计算机网络技术在工业控制中的应用
计算机网络技术在工业控制中的应用
we B07221班 20074022135
摘要：计算机网络技术是计算机技术和通信技术这两大技术相结合的产物，它代表着当前计算机系统结构发展的一个重要方向，本文通过对计算机网络技术的深入分析，提及了一个新的概念——系统集成，并通过对该概念的剖析展现计算机网络技术的组成、计算机网络技术的特点，探讨了计算机网络技术在工业控制中的具体应用。
关键词：控制网络；以太网；总线控制；工业控制
The application of computer network technology in industrial control we B07221 20074022135
Abstract: The computer network technology is the combination of computer technology and communication technology , it represents an important direction of current computer system structure , based on the analysis of computer network technology, a new concept --system integration,was proposed. and through the analysis of the concept shows the component and the characteristics of computer network technology.the article discusses the specific application of the computer network technology in industrial control.
Keywords: control network; Ethernet; Bus control; Industrial control
1 引言 随着计算机技术和网络通信技术的发展，传统的工业控制方式也经历着不断的变革，计算机网络系统的应用越来越普遍。自20世纪70年代直接数字控制(ddc)的出现，到随后的计算机集中控制系统(ccs)，集散控制系统(dcs)到目前的现场总线控制系统(fcs)。我们可以看到，工业控制方式由单机控制，转为网络集中控制，进而发展为网络分散控制。通过网络将各类控制器和生产设备有效地联系起来，形成了控制和生产管理的系统集成。这样在提高生产能力和产品质量的同时，可大大减少劳动力，降低生产过程中的风险。
2 计算机网络技术及系统集成 2.1 计算机网络技术定义 计算机网络技术是计算机技术和通信技术这两大技术相结合的产物，它代表着当前计算机系统结构发展的一个重要方向，它的出现引起了人们的高度重视和极大兴趣[3]。
计算机网络在工业控制中将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等连接在一起，以实现工业生产过程中的资源共享、信息管理、过程控制。如果将企业内各生产厂的控制网络连接起来，使企业的生产、管理和经营能够高效率地协调运作，从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境，则为计算机集成制造系统(cims)[2]。 2.2 系统集成的基本概念[5] 系统集成是计算机网络集成、信息和数据集成、控制系统三者有机的结合。在计算机及其相关技术得以迅速发展、普及的今天，已成为提供整体解决方案、提供整套设备、提供全方位服务的代名词，它不仅体现了人们对传统控制方式的不满足和对系统发展的期望，而且还是改善系统性能的重要手段。 2.3 控制网络传输介质和拓扑结构 组成计算机控制网络，必须使信号传输介质按一定的拓扑形式把各种节点连接起来。传输介质是网络中连接各个节点的物理通路，也是通信中传送信息的载体。常用的传输介质有有线传输介质和无线传输介质。有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光纤，工业通讯中常用有线传输介质。无线传输介质包括无线电、微波、卫星、移动通信。 网络拓扑为网络通信线路和节点间的几何排列方式，即节点的互联形式，它表示了网络的整体结构和外貌，同时也反映了各个节点间的结构关系。常见的网络拓扑形式有总线型、环型、星型和树型等[3]。
