基于工业以太网的自动化控制系统设计

摘要：工业以太网由于具有众多优势而在工业自动控制系统中得到了广泛应用。基于工业以太网络探讨了流水线自动化控制系统设计与实现，给出了工业以太网系统的拓扑结构和组网方案，并结合流水线自动控制系统的实际功能，设计了基于计算机网络的工业控制系统层次框架，对进一步促进工业以太网在工业生产与自动控制系统中的应用具有较好的指导借鉴意义。

关键词关键词：工业以太网；计算机网络；自动化控制；远程控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.143904

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）002013202

基金项目基金项目：

作者简介作者简介：陈长辉（1980-），男，广东雷州人，广州番禺职业技术学院信息工程学院实验师，研究方向为计算机网络技术、网络综合布线。

0引言

随着精密制造技术的发展，工业生产控制的自动化要求日渐提高，对于自动化控制系统的要求也就越来越高。网络技术的发展极大地促进了工业自动化控制系统的发展，使得工业自动化控制从过去传统的电气自动化控制向无人值守远程自动化控制转变＼[1＼]。在这种背景下，基于计算机网络实现的工业自动化控制系统得以广泛研究与应用，并逐步取代传统现场总线实现的工业自动化控制系统。

本文结合工业以太网技术，详细探讨基于工业以太网络实现的工业自动化控制系统设计与应用，以期能够找到工业以太网络在工业自动化生产与控制中的应用模式与经验，并和广大同行分享。

1工业以太网设计

1.1工业以太网概述

工业以太网是基于IEEE 802.3 （Ethernet）的强大区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径＼[2＼]。企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）以及国际互联网（Internet）已应用于生产及其过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能、全双工和自适应的100M波特率快速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE 802.3u 的标准）也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要，通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术，这是工业以太网的最大优势。因此，很多过去传统的工业控制网络能够无缝升级到基于工业以太网实现的自动化控制系统＼[3＼]。

1.2系统设计

1.2.1拓扑结构设计

工业以太网的网络拓扑结构直接决定了整个控制网络系统的稳定性和可靠性，因此选用何种拓扑结构需要结合具体的控制对象和控制要求来分析。本文以工业生产中最为普及和广泛的流水线自动控制系统为研究对象。由于流水线自动控制系统往往涉及多个机电装备，同时对自动控制系统的可靠性要求较高，因此选用普通的星型结构或者树形结构，都无法保证整个自动控制系统的可靠性；选择环型拓扑结构，能够自动实现旁路传输，不会由于网络上某一个节点发生故障而导致整个网络瘫痪，其可靠性比普通拓扑结构强一倍＼[4＼]，因此，本文选用环型拓扑结构。

1.2.2系统组网设计

系统组网设计方案体现了整个流水线自动控制系统的网络体系架构。从要实现的控制功能来看，整个工业以太网络的组网可以划分为以下3个层次：

（1）信息管理层。信息管理层处于整个系统组网结构的顶层，实现所有数据信息的汇总、集成和管理。通过开发具有人机交互功能的软件程序，实现对底层数据、网络层状态的实时监测，并通过数据库管理功能对数据进行实时管理。

（2）网络传输层。网络传输层处于整个自动化控制系统组网方案的中间层次，是由工业以太网络构成的实际物流链路传输层，用于实现底层数据采集设备上传的数据，以及实现顶层控制中心下行的控制指令的双向传输。网络传输层的可靠性直接决定着整个自动化控制系统的可靠性。因此，在实际构建网络传输层时，应采用合理的网络拓扑结构、合理的中继路由节点，以确保整个网络传输层的可靠性。

（3）底层数据采集层。底层数据采集层位于整个自动化控制系统组网方案的底层，主要由各类传感器、数据采集装置构成，负责采集整个自动化控制系统的运行数据、状态数据和监测数据，是整个自动化控制系统得以运转的数据源和基础＼[5＼]。因此，在实际构建底层数据采集层时，应当选用合理的传感器及数据采集装置，确保采集到的数据真实、有效和可靠，并实时进入工业以太网进行传输。

