工业以太网在PTM上的应用

2019-03-07陈明

有色设备 2019年1期

陈明

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司，辽宁沈阳 110141)

0 引言

随着电解铝车间自动化程度不断提升，管控一体化系统逐渐被应用到生产管理中，管控一体化简称MCI,是一种通过计算机、网络、数据库、自动控制和接口通信等诸多先进技术建立起来的覆盖企业生产管理与基础自动化的综合系统。PTM是电解铝车间最重要的生产辅助设备，为配套管控一体化的整体需求，伴随着整个铝行业的迅猛发展，PTM目前已经逐渐走向智能化、无人化的发展阶段。在智能化高速发展的道路上，工业以太网的应用是具有跨时代意义的，从最初的点对点接线通讯，到后来的现场总线控制，再到工业以太网控制，工业控制领域已经到了以太网时代，各种电器执行元件、监控系统、检测元件都配备以太网通讯接口，方便整个设备级或车间级控制系统的建立。

1 工业以太网

1.1 工业以太网的发展情况

以太网及TCP/IP技术最早被应用在IT领域，并在IT领域获得了巨大的成功，随着计算机技术的发展，以太网逐渐成为IT领域的主流通讯技术，发挥了不可替代的作用。而最近几年，以太网技术开始被应用到工业控制领域，并伴随着工业控制自动化的发展而慢慢发展成熟，其大致发展情况为以下两点：

(1)工业自动化控制领域逐渐从单机控制走向车间级或厂级的整体控制，比较典型的控制系统就是DCS控制系统，车间管控一体化也是比较有代表性的一种。近些年来，工程师们逐渐意识到实现单一设备的集成化智能控制并不能给企业带来好的效益，而将整个车间或企业做为一个整体来控制才能符合当前的发展需求，工业以太网作为良好的通讯方式可以将各个单一的个体联系起来。

(2)车间一线设备，如各种传感器、监控设备等的数据采集及互通是管控一体化系统的基础。为实现例如铝电解车间管控一体化的要求，车间内各运行设备，包括PTM等必须具有实时性。这就要求互通数据的实时性、可靠性及兼容性，工业以太网具备当前工业控制领域的所有需求，必将实现其不可替代的作用。

1.2 工业以太网的优点

(1)安全性。在以往的自动控制系统中，PLC与PLC间、PLC与变频器间等设备通讯大多采取总线通讯方式，如C.net和D.net.等。这种通讯方式很难建立起冗余通讯系统，不能保障硬件与硬件、硬件与软件间的通讯稳定性，一旦通讯发生中断会导致整个控制系统瘫痪。工业以太网可以通过PLC冗余模块或工业交换机等构建冗余系统(环形网络)，具有较好的稳定性，保障系统的正常运行。

(2)协议开放性。在大型的工业控制系统中，一般会包括多种品牌的PLC、变频器等，不同自动化厂家的商品一般会采取其特有的通讯协议，因此以太网之前想采用一种统一的通讯方式几乎是不可能的。工业以太网可以有效的解决工业互联问题，在任何一种控制系统中，以太网可以与设备级网络统一通讯，也可以与厂级网络进行数据交流，最终实现整个大型网络的互联通讯。

(3)延伸性。延伸性(也称拓展性)是考察一种通讯网络的重要依据，工业以太网是一种灵活性极高的网络。在典型的控制系统中(包括PLC、变频器等)，只需要添加相应的以太网模块或以太网选件卡，再对IP进行合理的布局分配，就可以实现厂级的互联通讯。

(4)稳定性。在未来的工业控制领域，稳定性和可靠性将是人们关注的重点，工业以太网最突出的特点就是通讯速率快，一般可达到百兆级，最高可达到千兆级，极大的满足了大数据时代需要的高通讯速率的需求。

