基工业控制网络系统集成与数据交换应用设计研究

黄海艇 徐东 刘典勇 陈洎 许振乾

摘要：就“信息孤岛”现象所造成的有一定价值性的数据信息出现流失与沉淀的结果，文章基于工业控制网络系统集成与数据交换应用设计展开了相关的研究。在对工业控制系统进行介绍的基础上，以ADAM为例，展开分布式的模拟化监控体系研究。阐述该系统的大体情况，包括实验室提供电源监控体系以及远程信息搜集和掌控模拟化体系。分析该体系构造的设计和硬件的匹配情况，分别分析RS-485的规定和AD-AM的网状式构造状况，研究核心硬件设备及其型号的选择，指出工业控制系统集成的发展走向。

关键词：工业控制，网络系统集成，数据交换，应用设计

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0095-05

工业控制系统（简称工控系统）是有机的集合体，它包括数个分体系。如果要能够尽可能地凸显出该体系的效能，应须对各个分体系展开系统的集成处理。系统集成（System Integration，简称SI）實质上就统筹设置方面而言，属于性能最优化了的一种技术层面的行为，其经由结构化了的综合式的布线与计算机的互联网技术加以联系。将多个处于分离状态的体系（主要是各个工控的分体系）、智能化设施以及体系数据对应的信息集成至单个互相存在着联系与统一化协调的体系平台内，目的在于达到充分地分享数据化信息资源的目的，从而达到便捷化、集中化与高效性的管理效果[1]。系统集成一般采纳的技术包括软件界面、功能集成与网络集成等，其关键之处在于化解体系内部的相互关联以及互相操控的问题，其需要化解各种设施与分体系内部的协议、接口、运用软件以及系统平台等和全部体系有关的全部面向于集成方面的难题。本论文针对工业控制系统内所涉及到的集成与数据交换应用设计展开探讨。

1工业控制系统介绍

信息科技呈现出迅猛发展的态势，由于普及程度较广，从而在很大程度上对社会的生产和生活的运行情况及其效率发生了极为明显的影响，同时也让各大公司面临着新一轮发展的契机。信息化的格局下，也进一步地加速全球经济一体化的进程。当我国成为WTO成员之后，全球经济竞争程度也更为白热化，不砂公司的生存处于边缘化的处境。民众出于追逐更为可观的经济实效目的，对于具体的生产流程也提出了更高的高效性、安全性、优质性以及低能耗的相关要求。现代化大工业的生产方式也逐步地过渡至智能化与信息化的新阶段，是加强公司市场竞争综合实力的核心保证。信息交流的范围正快速地由企业的现场设施覆盖至管控的各个领域，包括企业、工段、工厂以及车间甚至是国际各个地区的市场。建构起新式的管控整合化的开放式工业控制体系，可谓对现代化公司所提出的新时代要求，亦为信息发展流程的产物。

通信与网络技术的问世，可以被视作分散掌控体系产生的关键性特点，当下，以互联网技术、现场总线、开放式技术以及数据库技术等为代表的工业通信互联网以及系统集成相关的技术，亦加速着工业控制体系往综合智能化的方向前进，加速工业公司往信息化的方向发展。工业控制通信网络与系统集成相关的技术，通常被视作公司综合信息化和智能化的前提条件，是公司达到集成智能化、流程优化、掌控领先、生产管理高效目标的技术性保障，对于工业智能化的发展发挥着不可小觑的功能。

就集散控制系统分布式控制系统（即DCS）方面而言，引入了计算机互联网技术。由于在工业控制系统中引入了该技术，从而引发了控制体系的一系列改革。工业网络控制体系是计算机通信技术和控制技术二者发展与融合的结果，工业以太网、DCS以及现场总线控制体系均归属为网络控制体系。它凸显出流程掌控体系往集成化、网络化、分布化以及智能化的趋向发展。相关技术的发展程度直接地对工业控制技术的前进起到重要的影响門。不管是DCS抑或是现场总线掌控体系，均构建于互联网技术的前提之上。因而，人和机器之间的交互以及控制和通信等课题被视作现代化控制论的中心。

2基于ADAM展开分布式的模拟化监控体系研究

2.1系统的主要情况设计

2.1.1电源的监督控制体系设计

工业控制的智能化基础条件是提供必要的电力资源，相应的配电体系是其中核心的构成部分，它对于如何有效性地配置电力资源起到重要的作用。同时，它所面向的用户为使用电能的工作者。它最为主要的功能在于使得用电尽可能地远离危险。在提供电源的同时，监督和掌控提供电源的体系，亦为工业智能化体系和楼宇自动控制体系的一个重要环节[4]。实验室将提供电源体系当作背景，构建起根据ADAM所展开的提供电源的模拟化监控体系。本论文以此为例，展开工业控制网络系统集成与数据交换应用设计的具体分析。

