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基于Ethernet的工业过程控制系统研究 |
| 摘 要: 随着现场总线的迅速发展，以太网也将成为网络控制系统的发展方向，以太网也以其数字式、可互操作、开放性的特点受到越来越多关注和重视。本文通过分析解决以太网用于工业控制网络的关键问题，设计并构建了一种基于Ethernet的工业过程控制系统。 关键字: 以太网;工业过程;控制系统;现场总线 1 引言 由于不同现场总线之间的技术特点与设计特征不同，基于不同现场总线的产品之间不能实现透明信息互访。从理论上讲，通过网络互连设备和网关可以将不同现场总线产品连接起来、实现它们之间信息的互相访问，但这样做无疑是增加了信息传送的复杂性，而且由于不同的现场总线网络在错误检查、配置等方面都有它们专有的技术规范，信息在不同总线之间传输时经常会丢失，而以太网技术可以很从容的克服这些问题。 2 控制网络系统方案 工业以太网是将以太网应用到工业控制和管理的局域网技术。根据以太网的特点和现有的工业控制网络的要求，有以下设计方案。专用的工业以太控制网络。采用一些和普通以太网不同的专有技术，用以太网的结构实现现场总线所具备的所有控制功能，实现办公自动化与工业自动化的无缝结合。如采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器;把现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，改造出了专用的网络。结构方框图与拓扑结构图如图1所示。  图1 工业以太网控制系统结构图 与其它控制网络结合的以太网控制系统。以太网正逐步向现场设备级深入发展，并尽可能和其它网络形式融合。目前，基于Ethernet +TCP/IP的传感器、变送器可以直接成为网络的节点，其控制参数和控制状态可以直接在企业信息网络内部传输和共享，从而避免了FCS因存在多种协议而难以集成的局面。但以太网和TCP/IP协议原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物理介质、数据、软件和使用环境等方面与成熟的自动化解决方案相比还是有着很多需要我们去研究并加以解决的课题，因此，其它控制形式与以太网保留各自的优点并互为补充，是目前以太网进入控制领域最常见的应用方案。其结构方框图如下。  图2 Ethernet/FCS网络结构 与其他控制网络结合使用的工业以太网为现代化工业企业提供了很大的选择余地，更好的利用现有的工业网络，减少企业的投资，降低成本。在理想的工业以太网大范围的应用之前，这种混合模式是将来一段时间的发展方向。 3 控制网络组建 3.1 控制网络系统的硬件结构 从上面分析得知，现有的现场总线目前是不可能完全为工业以太网所取代的，但后者发展的巨大潜力我们决不能忽视。针对我国工业发展的现状，将现场总线与工业以太网结合起来更有现实意义。因此，本文提出将以太网技术、数据库技术、OPC技术以及面向对象技术，编程实现了将多种现场总线以及PLC、FCS集成在同一以太网上，同时通过1nternet进行远程监控的网络控制系统。 控制系统由现场各种仪器仪表、嵌入式控制器、PLC、工控机、工作站、数据库服务器、网关设备、交换式以太网等组成，可分为过程监控层和工业现场设备层。其中过程监控层网络是系统的主干网络，用于连接工程师站、操作站、数据库服务器、制造执行系统设备等，而在工业现场设备层，带以太网接口的PLC直接挂接到交换式集线器上，嵌入式控制器可以通过自带的以太网接口接入到控制网络中，现场的监控工作站实现工业监控组态、设备组态监控和网络管理。远程的监控工作站则可以利用编程进行远程的实时数据调用、参数修改等功能，以达到远程监控的功能。智能仪表和先进控制技术可以在实时数据库平台上集成，并通过企业信息网与ERP系统连接，提供生产实时数据，最大限度的增加企业管理和生产调度的能力。 该控制网络系统的特点是，系统的通信建立在Ethernet +TCP/IP协议基础上，通过网关把各种现场总线集成。当上位机向现场设备发送查询或者控制指令时，它首先通过Ethernet和TCP/IP协议将相应的信息发送给网关，然后由网关根据现场总线协议发送给响应的现场设备或智能仪表。此外，在这里使用了OPC（OLE for Process Control）接口规范与应用程序实时交换数据。反过来，当现场的智能仪表有信息发送给上位机时，需要网关作为代理，将信息发送给相应的上位机。考虑到现场环境恶劣，操作人员和工程师无法或者无需到现场时，就可以通过Internet进行远程访问和控制。 3.2 控制网络系统的软件结构 本系统考虑到工业现场复杂的环境，现场和远程计算机全部采用工控机，操作系统采用windows2000/NT，它可提供安全、可靠、简单的TCP/IP网络配置，支持客户/服务器机制以及采用面向对象的编程方式，能胜任以太网控制系统。 