沙 印

(江陰職業(yè)技術(shù)學院 江蘇江陰 214400)

1 引言

在眾多工業(yè)生產(chǎn)自動化控制領(lǐng)域中，流水線生產(chǎn)一直是綜合自動化控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和場合，各類型的流水線生產(chǎn)幾乎都需要實現(xiàn)綜合自動化控制。由于流水線生產(chǎn)往往覆蓋了多種不同類型的機電一體化設(shè)備，并且各種機電裝備的通信接口、控制模式、自動化功能應(yīng)用需求都不盡相同，因此，流水線生產(chǎn)綜合自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)一直是自動化控制領(lǐng)域中的主要技術(shù)難題之一。在過去近20年的時間里，現(xiàn)場總線毫無疑問是綜合自動化控制領(lǐng)域中的絕對霸主，現(xiàn)場總線技術(shù)以其專門定制的現(xiàn)場綜合控制及通信協(xié)議而受到廣泛的歡迎，但是這也帶來了另外的一個問題，就是現(xiàn)場總線本身具有一套完整的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)，使得不同的現(xiàn)場總線系統(tǒng)各自都成為了一個事實上的“信息孤島”。為此，迫切需要發(fā)展新型的綜合自動化技術(shù)代替現(xiàn)場總線技術(shù)。

隨著現(xiàn)代化通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)逐漸顯露出越來越強大的優(yōu)勢，比如組網(wǎng)成本低，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活，后期功能擴展放，以及眾多其他現(xiàn)場總線所無法比擬的優(yōu)勢，使得工業(yè)以太網(wǎng)逐漸成為當前自動化控制發(fā)展的首選。由于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議本身就是基于TCP/IP協(xié)議發(fā)展起來的，因此理論上講，凡是Internet網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)的功能，工業(yè)以太網(wǎng)都能夠?qū)崿F(xiàn)。并且工業(yè)以太網(wǎng)在Internet網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，還集成了現(xiàn)代化的自動化控制交互功能，因而能夠很好的實現(xiàn)二者的結(jié)合與集成。鑒于此，本論文以啤酒瓶自動包裝流水生產(chǎn)線為研究對象，對其實施自動化控制，選擇工業(yè)以太網(wǎng)作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)的載體，并對其自動化控制的相關(guān)內(nèi)容加以研究，并以此和廣大同行分享。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線綜合自動化控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制功能設(shè)計

2.1.1 流水線工況參數(shù)監(jiān)測功能 要實現(xiàn)對流水線的綜合自動化控制，首先要讓用戶能夠直觀的觀察到當前整個流水線的運行狀態(tài)，因此必須要對流水線工況參數(shù)進行監(jiān)測。通過選擇合適的傳感器有針對性的監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)對流水線工況參數(shù)及運行狀態(tài)的全面監(jiān)測。

2.1.2 流水線綜合自動控制功能 在自動化包裝控制過程中，需要對很多電磁開關(guān)、繼電器、電磁閥等電氣元件進行開關(guān)量控制，因此需要設(shè)計具有一定人機交互功能的綜合自動化控制軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶對流水線的遠程自動化控制。

2.1.3 數(shù)據(jù)管理功能 流水線綜合自動化控制系統(tǒng)需要管理十分龐大的數(shù)據(jù)，這其中包括由傳感器監(jiān)測采集到的流水線工況參數(shù)，啤酒瓶自動包裝的產(chǎn)量參數(shù)，以及對這些數(shù)據(jù)按照日、月、年等時間軸度進行數(shù)據(jù)匯總的數(shù)據(jù)。

2.1.4 系統(tǒng)管理功能 系統(tǒng)管理功能是實現(xiàn)對系統(tǒng)本身配置和管理的必要管理控制功能，主要包括用戶身份管理、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)安全管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理以及系統(tǒng)幫助管理等功能。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 控制模式的選擇 基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線綜合自動化控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，目前主流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有C/S和B/S兩種結(jié)構(gòu)模式。C/S模式是指客戶端/服務(wù)器模式，這種模式需要開發(fā)專用的人機交互軟件系統(tǒng)，能夠在很大程度上減輕數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負荷壓力，但是系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作量較大，也開發(fā)成本也較高;B/S模式是指瀏覽器/服務(wù)器模式，這種模式不需要開發(fā)專用的人機交互軟件系統(tǒng)，只要電腦具有瀏覽器，就能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸，因此系統(tǒng)的開發(fā)工作量較小，但是這樣會給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器帶來較大的數(shù)據(jù)負荷和壓力，因此系統(tǒng)的健壯性就受到了一定的影響和限制。

