冶金自動(dòng)化控制系統(tǒng)中工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用探究

宋甜

[摘? ? 要]隨著我國(guó)改革開放的不斷發(fā)展，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，同時(shí)，由于持續(xù)的科技創(chuàng)新和發(fā)展，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓夹g(shù)競(jìng)爭(zhēng)。換一種說法，如今的信息技術(shù)能夠覆蓋到每一個(gè)行業(yè)當(dāng)中，尤其是在冶金自動(dòng)化的控制系統(tǒng)中，為了獲得信息競(jìng)爭(zhēng)的勝利，有必要建立好工業(yè)以太網(wǎng)。在本篇，文章主要針對(duì)我國(guó)現(xiàn)在的冶金自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)，對(duì)于冶金自動(dòng)化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)通訊、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分別探討，希望能夠?yàn)槲覈?guó)的冶金自動(dòng)化做出一點(diǎn)自己的貢獻(xiàn)，推進(jìn)企業(yè)信息化的逐步發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]冶金自動(dòng)化;工業(yè)以太網(wǎng);控制系統(tǒng);應(yīng)用探究

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–0–02

Application of Industrial Ethernet in Metallurgical Automation Control System

Song Tian

[Abstract]With the continuous development of China's reform and opening up， China's economic strength develops rapidly. At the same time， due to the continuous scientific and technological innovation and development， the competition between enterprises gradually turns into information technology competition. In other words， today's information technology can cover every industry， especially in the control system of metallurgical automation. In order to win the information competition， it is necessary to establish industrial Ethernet. In this article， the author is mainly for the development status of metallurgical automation in China， discusses the industrial Ethernet， and discusses the architecture of metallurgical automation control system， network communication and grid structure， hoping to make some contribution to the metallurgical automation in China and promote the continuous progress of enterprise informatization.

[Keywords]metallurgical automation; industrial ethernet; control system; application research

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，網(wǎng)格是其“中樞神經(jīng)”，將現(xiàn)場(chǎng)能夠支持網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行有效連接，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的互相傳送，以此達(dá)到對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的有效控制。在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用的當(dāng)屬以太網(wǎng)。這其中首要原因在于它得到了厚實(shí)的技術(shù)支撐，已經(jīng)是目前發(fā)展階段的網(wǎng)絡(luò)通訊行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，也是因?yàn)槲覀儗?duì)于以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用較為嫻熟，所以可一定程度降低對(duì)于它的系統(tǒng)開發(fā)，節(jié)約一定的培訓(xùn)成本和不必要的花費(fèi);除此之外，還是因?yàn)橐蕴W(wǎng)本身的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足較高的通訊速率，因此可以結(jié)合以太網(wǎng)所具有的優(yōu)勢(shì)，與PLC控制器進(jìn)行有效合作，推進(jìn)建設(shè)全分散、全開放的控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，在不同種類型的網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)以太網(wǎng)愈來愈重要，更是將其他類型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一一取代，成為現(xiàn)階段自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)，它的質(zhì)量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著直接關(guān)系，同時(shí)還能夠影響到我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的速度，影響到企業(yè)的最終效益。

1 工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)探究

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)單介紹

現(xiàn)在所說的工業(yè)以太網(wǎng)，主要說的是在技術(shù)上能夠和商用的以太網(wǎng)進(jìn)行兼容并用，同時(shí)在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要把控好材質(zhì)的選取，明確產(chǎn)品的強(qiáng)度，保證其適用性以及實(shí)時(shí)性、可靠性和本質(zhì)安全性等，確保能夠和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所說的要求盡可能達(dá)到一致，滿足生產(chǎn)管理的相關(guān)需求。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中存在的技術(shù)難題逐步推進(jìn)解決

以太網(wǎng)是專門為了信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此很大程度上忽視了工業(yè)環(huán)境的要求，尤其是通過利用CSMMCD來達(dá)到對(duì)共享媒體訪問控制的傳送時(shí)間，存有一定程度的不確定性，而且也不存在著優(yōu)先級(jí)，因此不能夠滿足工業(yè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的需求。不過在這么多年的發(fā)展中，工業(yè)以太網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求也得到了很大的發(fā)展，同時(shí)在工業(yè)環(huán)境中存在的難題也漸漸得到有效的解決。具體體現(xiàn)在于以太網(wǎng)的通訊速率不斷提高，它也為我國(guó)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)入控制領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 冶金自動(dòng)化控制系統(tǒng)的相關(guān)體系結(jié)構(gòu)

2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化相關(guān)系統(tǒng)

