為介質(zhì)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效安排數(shù)據(jù)包，確定傳輸?shù)捻樞颍粦?yīng)用系統(tǒng)面對(duì)面發(fā)送數(shù)據(jù)，避免發(fā)生碰撞，保證網(wǎng)絡(luò)更加安全穩(wěn)定。

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

為了讓工業(yè)實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)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(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)，使得以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)、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(shí)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(shù)加強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的組態(tài)、控制及數(shù)據(jù)收集功能，控制對(duì)輸送任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)，以此提升控制水平。

5 結(jié)論

總的來說，結(jié)合軋鋼廠對(duì)自動(dòng)化控制的應(yīng)用需求，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，基于此軋鋼廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，又對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提出實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，最后以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化控制中很好地應(yīng)用提出建議，以此提升自動(dòng)化控制的程度及管理水平，促進(jìn)現(xiàn)代化工業(yè)的蓬勃發(fā)展。