張曉慶
【摘 要】在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)控制日趨自動(dòng)化、智能化的背景下,傳統(tǒng)的集中控制、集散控制以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制等方式在遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、工業(yè)通信等環(huán)節(jié)存在著一定的不足之處,限制了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化水平的進(jìn)一步提升。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需求,工業(yè)以太網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中嶄露頭角,其自動(dòng)控制的及時(shí)性、可靠性和安全性有了很大水平的提升。本文探討了工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠自動(dòng)控制中的應(yīng)用,旨在提供一定參考借鑒。
【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng) 軋鋼廠 自動(dòng)控制
1 以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用
令牌總線控制是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的控制形式,這種控制形式的特點(diǎn)是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部工作站控制指令的傳遞是由令牌進(jìn)行控制的。在當(dāng)前的工業(yè)控制領(lǐng)域,控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部令牌接收節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)傳輸介質(zhì)進(jìn)行訪問,并向控制目標(biāo)發(fā)送指令信息。在完成信息傳輸或規(guī)定時(shí)間結(jié)束后,令牌將會(huì)傳遞至下一個(gè)工作站。這種控制方式,通過令牌限時(shí)傳遞實(shí)現(xiàn)了信息傳輸確定性控制。
在當(dāng)前應(yīng)用較多的工業(yè)控制系統(tǒng)中,其內(nèi)部控制指令信息傳遞峰值約為10M 工業(yè)以太網(wǎng)最大負(fù)荷的5%,相應(yīng)的該峰值也只占到100M工業(yè)以太網(wǎng)負(fù)荷的0.5%,在合理科學(xué)設(shè)計(jì)的條件下,能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和通信數(shù)據(jù)信息技術(shù)的有效控制,將網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷限制在10%以內(nèi) ,這使得工業(yè)以太網(wǎng)取代傳統(tǒng)令牌網(wǎng)成為了可能。現(xiàn)階段工業(yè)以太網(wǎng)的通信速率不斷提升,一直從10M、100M發(fā)展到現(xiàn)在1000M、10G的水平。因此在工業(yè)控制數(shù)據(jù)信息傳遞總量一定的條件下,工業(yè)以太網(wǎng)具有更為理想的通信速率,傳輸延時(shí)相對(duì)較小,控制信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)碰撞機(jī)率更低。
其次,工業(yè)以太網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)建為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過內(nèi)部交換機(jī)的作用將系統(tǒng)劃分為部分網(wǎng)段,協(xié)同作用控制工業(yè)生產(chǎn)過程,不同信息數(shù)據(jù)發(fā)送渠道的相互影響較小。工業(yè)以太網(wǎng)依托于交換機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制信息的存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)不同端口節(jié)點(diǎn)部分能夠?qū)崿F(xiàn)I/O功能的緩沖,從而避免數(shù)據(jù)信息碰撞中交換機(jī)數(shù)據(jù)過濾功能在造成的丟包問題。工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸被限制在本地網(wǎng)段內(nèi)部,不通過主干網(wǎng)進(jìn)行傳輸,同時(shí)不影響其他網(wǎng)段的指令信息傳達(dá),這也難怪能夠有效降低工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷,提升指令的下達(dá)與反饋信息獲得效率。
此外,工業(yè)以太網(wǎng)為全雙工通信制式,在硬件層面上講,端口間的鏈接介質(zhì)為兩對(duì)雙絞線或光纖,每對(duì)介質(zhì)負(fù)責(zé)不同的功能,分別進(jìn)行工業(yè)控制數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送,在指令與反饋信息雙向傳輸?shù)臈l件下,同一時(shí)段內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)信息沖突問題。
2 工業(yè)以太網(wǎng)特點(diǎn)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析
2.1通信實(shí)時(shí)性與確定性
工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了高速、高質(zhì)量的信號(hào)傳遞,能夠滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)控制管理工作對(duì)于數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的要求。同時(shí),拓展后的工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)變量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新,能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)全過程跟蹤控制的需求。另外,在硬件層面,工業(yè)以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)更為理想,全雙工交換模式最大限度的利用了工業(yè)控制系統(tǒng)的信息資源,能夠進(jìn)一步替代令牌網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更高效率的的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化控制。
2.2穩(wěn)定性與可靠性
在部分工業(yè)領(lǐng)域,其具體的生產(chǎn)過程所處的客觀環(huán)境較為復(fù)雜惡劣,如高溫、高壓、揚(yáng)塵等條件對(duì)于自動(dòng)化控制有著一定的影響。工業(yè)以太網(wǎng)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),不同網(wǎng)段間的相互影響較小,而且具有模塊化拓展功能,出現(xiàn)故障問題時(shí)能夠極為便捷的進(jìn)行維修或替換,這使得工業(yè)以太網(wǎng)具有更高的穩(wěn)定性與可靠性,能夠適應(yīng)更多工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。
2.3生產(chǎn)控制安全性