當(dāng)前階段，應(yīng)用比較廣泛的自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)的自動(dòng)化系統(tǒng)，它是冶金行業(yè)中的一個(gè)較為典型的冶金自動(dòng)化系統(tǒng)。在冶金的流程中，基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)也是重要且關(guān)鍵的組成，能夠直接影響到整個(gè)的控制系統(tǒng)。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)主要是將PLC、DCS以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為代表的控制模式，以此達(dá)到對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效把控。對(duì)于該基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)來說，還是以PLC作為主要的控制方法。

2.2 過程控制相關(guān)系統(tǒng)

冶金的相關(guān)流程可以在線進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，同時(shí)可以通過利用新型的傳感器的技術(shù)以及光電一體化、數(shù)據(jù)融合、處理等相關(guān)技術(shù)完善過程控制系統(tǒng)，除此之外，還可以利用關(guān)鍵的工藝完成物流的跟蹤，做好能源的平衡控制，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的排放等目標(biāo)，有效實(shí)現(xiàn)冶金流程的在線監(jiān)測(cè)和控制。

2.3 生產(chǎn)管理控制相關(guān)系統(tǒng)

生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)是冶金相干流程的全息集成。生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)能夠幫助推進(jìn)鐵——鋼——軋橫向相關(guān)數(shù)據(jù)完成整理和相互傳送，同時(shí)還能夠促進(jìn)管理——計(jì)劃——生產(chǎn)——控制縱向信息的完成整集。除此之外，還能夠有效整合好生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，整理記錄好生產(chǎn)的關(guān)系數(shù)據(jù)，做好生產(chǎn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。利用數(shù)據(jù)的挖掘技術(shù)，為生產(chǎn)管理的控制系統(tǒng)提出自己的決策措施。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)通訊

3.1 自動(dòng)化系統(tǒng)中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

在我國(guó)冶金自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，存在多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)用于從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到生產(chǎn)控制級(jí)，然后再到企業(yè)的管理層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)的研究分析，能夠知道在我國(guó)發(fā)展的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，用到最多的便是工業(yè)以太網(wǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)中，得到廣泛應(yīng)用的是西門子的Profibus網(wǎng)絡(luò)，不過現(xiàn)在有態(tài)勢(shì)表明在未來會(huì)有Profinet網(wǎng)絡(luò)將其取代，Profinet網(wǎng)絡(luò)是將以太網(wǎng)與Profibus進(jìn)行相互融合的一種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，而該新網(wǎng)絡(luò)也是西門子的?；A(chǔ)自動(dòng)化的系統(tǒng)中的很多現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)多是選擇西門子的Profibus又或是Profinet，它們是我們現(xiàn)在階段廣泛流行和實(shí)用性較高的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。不過我們需要知道的是Profinet網(wǎng)絡(luò)本就比Profibus網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量?jī)?yōu)秀很多，Profinet屬于后起之秀，更是基于以太網(wǎng)所成功建設(shè)的。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以上的相關(guān)控制系統(tǒng)選擇的是工業(yè)以太網(wǎng)，它們的每一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)大多是利用的不同結(jié)構(gòu)，譬如環(huán)形的結(jié)構(gòu)又或是樹形的結(jié)構(gòu)等。以太網(wǎng)接口的每一個(gè)設(shè)備都是能夠通過交換機(jī)以及集線器、路由器等等進(jìn)行以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的連接。除此之外，想要盡可能確保整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可以順暢運(yùn)行，保證好系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性，可以選擇環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的控制。

3.2 自動(dòng)化系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊

3.2.1 PLC與PLC之間的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊

該網(wǎng)絡(luò)通訊可以通過舉例西門子的S7-300/400相關(guān)系列的PLC。它們可以利用S7通訊又或者S5——兼容通訊，在S5——兼容通訊主要是包括有ISO協(xié)議、CP協(xié)議和ISO-on-TCP，接下來主要是簡(jiǎn)要介紹下我們一般情況下能夠用到的通訊方法，需要用到的硬件：2套S7-300系統(tǒng)還有PC機(jī)以及以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡CP1613、連接電纜;需要用到的軟件有STEP 7。通訊方法介紹：

（1）S7通訊。該通訊方法利用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的相關(guān)構(gòu)建，同時(shí)做好通訊程序的高效編寫。若是選用雙邊通訊，那么就需要PLC雙方都要做好程序的編寫，S7-300 PLC一般情況下調(diào)取選擇的是函數(shù)FB12以及函數(shù)FB13進(jìn)行通訊，而S7-400調(diào)用是函數(shù)SFB12以及SFB13展開通訊，若是選擇的只是單邊的通訊，那么需要在主動(dòng)方進(jìn)行程序的編寫，S7-300 PLC選擇調(diào)用的是FB14以及FB15展開通訊，與此同時(shí)S7-400調(diào)用的是函數(shù)SFB14以及SFB15。