針對上述分析的兩種不同的結(jié)構(gòu)模式，結(jié)合本論文所探討的啤酒瓶自動包裝流水線的實際運行需求，這里選擇C/S分布式管控模式。由于分布式管控模式自上而下可以多級構(gòu)建，因此選用合適的層次成為了啤酒瓶自動包裝流水生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。如果選用單級結(jié)構(gòu)或者兩級結(jié)構(gòu)，很顯然，對于管控系統(tǒng)中的中央控制終端而言，其壓力太多，既要負責數(shù)據(jù)采集，還要負責實時管控，顯然不合理;如果采用四級或者五級甚至更多級層次構(gòu)建，顯然硬件投入成本也太高，這是廠家所不能接受的，因此，這里選擇構(gòu)建三級C/S管控模式。

2.2.2 以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇 工業(yè)以太網(wǎng)在實際設(shè)計時，其拓撲結(jié)構(gòu)類型需要結(jié)合具體的控制系統(tǒng)、控制要求以及控制功能來決定，可以有樹型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)等多種拓撲結(jié)構(gòu)。從流水生產(chǎn)線的自動化控制要求來看，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)最為合適，這主要是因為環(huán)型結(jié)構(gòu)容易定位故障發(fā)生點，后期功能擴展接入方便，無需改動已有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此這里選擇環(huán)型結(jié)構(gòu)作為自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線綜合自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)控制模式設(shè)計

3.1.1 遠程遙控方式 遠程遙控方式，就是可以實現(xiàn)無人值守，完全依靠遠程操作就實現(xiàn)本地所有設(shè)備的自動運行。這種遠程遙控方式的實現(xiàn)依賴于工業(yè)以太網(wǎng)的連接，以及必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和人機交互接口的設(shè)計。首先，要實現(xiàn)遠程遙控功能，就必須要對所有的底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及數(shù)據(jù)采集的對象——各個機電裝備都實現(xiàn)統(tǒng)一的控制，這就需要將他們的各項參數(shù)和管控數(shù)據(jù)接入到以太網(wǎng)，因此就需要對數(shù)據(jù)接口進行設(shè)計;其次，要實驗遠程遙控功能，除了要能夠自動完成設(shè)備的運轉(zhuǎn)，還需要實時監(jiān)控整個流水生產(chǎn)線的自動化過程，對于一些超限或者越限的危險狀態(tài)及時發(fā)出報警狀態(tài)，并能夠自動消除報警或者故障類型，從而實現(xiàn)真正的無人值守。

3.1.2 本地控制方式 本地控制方式，就是在生產(chǎn)車間設(shè)置的一套本地的控制方式。當網(wǎng)絡(luò)處于癱瘓或者故障的時候，遠程遙控控制模式將無法正常工作，在這種情況下，就必須依賴于本地控制方式。本地控制方式和遠程遙控方式二者共同構(gòu)成了主從控制模式，可以通過優(yōu)先級的設(shè)置實現(xiàn)兩種控制模式相互之間的切換。

本地控制模式，主要依靠各種開關(guān)、繼電器以及對流水生產(chǎn)線啟停的控制按鈕等強電操作裝置實現(xiàn)。本地控制模式與頂層管控層同樣要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，因此對于本地控制模式的設(shè)計，還要設(shè)計工業(yè)以太網(wǎng)控制接口，實現(xiàn)本地控制模式和管控中心的數(shù)據(jù)通信。

根據(jù)啤酒蓋自動包裝生產(chǎn)線的工藝特點和現(xiàn)場的設(shè)備分，啤酒瓶自動包裝流水線的自動化控制采用PLC作為底層控制器，結(jié)合實際控制需求和控制功能，對流水生產(chǎn)線的控制功能進行了劃分，底層一共設(shè)兩個PLC，各自的控制IO點統(tǒng)計如表1所示。