3 系统集成 3.1 系统集成的基本形式 现有的网络控制系统集成形式主要有两大类，即集散控制系统(dcs)和现场总线控制系统(fcs)。(1) 集散控制系统集计算机网络技术、控制和监视于一身。用于大规模的连续控制系统中，如钢铁、化工、电力等。基本特点： ●由一到三层网络结构(控制网络、生产管理网络和决策管理层)； ●实现生产过程控制和管理； ●从控制站到现场设备之间有大量的信号电缆，设备信号到i/o通道是一对一的物理连接。
●dcs系统按控制规模大小，其系统集成可分为基本级、工厂级和企业级。基本级应用于单条生产线的控制；工厂级应用于厂内多条生产线的协调控制和生产管理；而企业级应用于企业内多个工厂的协调控制和生产管理。这三种系统集成方式见图1(a) (b)、(c)
图1 a) 基本dcs系统结构
图1 b) 工厂级dcs系统结构
图1 c) 企业级dcs(cims)系统结构
(2)现场总线控制系统是在集散控制系统的基础上发展起来的，具有dcs的所有功能，但现场设备信号为数字信号。基本特点： ●由二到四层网络结构(现场总线网络、控制网络、生产管理网络和决策管理层)； ●全数字化控制和管理； ●控制站与各个现场设备的信号连接采用总线，设备信号和检测信号通过现场总线送往控制站。
在系统中控制网络协调各控制器之间的信息传递，并通过操作站将相应的设定值送往控制器； 生产管理网络协调生产线之间的信息传递，并将服务器中数学模型输出值，送往相应的操作站和控制器，实现生产过程最优化生产和管理； 决策管理网络协调企业内工厂之间的信息传递，实现决策分析、计划调度、生产监控、质量管理和安全控制等，实质上它构成了计算机集成制造系统(cims：computer integrated manufacturing system )，它将企业的生产、经营、管理、计划和销售等集成起来，进行统一控制，使企业的生产活动最优化[8]。
图2 现场总线控制系统结构图 图2为现场总线控制系统结构图，比较图1和图2可以看出，fcs是在dcs基础上发展形成的，其现场(底层)信号和设备与控制器的连接采用总线方式， 这样可大大减少系统连线，降低系统故障，实现全数字、开放、双向的通讯网络。 4 系统集成应用案例 4.1 本例以某造纸厂4200/450板纸机生产线控制为例，说明系统集成方案的形成和特点。根据生产工艺要求和现场设备情况，该纸机传动控制系统以西门子s7-400 plc为主控制器，以5个s7-200 plc为辅助控制器，同时配合5个op270操作屏作为系统操作控制面板。在该生产线上共有40个传动点，再加上主从控制plc、操作屏，整个系统的节点数共有50个，因而采用高速通讯网络来实现实时数据交换与控制，用profibus-dp高速总线网络来连接整个传动控制系统，从而保证系统反应迅速，运行可靠。控制系统结构图如图3所示。
图3 板纸机控制系统结构图
通过profibus-dp网和以太网将各类控制设备和监视设备有效地集成，构成板纸机控制系统。该系统有三层，第一层为驱动控制级，变频器上配有profibus-dp通讯板，因此可将变频器与profibus-dp网直接相连，控制40个传动点的电机运行。变频器采用abb公司acs800系列multidrive多传动控制器，并配有闭环控制编码器反馈板，以便组成速度闭环控制系统[6-7]。 系统第二层为控制级，采用主站为西门子s7-400plc，cpu为414-2dp，5个子站为s7-200plc，选用西门子op270操作屏。系统第三层为监控管理层，上位机采用组态软件wincc对系统进行监控。通过工业以太网与qcs上位机、dcs上位机、车间管理级、厂级管理级等联网控制，实现纸机传动控制系统优化控制和自动控制[1]。 在图3中第一层和第二层中均使用了profibus-dp网络，从网络服务对象和作用，以及图2网络功能的划分来看，第一层中profibus-dp网络为现场总线网络，第二层中profibus-dp网络为控制网络，第三层中工业以太网为生产管理网。在系统集成的控制作用下，该实现了速度链结构、负荷分配、压力闭环控制、张力控制及相关辅助连锁控制等工艺控制要求，保证了板纸机生产线稳定可靠高效运行[6-8]。
