基于以太网的工业控制系统的研究与应用

王胜斌

摘 要：如今的现代化社会越来越注重对于各种智能化技术的研究，其涉及到的互联网、计算机、通讯都在不断地扩展自身的各种功能，以适应现代人的生活方式并未人类提供更好的服务。人类对于研究工业网络系统朝着更加乐观的方向前进着，工业以太网改善了传统的工业网络的各种缺陷，本文就其工业控制系统的特点谈一谈它的作用。

关键词：以太网；工业控制系统；应用

当今社会，日新月异，无论是哪一方面的发展都是非常迅猛的，新技术时时都会产生。计算机技术的发展无疑是最快的，为了解放人的双手，自动化技术应运而生，这些年其应用范围也被逐渐延伸，自动化的生产技术已经是如今的工业生产离不开的工作条件，而在自动化控制的范围内，现场总线技术是应用最为普遍的，虽然它有着很多优点，但也已经不能适应如今的大规模生产活动了，而工业以太网的出现改善了这种不良的情况。本文通过对于生产活动中的工业以太网的应用提出几点自己的观点。

1 以太网的工业控制系统概述

工业以太网相较于以前被广泛使用的现场总线，存在着诸多优势，可以适应如今生产中的大规模生产任务，可同时控制与监管多台机械设备，组网的价格比较低，可以实现有效控制成本，还可效果良好地监控通讯，更加方便相关设备的后期更新与维护，可以在一定程度上取代现场总线。虽然以前的工业以太网存在着不确定性的缺陷，但现在的工业以太网也在实践中逐渐稳定下来。

工业以太网的工作原理是在相关仪器的底部安装传感设备，来检测仪器在运行过程中的周边环境数据、工艺数据、工作状态数据等重要数据，再利用能够使用的通信网络协议传输到工业以太网上。随着生产的不断扩大化，工业生产对生产过程中的自动化要求也越来越高，尽可能地减少人在工业生产中的存在感，而将PLC控制系统与工业以太网连接使用，也是生产实践中的重要突破。

2 以太网的工业控制系统的设计

2.1 工业以太网的功能

一般的工业生产系统都有较多的流程，比如汽车整车焊装的工业生产，对于机电装备的要求很多，比如离散度、监测能力、控制力度等方面。以太网在工业生产中有以下几方面的功能：

2.1.1 分配和调整生产任务，工业以太网在分配需要完成的生产任务时，会参考生产的进度，来对不同的对象分配出适合的生产任务，在出现临时的生产任务变动时，也能适时地自动做出相应的调整，来达到对于不同情况的最好适应度。

2.1.2 控制电气供给情况并给出科学的分析。根据工业以太网的工作原理，来达到实时监测的功能，在监管各个生产环节时，在相关数据库找出可靠的数据，进行分析与调研工作。在进行监督工作时，可以通过直观的监控画面，为用户带去更好的体验。

2.2 工业以太网的系统结构设计

工业以太网往往被应用于流水线工程中，这种流水线工程上的信号种类复杂，控制位置的分布也不集中，仪器设备数量多，本地控制模式显然不能适应这种生产方式，因为本地控制模式主要是使用一般的控制开关和继电器，这种比较落后的处理方式不能及时地使系统更新，工业以太网使用的是较为领先的DCS模式，其中主要分为三个层次：

2.2.1 监控终端。中央控制室是安装监控终端的最好位置，值班人员只需要在中央控制室就能监控到整个工厂的流水线的工作过程，防止出现不可控制的情况，上位机程序是一种专门为监控终端开发出来的程序，既可保证远程监控的质量，又能保证和本地PLC站的信息实现交互。

2.2.2 本地PLC站。这个程序的监控目的与监控终端有所不同，它的监控对象主要是开关量，如电磁阀、限位开关等。将环节参数、工艺参数等重要参数在用工业以太网上传之前，先转变成数字量，更好地展现一体化通信的优势之处。

2.2.3 底层传感设备。现场传感器主要是用以检测现场监控点物理参数信号，变送器将采样数据转换成4～20mA的電流信号，经屏蔽电缆送到各子系统的PLC内。控制信号由PLC输出后以4～20mA电流形式送到执行机构。

2.3 工业以太网的系统控制模式设计

工业以太网的运行模式主要有两种，一种是本地控制：这种属于手动模式，需要准备控制箱，工作者启动或者停止开关箱上的开关，即使出现中央控制室失联的情况，也能保证流水线正常运作；另一种是远程遥控控制，同样需要控制箱，但是可以根据实际情况来决定是“手动”还是选择“自动”，工作者可以通过观看监控画面实现远程监控。

2.4 工业以太网网络系统设计

2.4.1 网络拓扑结构选择

某些系统选用环型网络拓扑结构，当某一节点出现故障时，它会自动旁路，而不影响环型网络的信息传输。环型网络结构的显著特点是环路上的工作站在发送信息时，只能按照顺序依次传输，所以不存在冲突问题。在光纤传输介质成本降低的今天，工业以太网的传输介质选用光纤组成双环路双冗余网络是比较合适的方法。

2.4.2 系统组网方案设计

基于工业以太网的流水线综合自动化控制网络系统可以划分为三层：信息管理层、网络传输层、传感检测及执行机构层。

信息管理层。信息管理层主要是实现对整个工业以太网自下而上传输过来的流水线生产工艺的各个参数的管理，包括状态参数的实时监测、越限报警；生产工艺参数的自动存储、报表分析；设备控制指令的自动/联动派发等等，这些功能的实现依赖于在信息管理层所开发的人机交互接口良好的专用自动化控制监控程序，通常可以采用组态程序实现。

网络传输层。网络传输层就是指基于工业以太网所搭建起来的工业以太网传输网络系统，同时通过配置交换机、操作站等辅助设备，能够实现操作人员在网络现场对网络传输层的检查、维护和管理。网络传输层作为整个自动化控制网络系统的数据传输平台，对于整个系统的功能实现具有至关重要的作用。

传感监测及执行机构层。传感监测及执行机构层主要有两个作用，第一是通过传感检测设备，将流水线工艺流程中的各个参数实时检测出来并发送到工业以太网上进行通讯，第二是通过安装电气开关、电磁阀等开关动作执行元件，接受来自顶层的中央信息管理层的远程控制指令，实现对现场机电装备或者流水线工艺流程的远程自动化控制，传感监测及执行机构层是面向整车焊接流水线生产和自动化控制的最底层，主要包括车间现场的各种监测、控制子系统，如焊接机器人控制子系统，滚床控制子系统，带式输送机控制子系统等。

结束语

工业以太网的自动化管理是它在生产活动中最大优势，使得它在现如今的社会有了立足之处，虽然可以达成全自动化管理与监控的目的，但是相关工作人员也不可掉以轻心，必须加强责任心，做好分内的各项工作，确保工业以太网能够发挥出作用；另一方面，工业以太网还存在着一些问题，如在环境条件恶劣的工厂运行时的安全问题，都是值得深思的。

参考文献

[1]冯冬芹，金建祥，褚健.工业以太网关键技术初探[J].信息与控制，2003（03）.

[2]王威，缪学勤.试论工业以太网实时通信技术[J].自动化仪表，2003（02）.