基于以太網和現場總線的集散控制系統

本文以實例說明了作為工業自動化現代化水平標志的基于以太網和現場總線的集散控制系統的結構、功能和特點，
并特別對數據通信部分進行了闡述。
關鍵詞：集散控制； PLC； 以太網； 現場總線； 通信

Abstract: The structure of distributed control system which mark the up-date level of industrial automation are summarized. And
its function and characteristics are illustrated with an example based on Ethernet and field bus. The part of data communication is
introduced specially.
Key words: distributed control PLC Ethernet field bus communication

0 引言
進入新世紀以來，伴隨著市場的進一步開放，企業之間的競爭不斷加強，各企業紛紛投入資金加緊
進行新一輪的技術改造，希望能以高新技術為核心，以綜合自動化為手段，不斷提高產品質量，確立和加強企業在市場競爭中的地位。隨著計算機、控制器、網絡、總線技術的發展，自動化領域正在迅速的覆蓋從車間的現場設備到控制、管理的各個層次。分散檢測控制、集中監控管理的集散控制方式為實現大系統的綜合自動化創造了條件。

1 概述
計算機具有強大的運算、存儲、邏輯判斷等信息加工能力，從它誕生開始就被應用到控制系統中，
特別是微處理器的出現，進一步擴大了計算機的應用范圍。在計算機上配以自動化組態軟件可以更直觀、更方便地對生產過程進行監視和控制，充分發揮計算機的復雜數據運算處理、報表統計和圖形顯示能力。

可編程控制器（PLC）具有抗干擾能力強，可靠性高，便于擴展，使用方便等優點，正在越來越廣泛的應用于工業生產過程中。隨著生產水平不斷提高，人們更愿意使用多臺網絡化中小型PLC 而不是用一臺或數臺超大型PLC 來包攬全局。適當分散的中小PLC 所控制的范圍不大，不僅降低了風險，往往還可以簡化許多熱備冗余的配置，降低設備成本。

當前應用最為廣泛的計算機網絡技術是以太網技術，符合公共標準的TCP/IP 協議的以太網使得上層
計算機系統通過以太網訪問車間級數據，為全廠范圍控制系統的數據匯集和監視創造條件。它的開放性協議使得各種計算機和不同廠商的PLC 可以互連，在必要時也可以進行一些控制和協調。而且人們對以太網技術很熟悉，可以降低系統的開發、培訓和維護的費用。
現場總線是一種互聯現場自動化設備及其控制系統的雙向數字通信協議，現場總線使控制功能適當
分散到現場設備，系統的自立能力增強，節約機柜空間，使現場的電纜連線大量減少。現場總線具備可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通訊速率快、系統安全符合環境保護要求的優勢。

總之企業的系統生產過程是很復雜的，設備分布廣，各工序各設備并行地進行工作，因此用數臺PLC
對生產過程進行實時控制，用一臺或數臺微型機作為監控系統的上位機，上位機通過以太網與PLC 相連，實現對現場數據巡回采集、集中處理，在實際應用中還可以利用上位機對PLC 進行遠程編程或對程序中的參數進行設置或修改。以太網可以達到很高的通信速率，利用以太網的優點，結合PLC 控制器及現場總線，就可以構成全分散、全開放的集散控制系統。下面以某廠打葉復烤線控制系統為例對集散控制系統進行說明。

2 系統組成
依據分散檢測控制、集中監控管理的原則，系統由集中監控層、設備控制層兩部分組成。圖1 為該
打葉復烤線集散控制系統示意圖。

2.1 集中監控層（上位機）
由三臺計算機和打印機構成。一臺對煙葉預處理、葉梗分離、風送除塵三條線進行集中監控，另一臺
對煙片復烤、煙梗復烤、預壓打包三條線進行集中監控。一臺用作編程工作站。
2.1.1 集中監控層軟硬件配置
監控計算機選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻，128M 內存，40G 硬盤的IBM 商用電腦，PHILIPS 21 寸顯示器；打印機選用HP LJ5000 激光打印機；配置不間斷電源（UPS），型號選用APC 產品,容量為２KVA。監控計算機操作系統配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；監控組態軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網與控制執行層進行數據通訊，通過簡潔、直觀的現場模擬圖反映主要單機設備電
機狀態，各檢測元件狀態，各執行器件狀態，主要設備參數和工藝參數等；
b. 顯示主要工藝參數的變化趨勢，如水分、流量、溫度等，有助于工藝人員及時掌握工藝參數變化
情況，穩定工藝，提高產品質量；
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息，包括故障發生時間、發生位置、故障內容等；
d. 工程師站實現遠程對PLC 編程、PLC 運行狀況監測及程序修改等；
e. 向上通過以太網與企業管理層進行數據通訊，向廠領導和各職能部門發布生產和工藝數據，為廠
里的決策提供依據，接受廠里的指令并打印各種報表等。
2.2 設備控制層
劃分為煙葉預處理、葉梗分離、煙片復烤、煙梗復烤、預壓打包、風送除塵六條生產分線， 設置六
組對應的PLC 控制電控柜及相應器件，對六條生產分線分別執行控制。