本系统要完成的任务是将现场的实时信息数据集成到实时数据库中，基于这个实时数据库和操作系统平台，在现场工控机上运行组态软件和其它应用软件，软件设计时遵循OPC的接口规范，这样上层的软件就可以不依赖具体的设备。同时，通过Internet或者Ethernet，远程工作站监控整个系统的运行状况。  图3 控制系统软件功能模块图 整个系统以实时数据库为中心，主要由数据库系统、通讯系统和监控组态系统组成。其中数据库包括实时数据库和历史数据库，实时数据库作为系统的服务器，单独的存放在一台工控机中，可存储从各种仪表和设备系统接口中的获取时间序列的实时数据，并供远程客户端访问，实时数据库实现了过程数据和管理数据的集成和共享。监控组态软件的设计主要分为三个模块，即初始化模块、数据处理程序模块和多线程事件处理模块。其中，初始化功能模块实现的功能有读取组态好的系统配置文件并初始化系统配置硬件、读取组态数据库的组态变量记录信息创建实时数据库、读取流程图组态文件创建图形显示画面。系统完成初始化后，将调用数据通讯程序与下位机进行通信，启动多线程任务处理程序，实现图形显示、刷新、报警、历史数据存盘、实时报表打印等。 4 以太网关键技术在系统中的应用 为了促进以太网在工业控制领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（Industrial Ethernet Association），并与美国ARC Advisory Group/ARM Research研究中心和Gartner Group等机构合作开展工业以太网关键技术的研究。为了在无间断的工业应用领域稳定地工作，美国Synergetic Micro System公司和德国Hirschman公司专门开发和生产导轨式收发器系列、集线器系列和交换机系列，他们安装在标准DIN导线上，并有冗余电源供电;接插件采用牢固的DB-9结构。美国NET Silicon公司研制的工业以太网通信接口芯片，每片价格已降到10-15美元。目前将以太网用于工业控制领域的关键技术如下: 1、通信实时性。以太网的初衷是以办公自动化为目标而设计的，并没有考虑工业控制领域中的一些问题，它通过采用冲突检测载波监听多点访问机制（CSMA/CD—Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）来解决通信介质层的竞争，这种机制导致了非确定性的产生，因为在一系列的碰撞后，报文可能会丢失，节点与节点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时性难以保证。 但随着互联网技术的发展和大面积的推广应用，利用以下技术可使得通信确定性和实时性得到一定程度的增强。采用全双工端口交换方式; 采用高速以太网; 采用交换技术; 此外，为提高实时性还可以将以太网协议做一定改进和向网络中加入QoS功能。如现有以太网协议RETHER（Real-Time Ethernet）和RTCC（Real-Time Communication Control），它们都是在不改变现有硬件设备的条件下采用一种新颖的传输机制。 2、总线供电。所谓“总线供电”或“总线馈电”，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。采用总线供电可以减少网络线缆，降低安装复杂性和费用，提高网络和系统的易维护性。特别是在环境恶劣与危险场合，“总线供电”具有十分重要的意义。由于Ethernet以前主要应用于商业计算机通信，一般的设备或工作站本身已具备电源供电，没有总线供电的要求，因此传输媒质只用于传输信息。对现场设备的总线供电可采用以下方法。 In-Band方式（通过1、2、3、6来实现电力传输）。在目前以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。  图4 总线供电In-Band方式 这种方法虽然实现了与传统DCS以及FF、Profibus等现场总线所采用的“总线供电法”相一致，做到了“一线二用”，节省了现场布线，但由于这种方法与传统以太网在物理介质上传输的信号在形式上已不一致，因此这种修改后的以太网设备与传统以太网设备不再能够直接互连，而必须增加额外的转接设备才能实现与传统以太网设备（如计算机的以太网卡）的连接。此外，对于总线供电，还应具有过载保护功能以及冗余供电功能，确保在某一电路发生故障时，冗余电路可以自行进行切换，使用另一电源对终端设备进行供电。 本文作者创新点：本文将以太网这种目前应用最广泛的局域网技术应用于工业控制网络中，提出了一种基于Ethernet的工业过程控制系统，并且利用Ethernet TCP/IP使得开放性和低成本成为可能。 |