工業(yè)生產(chǎn)的過程中,不可避免的存在部分易燃、易爆或有毒氣體等威脅企業(yè)人員生命財(cái)產(chǎn)安全的因素。工業(yè)以太網(wǎng)具有更大信息傳遞量于傳遞速度,能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),并即時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果提交控制人員,出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)能夠第一時(shí)間進(jìn)行告警,保證工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全。
3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的軋鋼廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)
3.1軋鋼廠自動(dòng)控制系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)基本參數(shù)的確定
在假設(shè)玩軋鋼廠工業(yè)以太網(wǎng)后,在投入實(shí)際應(yīng)用前應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試,獲得相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù),從而保證工業(yè)以太網(wǎng)能夠正常運(yùn)作。(1)工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)軋鋼廠工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制的實(shí)際需求,可以選擇環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為廠區(qū)生產(chǎn)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)各區(qū)段內(nèi)部構(gòu)架。環(huán)形結(jié)構(gòu)是將廠區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)各信息節(jié)點(diǎn)首位相連,從而形成控制指令信息傳遞的閉環(huán)管理。相對(duì)而言自動(dòng)化控制系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入較少,而信息傳遞速度也能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際控制需求。這樣的組網(wǎng)形式能夠存在部分信息冗余,同時(shí)在部分環(huán)路出現(xiàn)故障時(shí),也不會(huì)對(duì)其他部分造成影響。(2)網(wǎng)絡(luò)帶寬的選擇。隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬有了大幅度提升,己經(jīng)從最初的1M帶寬,發(fā)展到10M帶寬、100M帶寬及1000M帶寬。綜合信息傳輸效率、經(jīng)濟(jì)成本投入以及自動(dòng)化控制實(shí)際效果等多方面內(nèi)容,現(xiàn)代化軋鋼廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)可選擇100M網(wǎng)絡(luò)帶寬,不僅能滿足實(shí)際需求,也能夠有效降低工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)乃至整個(gè)廠區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用。
3.2工業(yè)以太網(wǎng)在軋鋼廠生產(chǎn)中自動(dòng)控制統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
(1)信息管理層。工業(yè)以太網(wǎng)信息管理層在現(xiàn)代化軋鋼廠的應(yīng)用中負(fù)責(zé)工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控與管理,作為管理系統(tǒng)的終端,管理人員能夠在管理層平臺(tái)上獲取相應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)信息與圖形圖像,對(duì)這部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢以及調(diào)用,同時(shí)可以根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的告警提示,下達(dá)控制指令,從而完成現(xiàn)代化軋鋼廠生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程遙控。(2)中間層。現(xiàn)代化軋鋼廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的中間層,可以看做數(shù)據(jù)信息的傳輸介質(zhì)層。主要由骨干網(wǎng)絡(luò)、路由器、數(shù)據(jù)收發(fā)中轉(zhuǎn)站、現(xiàn)場(chǎng)控制站點(diǎn)等部分構(gòu)成。中間層軋鋼廠工業(yè)生產(chǎn)過程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,提交給信息管理層,同時(shí)也將管理層下達(dá)的指令信息向下傳遞到具體的設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作數(shù)據(jù)的有效送達(dá)。(3)設(shè)備控制層。設(shè)備控制層是工業(yè)以太網(wǎng)的最底層部分,同時(shí)也是軋鋼廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)獲得管控信息反饋與動(dòng)作執(zhí)行的層級(jí)。設(shè)備控制層的監(jiān)測(cè)與執(zhí)行主要通過傳感器與PLC控制器等構(gòu)件完成,實(shí)現(xiàn)對(duì)軋鋼廠電氣設(shè)備工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器或者單片機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,進(jìn)而傳輸至上層信息管理層;同時(shí)也負(fù)責(zé)接收來自上層信息管理層的遠(yuǎn)程控制指令,并實(shí)現(xiàn)由PLC控制器或者單片機(jī)控制器對(duì)電氣設(shè)備的控制。
4 結(jié)語
綜上所述,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化的基礎(chǔ),隨著企業(yè)信息化與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,發(fā)展基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域,發(fā)揮其本身具有的高質(zhì)量、高速度、高靈話性和低成本的特點(diǎn),采取分步實(shí)施的策略,首先從解決“數(shù)字通”開始,再逐步過渡到個(gè)分散現(xiàn)場(chǎng)控制、管控一體化方向發(fā)展,必將為企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)帶來史大的益處。
參考文獻(xiàn):
[1]侯窻,沈琪,夏永明.工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性分析及其改進(jìn)對(duì)策[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,08:20-21+25.
[2]王宇智.基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的污水處理廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].北京郵電大學(xué),2012.