2工业自动化控制系统设计

2.1功能模块设计

基于工业以太网实现的流水线自动控制系统功能主要包括以下几个方面：

（1）机电装备运行参数的采集与实时显示。流水线自动控制系统首先要能够实时监测各机电装备的运行状态、环境参数，确保整个流水线生产运作的稳定可靠。因此，系统的首要功能便是实现机电装备运行参数、运行环境、状态参数的采集与实时显示，从而为现场控制人员和管理人员的生产工序调整、设备维护等工作提供基础数据源。

（2）流水线自动控制指令的实时下达。流水线自动控制系统需要针对不同的工序、工步调整各机电装备的运行状态，这在以往都是由工人手动调整实现的。工业以太网的出现极大地提高了整个系统的自动化程度，无需工人手动调整，依托自动控制系统就能够实现实时控制。因此，流水线自动控制系统控制指令的自动、实时传输是实现真正自动化控制和无人值守的关键功能。

（3）数据管理功能。针对众多机电装备的不同状态参数，要对生产参数进行记录和存储，需要流水线自动控制系统具有一定的数据管理功能，这借助于第三方数据库管理软件就能实现。

（4）远程调度与监控功能。工业以太网的最大优势是能够依托网络实现远程调度和监控，真正做到无人值守。而要实现远程调度与监控功能，除了工业以太网要具备普通的自动化控制系统的全部功能外，还应当能够和因特网实现无缝对接。将工业自动控制网络处于因特网中，只要输入IP地址，就能够实现对该工业自动控制网络系统的远程访问和调度，从而实现远程调度功能。

2.2系统层次框架设计

基于工业以太网设计及其系统控制功能设计，整个流水线自动控制系统的层次框架设计如下：

（1）传感采集设备。传感采集设备主要由各类传感器和数据采集板卡构成，负责采集需要监测的机电装备运行参数、状态参数及必要的环境参数，确保整个流水线自动控制系统能够稳定可靠运行。

（2）本地PLC站。本地PLC站负责接收传感采集设备传输过来的相关数据，由PLC内部程序进行必要的运算，通过PLC与上位机监控终端之间的网络通信，实现数据的上传与实时显示。这种方案的最大优点在于极大地减轻了上位机的数据处理压力，让数据处理由本地PLC站实现，这一方面能够实现数据的快速运算，另一方面也可提高数据网络传输的可靠性。

（3）网络传输单元。网络传输单元主要由工业以太网及其必要的网络传输、中继设备构成，负责整个系统的顶层与底层之间数据的双向通信和交换。

（4）监控终端。监控终端主要由顶层的具有人机交互功能的终端实现，可以由第三方软件开发实现，也可以借助于专业平台。监控终端除了具有对整个控制系统的监控功能外，同时还具有数据管理和实时控制等功能，以确保整个自动控制系统具有远程调度和无人值守的功能。

（5）控制执行终端。控制执行终端位于系统的底层，主要作用是接收来自顶层的监控终端的控制指令，经过网络传输到控制执行终端，由控制执行终端驱动相关执行器完成预定的控制功能，以实现系统的远程自动控制功能。

3结语

随着工业以太网的逐渐普及与应用，基于计算机网络实现的工业自动化控制系统得到了广泛研究与应用，现代工业自动化控制水平得以不断提高。本文主要从工业以太网自身的网络系统入手，结合流水线自动化工业控制系统的实际需求，探讨了基于工业以太网的远程自动化控制系统设计与实现。这对于进一步推动工业以太网在工业控制系统中的应用具有较好的指导和借鉴意义。

参考文献参考文献：

＼[1＼]康军， 戴冠中.工业以太网远程监控系统设计＼[J＼].计算机工程与设计， 2005， 26（6）： 16331636.

＼[2＼]张其林， 李刚炎， 吴修德.基于工业以太网的DNC通信技术研究＼[J＼]. 机床与液压， 2006（8）： 204206.

＼[3＼]李彬， 麦崇裔， 梁杰申.工业控制网络应用系统集成的设计与开发＼[J＼].计算机应用， 2004， 24（6）： 392393.

＼[4＼]沈青， 桂卫华， 杨铁军.基于工业以太网的实时控制性能分析＼[J＼].计算机工程， 2007， 33 （1）： 233235.

＼[5＼]张应华， 王长丰， 田同体.基于工业以太网的煤矿综合自动化系统设计＼[J＼].煤矿机械， 2013， 34（1）： 256258.

责任编辑（责任编辑：孙娟）