2 工业以太网的工作原理

目前工业以太网主流的几种通讯协议包括Modbus TCP/IP、Profinet、Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink，我们选取其中的一种EtherCAT协议简述其工作原理及网络结构。EtherCAT是一种现场总线式的以太网通讯协议，由德国倍福Beckhoff公司开发。主要用于过程数据的传输，包含若干个EtherCAT报文，这些报文工作在一块特定的逻辑映射内存区，发送和接收的数据可以任意编写地址。

EtherCAT通讯协议的OSI模型如图1所示，主要包含三层结构，即物理层、数据链层、应用层。物理层主要指硬件通讯设备，作用是信号的采集并上传；数据链层的主要功能是对数据进行处理并传输，同时对传输的数据进行实时验证，确保传输的数据不失贞；应用层主要是对传输过来的数据进行回应，经过计算后传回物理层，EtherCAT的这种结构非常适合具有多个从站的控制系统，传输速率快。

图1 EtherCAT通讯协议的OSI模型

3 一种典型的工业以太网PTM控制系统

PTM是电解铝车间的主要辅助设备，其全称为铝电解多功能机组，主要负责电解铝车间阳极更换、出铝、加料以及车间内物料的吊运工作，工作范围几乎覆盖了电解车间所有的工作区域，是车间构建管控一体化的重要组成部分。由于工业以太网已经普遍应用到工业控制领域，且管控一体化要求PTM所有的工作信息在办公网络中可查询、可监控，PTM设备使用工业以太网作为主要的通讯方式已经是势在必行了。

铝电解多功能机组的结构主要包括大车、小车、出铝车、液压系统、提升机构等，控制系统一般采取PLC控制，驱动模式包括接触器驱动和变频器驱动。本文介绍的一种典型的工业以太网PTM控制系统采取PLC控制，分为一个主站两个从站，大车、小车等主要机构采取变频器驱动，单台PTM设备配置一个无线电台，所有以上提到的设备均采取以太网进行通讯，根据以上简述的控制系统绘制如下结构简图。

图2 一种典型的PTM以太网控制系统

系统由PLC、变频器、工业电台、交换机、触摸屏及必要的通讯网线组成。PTM是一种复杂庞大的机械设备，执行机构和限位反馈较多，因此需要的IO点的数量比较庞大，所以PLC控制单元划分为三个站，一个主站两个从站，三个站分布在PTM的大梁、检修平台及司机室内，这种布局方便全车电缆的铺设，可节省电缆成本。主站和从站通过以太网通讯，各站点设置不同的IP地址，所有的IO和模拟量数据通过网线进行交换。主站PLC外接一个工业交换机，用于通讯变频器、工业电台、HMI(人机界面)。工业电台用于PTM与PTM间的数据通讯，也可进行PTM与车间中控室的数据交换，车间一体化管理就是通过这个电台来监控天车的运行状态，技术人员也可通过这个电台用手机或笔记本电脑查看PTM的运行数据。HMI全称人机界面，是监控PTM运行的主要设备，天车运行的所有数据均可显示在触摸屏上，包括所有的限位状态、故障信息、变频器运行实时数据等。变频器作为电机的主要驱动装置，通过以太网与PLC进行数据的读写操作，PLC通过网络将运行指令发送给变频器，变频器再将运行状态反馈给PLC。

整个控制系统均通过工业以太网进行通讯，以太网在进行通讯参数设置时十分便捷，一般只需要合理的IP分布就可以，如果网络比较庞大，也可通过子网掩码的设置增加可用IP的数量。图2所示的控制系统结构为典型的环形网络，也称之为冗余系统，环形网络最大的优点在于稳定性强，适合随时移动的PTM设备，当网络中任何一点断开，控制系统依然可正常运行，保障生产正常进行。这种典型以太网通讯系统拓展性强，目前工业以太网大多是开放通讯协议，任何支持以太网的设备均可与之进行通讯，本系统无线电台可与外界进行无线通讯，工业交换机也可用于系统自身的技术升级与设备拓展。因此基于以太网的PTM通讯系统不仅可以满足车间管控一体化的使用需求，也为以后的技术改造升级留下了足够的提升空间。