工业以太网在冶金自动化系统中的应用初探

1.工业以太网简介

　　所谓工业以太同，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场要求。

2.工业以太网的特点

　　2.1 实时性和确定性

　　随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的锲机，使这一应用成为可能。首先，以太网的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐景相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。其次。采用星型网络拓扑结构代替总线型结构，交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可以对网络上传输的数据进行过滤，使各个网段内节点问数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。

　　再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，同时网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞几率大大降低（半双工），因此，以太网通信确定性和实对性大大提高。

　　2.2 稳定性和可靠性

　　以太网进入工艺控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商业领域设计的，商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中，因而需要针对较恶劣的工业现场环境（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等）来设计工业以太网。

　　随着网络技术的发展。上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业领域应用，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、Jetter AG等公司专门开发和生产了机架导轨式集线器、交换机产品，安装在标准D IN导轨上，并由冗余电源供电，接插件采用牢固的DB29结构。现在已经出现了特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备（如PLC、HM I、DCS系统等）。

　　此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可以采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。

3.冶金自动化控制系统的体系结构

　　按照目前流行的自动化体系结构，典型的冶金自动化系统按功能层次可分为基础自动化系统、过程控制系统、生产管理控制系统、企业信息化系统4个层面。

　　3.1 基础自动化系统

　　以PLC、DCS、工业控制计算机为代表的计算机控制，是以对现场级设备的控制。在基础自动化系统中，目前南PLC控制仍占主要地位：在冶金流程中，基础自动化控制系统又是关键的部分．它没计的好坏直接影响到整个控制系统。

　　3.2 过程控制系统

　　冶金流程在线连续检测和监控系统。采用新型传感器技术、光机电一体化技术、软测量技术、数据融合和数据处理技术、冶金环境下可靠性技术，以关键工艺参数闭环控制、物流跟踪、能源平衡控制、环境排放实时控制和产品质量全面过程控制为目标。实现冶金流程在线检测和监控系统。

　　3.3 生产管理控制系统

　　冶金流程的全息集成。实现铁一钢一轧横向数据集成和相互传递，实现管理→计划→生产→控制纵向信息集成。同事整合生产实时数据和关系数据库为数据仓库，采用数据挖掘技术，提供生产管理控制的决策支持。

　　3.4 企业信息化系统

　　企业信息集成到行业信息集成。信息化的目的之一是实现信息共享，在有效竞争前提下趋利避害，在企业信息系统的编码体系标准化、企业异构数据/信息集成基础上，进一步实现协作制造企业信息集成，全行业信息网络建设及宏观捌控信息系统，直军全球行业信息网络建设及宏观调控信息系统。

4.自动化控制系统的网络结构和通讯

　　4.1 自动化控制系统的网络结构

　　从现场级到生产控制级，再到公司管理层网络结构可采用多种不同类型的网络来设计，目前用到最多的就是工业以太网现场级大多采用西门子的Profibus网络，不过西门子的Profinet网络（是把以太网和Profibus结合于一体）是新开发的一种现场级网络．在将来会逐步代替Profibus网络，而现场级以上的三层控制系统大都采用以太网。

　　以太网在自动化控制系统中扮演着很重要的角色。基础自动化系统中的现场级网络采用Profibus（使用最为广泛）或Profinet是目前最流行和实用的两种网络。但是Profinet网络比Profibus网络优越很多，因为Profinet就是基于以太网的，因此，Profinet是后来追上。

　　现场级以上的控制系统采用工业以太网，每一级的工业以太网都可以是采用不同的结构如：环形结构，树形结构等。所有以太网接口的设备都可以通过交换饥、集线器和路由器等连接到以太网网络之中。为了保证网络畅通和系统的稳定性和可靠性，建议所有的控制系统采用环形网络或者做冗余系统。

　　4.2 自动化系统的以太网网络通讯

　　4.2.1 PLC与PLC之间的以太网通讯

　　这里以西门子S7-3001400系列的PLC为例。PLC之间可采用S7通讯、S5—兼容通讯（包括ISO协议、TCP议、ISO—on-TCP协议等），下面介绍几种常用的通讯方法。