2.1 集中監控層（上位機）
由三臺計算機和打印機構成。一臺對煙葉預處理、葉梗分離、風送除塵三條線進行集中監控，另一臺
對煙片復烤、煙梗復烤、預壓打包三條線進行集中監控。一臺用作編程工作站。
2.1.1 集中監控層軟硬件配置
監控計算機選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻，128M 內存，40G 硬盤的IBM 商用電腦，PHILIPS 21 寸顯示器；打印機選用HP LJ5000 激光打印機；配置不間斷電源（UPS），型號選用APC 產品,容量為２KVA。監控計算機操作系統配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；監控組態軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網與控制執行層進行數據通訊，通過簡潔、直觀的現場模擬圖反映主要單機設備電
機狀態，各檢測元件狀態，各執行器件狀態，主要設備參數和工藝參數等；
b. 顯示主要工藝參數的變化趨勢，如水分、流量、溫度等，有助于工藝人員及時掌握工藝參數變化
情況，穩定工藝，提高產品質量；
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息，包括故障發生時間、發生位置、故障內容等；
d. 工程師站實現遠程對PLC 編程、PLC 運行狀況監測及程序修改等；
e. 向上通過以太網與企業管理層進行數據通訊，向廠領導和各職能部門發布生產和工藝數據，為廠
里的決策提供依據，接受廠里的指令并打印各種報表等。
2.2 設備控制層
劃分為煙葉預處理、葉梗分離、煙片復烤、煙梗復烤、預壓打包、風送除塵六條生產分線， 設置六
組對應的PLC 控制電控柜及相應器件，對六條生產分線分別執行控制。

3 系統以太網通信的實現
3.1 監控計算機和PLC 的配置
監控計算機采用3COM 公司的EtherLink Ⅲ網卡，對該網卡，可用Windows 自帶的驅動程序進行配置。在FIX 應用程序的網絡配置中，有兩種協議：NetBOIS 和TCP/IP。選擇TCP/IP，則數據傳輸速度快，適用于較多站點的網絡。在FIX Driver Configuration 中，輸入節點名、以太網址。并將節點名映射到單獨的IP 地址，TCP/IP 采用多種方式處理名稱辨識，采用本地HOSTS 文件方式具有最高的可靠性。該文本文件存在各節點上。PLC 采用Schneider 公司的ETY110 網卡，必須對ETY110 正確配置節點名和以太網址，如果網上各PLC 及I/O Driver 都配置正確，則個設備之間可以建立通信。
3.2 FIX 組態軟件與PLC 的通信過程
PLC 中有一個專門用來存放數據的數據塊，組態軟件的I/O 驅動程序從中讀取數據，并將其傳入驅動
程序映射表的地址中，對應與點名。掃描、報警、控制程序訪問點名，則獲得數據，并將處理后的數據傳輸至過程數據庫。內部數據庫訪問功能從本地或遠程數據庫中讀取數據，并將這些數據傳輸至請求的應用程序中去。

4 系統中各站點的尋址
集散控制系統中實現分散檢測控制、集中監控的關鍵之一是各通信實體的正確尋址。本系統中目的
通信實體的一般格式為：網絡號、站號、設備物理地址，設備物理地址一般是它的通信模塊的地理位置，即其模塊號、通道號和通道中的通信實體。
4.1 站內尋址
如打葉復烤線集散控制系統示意圖所示，如PLC1 對UNI-TELWAY 總線上第4 號變頻器尋址，其目標
地址為

4.2 站間尋址
如打葉復烤線集散控制系統示意圖所示，如PLC2 對PLC1 的UNI-TELWAY 總線上第4 號變頻器尋址，其目標地址為：

在Schneider Premium 系列PLC 上總線模塊和CPU 模塊集成在一起，始終處于機架上0 模塊位置，如選用TER 通信通道，通道地址為0，如選用PCMCIA 卡通信通道，通道地址為1。

5 結束語
正如上例打葉復烤線集散控制系統所描述的，集散型控制系統具有通用性強、系統組態靈活、控制功
能完善、數據處理方便。顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單規范、調試方便、運行可靠等優點。它能夠適應工業生產過程的各種需要，提高生產自動化水平和管理水平，通高產品質量，降低能源消耗和原材料消耗，提高勞動生產率，保證生產安全，可有力地促進工業發展，創造出最佳經濟效益和社會效益。
參考文獻 :
[1] 陽憲惠，現場總線技術及應用 [M].北京 :清華大學出版社，1996，6.
[2] 徐皚冬，基于以太網的工業控制網，信息與控制，2000，4.