1.工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介
所謂工業(yè)以太同，一般來講是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。
2.工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)
2.1 實(shí)時(shí)性和確定性
隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的鍥機(jī)，使這一應(yīng)用成為可能。首先，以太網(wǎng)的通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，在數(shù)據(jù)吞吐景相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降。其次。采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)代替總線型結(jié)構(gòu)，交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機(jī)由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，使各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾，使各個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)問數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
再次，全雙工通信又使得端口間兩對(duì)雙絞線(或兩根光纖)上分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，也不會(huì)發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在(全雙工通信)，或碰撞幾率大大降低(半雙工)，因此，以太網(wǎng)通信確定性和實(shí)對(duì)性大大提高。
2.2 穩(wěn)定性和可靠性
以太網(wǎng)進(jìn)入工藝控制領(lǐng)域的另一個(gè)主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等均是為商業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應(yīng)用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，因而需要針對(duì)較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等)來設(shè)計(jì)工業(yè)以太網(wǎng)。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。上述問題正在迅速得到解決。為了解決在不間斷的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，美國(guó)Synergetic微系統(tǒng)公司和德國(guó)Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了機(jī)架導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)D IN導(dǎo)軌上，并由冗余電源供電，接插件采用牢固的DB29結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了特別設(shè)計(jì)用于連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備(如PLC、HM I、DCS系統(tǒng)等)。
此外，在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對(duì)于重要的網(wǎng)段還可以采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和可靠性。
3.冶金自動(dòng)化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
按照目前流行的自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)，典型的冶金自動(dòng)化系統(tǒng)按功能層次可分為基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)、企業(yè)信息化系統(tǒng)4個(gè)層面。
3.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)
以PLC、DCS、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為代表的計(jì)算機(jī)控制，是以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的控制。在基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中，目前南PLC控制仍占主要地位：在冶金流程中，基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)又是關(guān)鍵的部分．它沒計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)。
3.2 過程控制系統(tǒng)
冶金流程在線連續(xù)檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)。采用新型傳感器技術(shù)、光機(jī)電一體化技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、冶金環(huán)境下可靠性技術(shù)，以關(guān)鍵工藝參數(shù)閉環(huán)控制、物流跟蹤、能源平衡控制、環(huán)境排放實(shí)時(shí)控制和產(chǎn)品質(zhì)量全面過程控制為目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)冶金流程在線檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)。
3.3 生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)
冶金流程的全息集成。實(shí)現(xiàn)鐵一鋼一軋橫向數(shù)據(jù)集成和相互傳遞，實(shí)現(xiàn)管理→計(jì)劃→生產(chǎn)→控制縱向信息集成。同事整合生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提供生產(chǎn)管理控制的決策支持。
3.4 企業(yè)信息化系統(tǒng)
企業(yè)信息集成到行業(yè)信息集成。信息化的目的之一是實(shí)現(xiàn)信息共享，在有效競(jìng)爭(zhēng)前提下趨利避害，在企業(yè)信息系統(tǒng)的編碼體系標(biāo)準(zhǔn)化、企業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)/信息集成基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)協(xié)作制造企業(yè)信息集成，全行業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及宏觀捌控信息系統(tǒng)，直軍全球行業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及宏觀調(diào)控信息系統(tǒng)。
4.自動(dòng)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和一絡(luò)通訊
4.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到生產(chǎn)控制級(jí)，再到公司管理層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計(jì)，目前用到最多的就是工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)大多采用西門子的Profibus網(wǎng)絡(luò)，不過西門子的Profinet網(wǎng)絡(luò)(是把以太網(wǎng)和Profibus結(jié)合于一體)是新開發(fā)的一種現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)．在將來會(huì)逐步代替Profibus網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以上的三層控制系統(tǒng)大都采用以太網(wǎng)。