　　所需硬件：2套S7-300系统（包括电源模块PS307、S7-300 PLC、以太网通讯模块CP343—1）、PC机、以太网通讯网卡CP1613以及连接电缆。所需软件：STEP 7。

　　①S7通讯

　　使用STEP 7软件进行硬件组态和网络组态（建立S7连接）以及编写通讯程序。如果选择双边通讯要在PLC双方都编写通讯程序。S7-300 PLC调用函数FB、FB13进行通讯。S7-400调用函数SFB、SFB13来进行通讯；如果选择单边通讯只在主动方编写通讯程序，S7-300 PLC调用FB14、FB15进行通讯。S7-400调用函数SFB14、SFB15来进行通讯。

　　②TCP通讯

　　使用STEP 7软件进行硬件组态和网络组态（建立TCP连接）以及编写通讯程序。PLC双方都编写通讯程序。S7-300 PLC调用函数FC5、FC6进行通讯，S7-400调用函数FCSO、FC60来进行通讯。

　　③ISO通讯

　　使用STEP 7软件进行硬件组态和网络组态（建立ISO连接）以及编写通讯程序。PLC双方都编写通讯程序，S7-300 PLC调用函数FC5、FC6进行通讯，S7-40o调用函数FC50、FC60来进行通讯。

　　以上三种通讯方式的操作方法基本一致，只有在建立连接时选择各自的协议即可。

　　4.2.2 PLC与HMI之间的以太网通讯

　　由于上位机监控软件种类繁多，PLC与HMI之间的通讯也就种类繁多。不同的上位机监控产品可能与PLC的通讯协议不相同。但大多监控软件都有一个共同的标准接口：OPC接口，因此PLC与HMI之间的以太网通讯大多都可采用OPC进行通讯。除此之外，用户还可以使用VC、VB等编程软件开发一些简单的监控界面与西门子PLC直接进行TCP通讯。

　　①OPC通讯

　　所需硬件：1套S7-3o0系统（包括电源模块Ps307、S7-300 PLC、以太网通讯模块CP343—1），PC机，以太网通讯网卡CP1613以及连接电缆。所需软件：STEP 7、SIMATIC NET6.3f提供虚拟Pc机和对Pc站的参数设置）、组态王以太网通讯实现：使用STEP 7软件进行硬件组态和网络组态以及使用HIMATICNET进行虚拟PC机组态。在SIMATIC NET软件提供的OPC SCOUT中建立所需变量并添加到列表中查看其质量戳，如果为good，说明配置成功；如果为bad，说明配置失败。在上位机监控软件中建立OPC通讯接口，并建立外部变量。在变量的连接设备中选择建立的OPC接口，在变量的寄存器中选择在OPC SCOUT处所建立的变量，这样就通过OPC接口实现了PLC与上位机监控软件HMI之间的通讯。如果在不使用上位监控软件时还可以通过使用VC、VB编写的应用程序读写OPC SCOUT里建立的变量来实现。

　　②通过VB编写的应用程序与西门子PLC的TCP/IP通讯中，所需硬件：1套S7-300系统（包括电源模块PS307、S7-300 PLC、以太网通讯模块CP343—1），PC机、普通计算机以太网通讯网卡以及连接电缆。所需软件：STEP 7、VB。

　　以太网通讯实现：使用STEP 7软件进行硬件组态和网络组态（建立TCP连接）以及使用SIMATICNET进行虚拟PC机组态。（建立TCP连接）编写通讯程序，在PLC一方编写通讯程序，S7—300 PLC调用函数FC5、FC6进行通讯，S7-400调用函数FC50、FC60来进行通讯，在HMI一方用VB编写通讯程序，采用Winsock控件来实现。

　　工业以太网中的网络结构和网络通讯是自动化控制系统中的核心部分，因此对予每一个自动化控制系统来说网络结构和网络通讯的设计是否理想，直接决定该系统性能的好坏。由于工业以太网技术展示出来“一网到底”的工业控制信息化美景，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以太网已成为现场总线中的主流前沿技术。