（2）TCP通訊。該通訊方法利用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，同時(shí)進(jìn)行通訊程序的編寫。PLC的雙方都需要進(jìn)行通訊程序的編寫，而S7-300 PLC調(diào)用的是函數(shù)FC5以及FC6展開通訊，與此同時(shí)S7-400調(diào)取選用的是函數(shù)FC50以及FC60展開通訊。

（3）ISO通訊。該通訊方法同樣是選擇STEP 7軟件達(dá)到硬件的組態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，同時(shí)進(jìn)行通訊程序的編寫。PLC的雙方都需要做好通訊程序的編寫，在S7-300 PLC中，調(diào)取選用的是函數(shù)FC5以及FC6達(dá)到通訊的編寫，與此同時(shí)S7-400調(diào)用的是函數(shù)FC50以及FC60來達(dá)到通訊的要求。

3.2.2 PLC與HMI之間的以太網(wǎng)通訊

PLC與HMI兩者之間存在的通訊種類也有很多。而對(duì)于不同的上位機(jī)的監(jiān)控產(chǎn)品可能和PLC的通訊協(xié)議有著很大的差異。不過對(duì)于很多的監(jiān)控軟件來說，它們基本都是擁有著同一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)接口——OPC接口，也是因?yàn)檫@個(gè)原因，使得PLC以及HMI兩者之間進(jìn)行通訊的以太網(wǎng)能夠依靠OPC展開通訊。與此同時(shí)，相關(guān)的用戶還能夠依靠利用VC以及VB等相關(guān)的編程軟件去做一些監(jiān)控界面的簡(jiǎn)單研發(fā)，同時(shí)和西門子的PLC完成TCP的直接通訊。

（1）OPC通訊。先要了解所需要使用的硬件有：1套S7-300系統(tǒng)以及PC機(jī)和以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡CP1613、連接電纜。

所需要用到的軟件有STEP 7、SIMATICNET6.3。

組態(tài)構(gòu)建：通過以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)，利用STEP 7軟件展開硬件組態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在上位機(jī)的監(jiān)控軟件中有效建立OPC相關(guān)接口通訊，與此同時(shí)還需要構(gòu)建好外部變量。再利用變量?jī)?nèi)進(jìn)行設(shè)備連接時(shí)需要確定好OPC接口的連接，在相關(guān)的變量寄存器內(nèi)選擇好OPC SCOUT位置以及選擇好相關(guān)的變量，以此通過OPC接口達(dá)到PLC能夠和上位機(jī)的相關(guān)監(jiān)控軟件HMI的有效聯(lián)系。

（2）利用VB進(jìn)行相關(guān)程序的編寫，進(jìn)行西門PLC的TCP/IP通訊聯(lián)系，需要用到的硬件有：1套S7-300系統(tǒng)、PC機(jī)和普通計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡、連接電纜。

需要用到的軟件：STEP 7和VB。

實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通訊要求：通過STEP 7軟件達(dá)到硬件組態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，同時(shí)使用SIMATIC NET展開虛擬PC機(jī)的組態(tài)。

在PLC一方進(jìn)行相關(guān)程序通訊的編寫時(shí)，需要利用S7-300 PLC的調(diào)用函數(shù)FC5以及FC6展開通訊，而S7-400可以調(diào)用的函數(shù)為FC50依據(jù)FC60來展開相關(guān)通訊聯(lián)系。在使用HMI一方利用VB進(jìn)行相關(guān)通訊程序編寫時(shí)，需要依據(jù)Winsock相關(guān)控件達(dá)到實(shí)現(xiàn)的目的。

4 結(jié)束語

總而言之，可以知道工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)我國(guó)冶金自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有重要地位。在今天看來，我國(guó)的冶金自動(dòng)化是以以太網(wǎng)作為風(fēng)向標(biāo)，作為舵手，推進(jìn)冶金行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)還需要促進(jìn)以太網(wǎng)讓其實(shí)用性和相關(guān)操作線、安全性能夠達(dá)到相應(yīng)的要求，盡可能滿足不同制造商和客戶的需求。與此同時(shí)，以太網(wǎng)本身還具有“一低三高”的優(yōu)勢(shì)，一低在于成本投入低，三高分別是實(shí)效、智能以及擴(kuò)展性高，也正是因?yàn)橐蕴W(wǎng)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)吸引了大批廠商，同時(shí)也能夠看出在未來，我國(guó)的冶金自動(dòng)化系統(tǒng)一定會(huì)因?yàn)橐蕴W(wǎng)在其中的應(yīng)用發(fā)展地更好，并成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大動(dòng)力源頭。

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