表1 流水線I/O統(tǒng)計表

3.2 系統(tǒng)層次體系設(shè)計

基于工業(yè)以太網(wǎng)的啤酒瓶自動包裝流水線自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自上而下劃分為三層:頂層管控層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層和底層數(shù)據(jù)采集層?；诠I(yè)以太網(wǎng)的啤酒瓶自動包裝流水生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)管控層次結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 底層數(shù)據(jù)采集層 底層數(shù)據(jù)采集層主要負責相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，包括啤酒瓶自動包裝流水生產(chǎn)線的各個參數(shù)，如工作狀態(tài)參數(shù)，環(huán)境參數(shù)等，采集的信號類型包括模擬量信號和開關(guān)量信號，借助于變送器統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，通過專用的工業(yè)以太網(wǎng)接口進入網(wǎng)絡(luò)傳輸層。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層 網(wǎng)絡(luò)傳輸層，顧名思義，就是負責頂層和底層之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，既要將來自頂層的控制指令實時的傳輸?shù)降讓酉鄳?yīng)的控制執(zhí)行器上，比如繼電器等;同時還需要將底層數(shù)據(jù)層采集到的各項參數(shù)傳輸?shù)巾攲?，以供控制人員及時了解底層流水線的生產(chǎn)狀態(tài)，并為實時控制提供決策參考。網(wǎng)絡(luò)傳輸層除了需要敷設(shè)工業(yè)以太網(wǎng)外，還需要配備合適的網(wǎng)絡(luò)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3.2.3 頂層管控層 頂層管控層主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、控制終端等計算機設(shè)備構(gòu)成，并由專門開發(fā)的軟件提供良好的人機交互接口，以實現(xiàn)控制人員對整個自動化控制系統(tǒng)的完全掌控。

3.3 以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計

從上文對啤酒瓶自動包裝流水生產(chǎn)線的自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)整個自動化控制的功能，數(shù)據(jù)采集器、機電裝備等設(shè)備如何與管控層的控制中心進行數(shù)據(jù)交換和通信成為整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。要實現(xiàn)底層裝備與頂層控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，就必須要專用的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口，為此，必須要對以太網(wǎng)通信模塊進行設(shè)計?，F(xiàn)在很多半導(dǎo)體公司，比如NI公司，TI公司等，都有現(xiàn)成的以太網(wǎng)通信模塊，體積小，通信協(xié)議透明，方便用戶進行二次開發(fā)，最重要的是成本并不高。因此，只要選擇合適的以太網(wǎng)通信模塊，配上合適的外圍電路即可實現(xiàn)底層和頂層的數(shù)據(jù)交換和通信。以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)通信接口電路示意圖

圖2顯示，以太網(wǎng)通信芯片選用了RTL8019AS以太網(wǎng)通信接口芯片，這種芯片成本低，具有多帶寬自適應(yīng)功能，抗干擾能力強，很適合工業(yè)化應(yīng)用。外圍電路的設(shè)計也很簡單，只需要為該以太網(wǎng)通信芯片配上必要的電源電路、晶振電路、以太網(wǎng)標準通信接口RJ－45電路，即可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送，從而實現(xiàn)自動化控制網(wǎng)絡(luò)中底層和頂層的雙向通信。

4 結(jié)語

過去傳統(tǒng)的流水線控制主要采用電氣開關(guān)、電磁開關(guān)、繼電器、接觸器等強電開關(guān)件實現(xiàn)半自動化控制，這種控制模式不僅成本高，而且控制效率較低，可靠性較低，并不適合大范圍推廣應(yīng)用。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)逐漸從商用發(fā)展到工業(yè)領(lǐng)域中。工業(yè)以太網(wǎng)以其低廉的組網(wǎng)成本，寬兼容性的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，靈活的網(wǎng)絡(luò)接入方式以及無限制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后期擴展升級等特點，迅速被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)自動化的各個領(lǐng)域中，目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用到了冶金、化工、能源以及電力等行業(yè)中。筆者正是利用了工業(yè)以太網(wǎng)的上述優(yōu)點，探討了基于工業(yè)以太網(wǎng)的綜合自動化控制系統(tǒng)在流水生產(chǎn)線中的應(yīng)用，給出了自動化控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和功能模塊設(shè)計方案，并就其中的主要實現(xiàn)技術(shù)逐一做了詳細探討和研究，對于進一步提高以太網(wǎng)技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用水平具有很好的指導(dǎo)意義，同時對于深入流水線自動化控制水平的研究也具有較好的理論借鑒價值。