1.工業(yè)以太網(wǎng)簡介

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標準)兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、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)場要求。

2.工業(yè)以太網(wǎng)的特點

2.1實時性和確定性

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，使這一應用成為可能。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)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降。其次。采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)代替總線型結(jié)構(gòu)，交換機將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機由于具有數(shù)據(jù)存儲、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；同時交換機還可以對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使各個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點問數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，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)負荷。

再次，全雙工通信又使得端口間兩對雙絞線(或兩根光纖)上分別同時接收和發(fā)送報文幀，也不會發(fā)生沖突。因此，采用交換式集線器和全雙工通信，同時網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復存在(全雙工通信)，或碰撞幾率大大降低(半雙工)，因此，以太網(wǎng)通信確定性和實對性大大提高。

2.2穩(wěn)定性和可靠性

以太網(wǎng)進入工藝控制領(lǐng)域的另一個主要問題是，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商業(yè)領(lǐng)域設(shè)計的，商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不能應用在有較高可靠性要求的惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，因而需要針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境(如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等)來設(shè)計工業(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)域應用，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定工作的問題，美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、JetterAG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了機架導軌式集線器、交換機產(chǎn)品，安裝在標準DIN導軌上，并由冗余電源供電，接插件采用牢固的DB29結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了特別設(shè)計用于連接工業(yè)應用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)設(shè)備(如PLC、HMI、DCS系統(tǒng)等)。

此外，在實際應用中，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(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.冶金自動化控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

按照目前流行的自動化體系結(jié)構(gòu)，典型的冶金自動化系統(tǒng)按功能層次可分為基礎(chǔ)自動化系統(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個層面。

3.1基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)

以PLC、DCS、工業(yè)控制計算機為代表的計算機控制，是以對現(xiàn)場級設(shè)備的控制。在基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)中，目前南PLC控制仍占主要地位：在冶金流程中，基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)又是關(guān)鍵的部分．它沒計的好壞直接影響到整個控制系統(tǒng)。

3.2過程控制系統(tǒng)

冶金流程在線連續(xù)檢測和監(jiān)控系統(tǒng)。采用新型傳感器技術(shù)、光機電一體化技術(shù)、軟測量技術(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)境排放實時控制和產(chǎn)品質(zhì)量全面過程控制為目標。實現(xiàn)冶金流程在線檢測和監(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。實現(xiàn)鐵一鋼一軋橫向數(shù)據(jù)集成和相互傳遞，實現(xiàn)管理→計劃→生產(chǎn)→控制縱向信息集成。同事整合生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)倉庫，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現(xiàn)信息共享，在有效競爭前提下趨利避害，在企業(yè)信息系統(tǒng)的編碼體系標準化、企業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)/信息集成基礎(chǔ)上，進一步實現(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自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從現(xiàn)場級到生產(chǎn)控制級，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，目前用到最多的就是工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場級大多采用西門子的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)場級網(wǎng)絡(luò)．在將來會逐步代替Profibus網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)場級以上的三層控制系統(tǒng)大都采用以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)在自動化控制系統(tǒng)中扮演著很重要的角色?；A(chǔ)自動化系統(tǒng)中的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)采用Profibus(使用最為廣泛)或Profinet是目前最流行和實用的兩種網(wǎng)絡(luò)。但是Profinet網(wǎng)絡(luò)比Profibus網(wǎng)絡(luò)優(yōu)越很多，因為Profinet就是基于以太網(wǎng)的，因此，Profinet是后來追上。

現(xiàn)場級以上的控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)，每一級的工業(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自動化系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊

4.2.1PLC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、S7-300PLC、以太網(wǎng)通訊模塊CP343—1)、PC機、以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡CP1613以及連接電纜。所需軟件：STEP7。

①S7通訊

使用STEP7軟件進行硬件組態(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。S7-300PLC調(diào)用函數(shù)FB12、FB13進行通訊。S7-400調(diào)用函數(shù)SFB12、SFB13來進行通訊；如果選擇單邊通訊只在主動方編寫通訊程序，S7-300PLC調(diào)用FB14、FB15進行通訊。S7-400調(diào)用函數(shù)SFB14、SFB15來進行通訊。

②TCP通訊

使用STEP7軟件進行硬件組態(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。S7-300PLC調(diào)用函數(shù)FC5、FC6進行通訊，S7-400調(diào)用函數(shù)FCSO、FC60來進行通訊。

③ISO通訊

使用STEP7軟件進行硬件組態(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，S7-300PLC調(diào)用函數(shù)FC5、FC6進行通訊，S7-40o調(diào)用函數(shù)FC50、FC60來進行通訊。

以上三種通訊方式的操作方法基本一致，只有在建立連接時選擇各自的協(xié)議即可。

4.2.2PLC與HMI之間的以太網(wǎng)通訊

由于上位機監(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)控軟件都有一個共同的標準接口：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)一些簡單的監(jiān)控界面與西門子PLC直接進行TCP通訊。

①OPC通訊

所需硬件：1套S7-3o0系統(tǒng)(包括電源模塊Ps307、S7-300PLC、以太網(wǎng)通訊模塊CP343—1)，PC機，以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡CP1613以及連接電纜。所需軟件：STEP7、SIMATICNET6.3f提供虛擬Pc機和對Pc站的參數(shù)設(shè)置)、組態(tài)王以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)：使用STEP7軟件進行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)以及使用HIMATICNET進行虛擬PC機組態(tài)。在SIMATICNET軟件提供的OPCSCOUT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OPCSCOUT處所建立的變量，這樣就通過OPC接口實現(xiàn)了PLC與上位機監(jiān)控軟件HMI之間的通訊。如果在不使用上位監(jiān)控軟件時還可以通過使用VC、VB編寫的應用程序讀寫OPCSCOUT里建立的變量來實現(xiàn)。

②通過VB編寫的應用程序與西門子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、S7-300PLC、以太網(wǎng)通訊模塊CP343—1)，PC機、普通計算機以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡以及連接電纜。所需軟件：STEP7、VB。

以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)：使用STEP7軟件進行硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)(建立TCP連接)以及使用SIMATICNET進行虛擬PC機組態(tài)。(建立TCP連接)編寫通訊程序，在PLC一方編寫通訊程序，S7—300PLC調(diào)用函數(shù)FC5、FC6進行通訊，S7-400調(diào)用函數(shù)FC50、FC60來進行通訊，在HMI一方用VB編寫通訊程序，采用Winsock控件來實現(xiàn)。

工業(yè)以太網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通訊是自動化控制系統(tǒng)中的核心部分，因此對予每一個自動化控制系統(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)場設(shè)備控制層，所以被人們普遍認為是未來控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)已成為現(xiàn)場總線中的主流前沿技術(shù)。

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