4.2 本例以某大型火力发电厂运作控制为例。根据功能的不同，将整个辅控系统网络划分为监控层、主控层和现场层三层，监控层配备4台上位监控机和两台SCADA服务器，位于集控室；主控层采用S7系列PLC控制器进行实时过程处理，位于电子设备间；现场层包括安装在现场的远程I/O站以及就地设备。网络拓扑结构如图4所示，该网络属于光纤以太网与现场总线相结合的多层网络，其最高层监控层为10/100兆星形交换式以太网；主控制层为西门子OSM（光交换模块）构成的10/100兆全双工光纤工业以太环网；现场层为PROFIBUS DP现场总线网。 4.2.1 新系统的接入 渣浆泵房、燃油泵房、工业水泵房、净水站、化学加药、＃1机循泵、＃2机循泵、网控等8个系统的原控制功能是由传统继电器实现的，将改造为由西门子S7 PLC实现自动控制。设计时每一个系统需要在就地增加一个远程I/O站，现场的信息，如：压力、流量、温度等送到I/O站的AI/DI卡件中，然后再通过PROFIBUS DP现场总线将采集的过程信息送至电子间相应的PLC控制器； PLC控制器送出控制命令通过现场总线送至远程I/O站中，并通过站中的AO/DO卡输出指令来控制现场的执行机构，如：电动阀门、气动阀、电磁阀等。 4.2.2 老系统的接入 原输煤系统、化水系统、凝水精处理系统、除灰系统、吹灰系统等五个子系统已经实现了PLC自动控制，而且控制功能较完备、可靠，这些系统就地均有各自的CRT操作监控系统，所有的PLC和上位机均挂接在就地各自独立的监控网上。 如图5所示，由于除灰及吹灰系统采用西门子的S7 PLC完成，故可以考虑将其从就地挪至电子间，直接挂到主控制网络层的OSM上，就地只留远程I/O站，并与电子间PLC通过PROFIBUS DP现场总线建立远程通信连接。这样，不仅可以实现集中管理，而且可以最大限度地保留原设备。输煤系统（MODICON的PLC）、化水系统PLC（GE的90-30PLC）、凝结水系统（西门子的S5 PLC）这三个系统采用的PLC与SIEMENS S7系列PLC 不能直接互联，所以采用光缆将其现场数据直接引入集控室上位监控网络层的以太网交换机上。 4.2.3现场层的配置方案 PROFIBUS－DP现场总线为双路（左、右路）冗余设计，在现场I/O站中的每一层机架中都有两个通讯卡（左、右路），每一层机架的所有卡件都分别通过这两个通讯卡挂在两路总线上。每一路总线最后都对应到各自CPU（左路或右路） 的PROFIBUS-DP接口上。图5是一个简单的连接双冗余PLC的现场总线网配置图，图中可以看出双路冗余的PROFIBUS-DP总线一端分别接在冗余的两个PLC上，另一端连着一个个的远程I/O站，正常运行时，一路为主，另一路为从。 4.2.4 主控制层的网络配置
图4机组辅控系统网络配置图
4.2.5网络结构与特点[2-3] 如图4所示，主控制层的网络功能主要是通过西门子的OSM（Optical Switch Module光交换模块），利用光纤将现场控制层的PLC控制器和上位监控层的服务器连接起来，组成全双工100Mbps环形以太网络，从而实现与上位监控网络层的高速通信连接。 该网络具有如下特点： 1)带宽大，传输速度快。整体方案采用全双工100Mbps光纤以太环网，网络实际带宽超过100Mbps。 2)交换式以太网，保证了系统的确定性。对于实时控制来讲，其网络必须是一个确定性的网络。所谓的确定性是要求网络传输的延迟不超过系统所允许的最大值。传统的以太网是基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的介质访问机制，因而本质上不保证传输的确定性。但以太网可通过三种方式获得确定性，一是限制流量，二是使用主-从通信方式，三是采用以太网交换机。本系统采用交换机将整个网络分成多个冲突域，从而消除了冲突，实现了确定性。
3)环形冗余方案，保证了系统的可靠性。过去由于没有其他可供选择的方案，冗余网络大都采用双总线方式实现，但随着以太网和交换技术的发展，冗余环网的建立成为了可能。在同样冗余度的情况下，冗余环网比双总线网减小了风险的集中，并降低了实现成本。如果系统中光纤发生故障，环形结构将在小于0.5s的时间内切换成具有全部传输能力的总线结构。
图5连接双冗余PLC的现场总线网配置图
5 结束语 在社会发展过程中，为满足社会需求的增长，生产企业不断地改进和完善企业生产、管理控制系统，计算机网络技术的发展促进了工业网络系统集成的成熟和完善，系统集成在我国钢铁、化工、汽车等生产制造业的应用，不仅大大地提高了产品质量和产量，同时也提高了企业的生产管理、成本核算等方面的水平，形成了一套科学高效的生产管理系统。
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[8] 王永华. 现场总线技术及应用教程. 北京:机械工业出版社,2007
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