以太網(wǎng)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中扮演著很重要的角色。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用Profibus(使用最為廣泛)或Profinet是目前最流行和實(shí)用的兩種網(wǎng)絡(luò)。但是Profinet網(wǎng)絡(luò)比Profibus網(wǎng)絡(luò)優(yōu)越很多，因?yàn)镻rofinet就是基于以太網(wǎng)的，因此，Profinet是后來追上。
現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以上的控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，每一級(jí)的工業(yè)以太網(wǎng)都可以是采用不同的結(jié)構(gòu)如：環(huán)形結(jié)構(gòu)，樹形結(jié)構(gòu)等。所有以太網(wǎng)接口的設(shè)備都可以通過交換饑、集線器和路由器等連接到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之中。為了保證網(wǎng)絡(luò)暢通和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，建議所有的控制系統(tǒng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)或者做冗余系統(tǒng)。
4.2 自動(dòng)化系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊
4.2.1 PLC與PLC之間的以太網(wǎng)通訊
這里以西門子S7-3001400系列的PLC為例。PLC之間可采用S7通訊、S5—兼容通訊(包括ISO協(xié)議、TCP議、ISO—on-TCP協(xié)議等)，下面介紹幾種常用的通訊方法。
所需硬件：2套S7-300系統(tǒng)(包括電源模塊PS307、S7-300 PLC、以太網(wǎng)通訊模塊CP343—1)、PC機(jī)、以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡CP1613以及連接電纜。所需軟件：STEP 7。
①S7通訊
使用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)(建立S7連接)以及編寫通訊程序。如果選擇雙邊通訊要在PLC雙方都編寫通訊程序。S7-300 PLC調(diào)用函數(shù)FB12、FB13進(jìn)行通訊。S7-400調(diào)用函數(shù)SFB12、SFB13來進(jìn)行通訊；如果選擇單邊通訊只在主動(dòng)方編寫通訊程序，S7-300 PLC調(diào)用FB14、FB15進(jìn)行通訊。S7-400調(diào)用函數(shù)SFB14、SFB15來進(jìn)行通訊。
②TCP通訊
使用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)(建立TCP連接)以及編寫通訊程序。PLC雙方都編寫通訊程序。S7-300 PLC調(diào)用函數(shù)FC5、FC6進(jìn)行通訊，S7-400調(diào)用函數(shù)FCSO、FC60來進(jìn)行通訊。
③ISO通訊
使用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)(建立ISO連接)以及編寫通訊程序。PLC雙方都編寫通訊程序，S7-300 PLC調(diào)用函數(shù)FC5、FC6進(jìn)行通訊，S7-40o調(diào)用函數(shù)FC50、FC60來進(jìn)行通訊。
以上三種通訊方式的操作方法基本一致，只有在建立連接時(shí)選擇各自的協(xié)議即可。
4.2.2 PLC與HMI之間的以太網(wǎng)通訊
由于上位機(jī)監(jiān)控軟件種類繁多，PLC與HMI之間的通訊也就種類繁多。不同的上位機(jī)監(jiān)控產(chǎn)品可能與PLC的通訊協(xié)議不相同。但大多監(jiān)控軟件都有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)接口：OPC接口，因此PLC與HMI之間的以太網(wǎng)通訊大多都可采用OPC進(jìn)行通訊。除此之外，用戶還可以使用VC、VB等編程軟件開發(fā)一些簡(jiǎn)單的監(jiān)控界面與西門子PLC直接進(jìn)行TCP通訊。
①OPC通訊
所需硬件：1套S7-3o0系統(tǒng)(包括電源模塊Ps307、S7-300 PLC、以太網(wǎng)通訊模塊CP343—1)，PC機(jī)，以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡CP1613以及連接電纜。所需軟件：STEP 7、SIMATIC NET6.3f提供虛擬Pc機(jī)和對(duì)Pc站的參數(shù)設(shè)置)、組態(tài)王以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)：使用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及使用HIMATICNET進(jìn)行虛擬PC機(jī)組態(tài)。在SIMATIC NET軟件提供的OPC SCOUT中建立所需變量并添加到列表中查看其質(zhì)量戳，如果為good，說明配置成功；如果為bad，說明配置失敗。在上位機(jī)監(jiān)控軟件中建立OPC通訊接口，并建立外部變量。在變量的連接設(shè)備中選擇建立的OPC接口，在變量的寄存器中選擇在OPC SCOUT處所建立的變量，這樣就通過OPC接口實(shí)現(xiàn)了PLC與上位機(jī)監(jiān)控軟件HMI之間的通訊。如果在不使用上位監(jiān)控軟件時(shí)還可以通過使用VC、VB編寫的應(yīng)用程序讀寫OPC SCOUT里建立的變量來實(shí)現(xiàn)。
②通過VB編寫的應(yīng)用程序與西門子PLC的TCP/IP通訊中，所需硬件：1套S7-300系統(tǒng)(包括電源模塊PS307、S7-300 PLC、以太網(wǎng)通訊模塊CP343—1)，PC機(jī)、普通計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡以及連接電纜。所需軟件：STEP 7、VB。
以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)：使用STEP 7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)(建立TCP連接)以及使用SIMATICNET進(jìn)行虛擬PC機(jī)組態(tài)。(建立TCP連接)編寫通訊程序，在PLC一方編寫通訊程序，S7—300 PLC調(diào)用函數(shù)FC5、FC6進(jìn)行通訊，S7-400調(diào)用函數(shù)FC50、FC60來進(jìn)行通訊，在HMI一方用VB編寫通訊程序，采用Winsock控件來實(shí)現(xiàn)。
工業(yè)以太網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的核心部分，因此對(duì)予每一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)來說網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊的設(shè)計(jì)是否理想，直接決定該系統(tǒng)性能的好壞。由于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)展示出來“一網(wǎng)到底”的工業(yè)控制信息化美景，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，所以被人們普遍認(rèn)為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場(chǎng)總線中的主流前沿技術(shù)。