本次实验所设计的配电柜电源电能规格为低压型，且主要经由户外的变压器设备引进的是三相式电源，它的主要功能在于替实验室中的一系列设施比如监督控制体系、计算机、照明、监督控制以及空调等诸多设备供应必要的能源！。根据本次实验的目标以及相应环境等指标，所展开的监督控制体系设计主要需要完成的功能包括以下的3个部分：①监督控制进线和出路回路对应开关的情况;②对三相式电压、电流以及功率相关的数值加以检测;③就用电设施相应的一系列主要的用电指标的数值进行测试。

系统测试控制的原理图示可参见上图1。上述测控点的信号源自于现场的所涉及到的上述3个指标，同时也联系到电动的操控设备，其中，测试控制的点数可以展开如下步骤的统计。①模拟量的输人和输出（统共15点）主要测试的指标包括如下的几类：配电.相关设备的常规型一系列指标（电压、电流、频率、功率因数、有功/无功功率、控制数据）及其输出的相关数据（变信号1与变信号2）。②数字量相关的输入、输出（统共6点）与配电断路器相关的掌控（闭合/断开掌控以及状况反馈）、变频器处电源掌控（闭合/断开掌控以及状况反馈）。

2.1.2远程信息搜集和掌控模拟化体系

出于对工业掌控体系内信息远程搜集和掌控的目的，将实验室内环境温度监测为背景，建立起远程数据搜集和掌控的模拟体系。用热电阻传感器来测试实验室内部的温度，经由ADAM4000板块搜集热电阻的相关数据，通过RS-485互联网和上位机进行数据的交换处理。再者，对其他的模拟量与数字量AD-AM4000板块展开有关试验的探讨。本次试验所关涉到的主要功能指标涉及到以下的2点：①对实验室环境的温度进行监督和控制;②对现场的数字量所相应的节点状况进行监视。

2.2设计体系的构造以及对硬件的配置

2.2.1设计体系的构造

本试验设计时主要的依据是RS485总线以及ADAM相关的模板，把低压类型的配电体系与实验室内的环境温度监督和测试当作背景，从而构建起分布式的信息监督控制和掌控模拟体系，该体系整体性构造可参见下图2所示。

上述的计算机所采取的是工控机（其本身附带RS232相关总线的接口），并安置了组态的相关软件以及与ADAM的模板相配置的软件，对应规格为AD-AM-4520RS232/RS485的轉换器把则将相关的设备接入至到RS485的相关设备之中。而现场的设施经由ADAM-5000所对应的信息进行信息的输进或输出，而ADAM-4000所对应的板块则接入至RS485的内部，从而和相关的设备进行通信[7]。通过以上的一系列处理，目的在于使得现场的设施和工控机监督控制计算机内部互相通信并联系的目的。

基于测试控制点数和相应模拟试验所提出的规格，针对提供电源体系挑选使用2台ADAM-5056D规格体系，依次配置ADAM-5017、ADAM-5024、ADAM-5051D、ADAM-5056D等1/O板块。再者，挑选使用数若千台ADAM-4000规格的板块，主要将其应用在分布式的信息搜集和掌控试验中运用。

2.2.2RS-485的规定和ADAM的网状式构造

1）RS-485的规定

RS485通常在工业控制领域内是最为常见的一种具有通信功能的接口，其所采纳的是平衡型的传送模式，同时采用差分型的接收方式进行总线传递，可以达到数点与双向式信号的传递目的心。RS-485所采用的通信渠道为半双式以及全双工2类。它具有优质的性能，组网比较地简易化，通常广泛地运用于集中式控制以及分布式的控制体系内。

RS-485传递的最大距离大概是1220m，传递速度的max值是10Mbps。根据本实验的研究可知，平衡式双绞线在长度与传输的速率指标之间存在着反比例的规律。同时，通过实验检测后发现，若速率数值不足100kbps的时候，才可以使得电缆的长度处于max值。同时，仅仅当间距不长时才可以使得传递的速度最快。通常不足100m的长双绞线的最大传递速度只有1Mbps。RS-485所应匹配的终端电阻数量为2个，它的阻值一般和传递电缆特性的阻抗数值相匹配！。如果间距较短，那么在传递时则不需要终端电阻设备，也就是通常不足300m时，无需配置电阻设备，一般在传递总线的两端处接上电阻设备。

2）ADAM的网状式构造

RS-485-般可以在ADAM环境中进行传递，单台或是数台监督控制计算机能够与数台ADAM联合RS-485整合为数工设备的网状式构造。ADAM模块处在基本上隔离的状态，通过双绞线（即DATA+联合DATA-）即能够进行传递信息。不同的节点加以并行式相连，从而它们的功能不会受到某个节点处于闭合或是断开状态的消极影响。ADAM进行组网的过程中，使用的结构通常是级联为主，星形式其次，而互联网所允许的能够寻觅地网址的ADAM板块个量为256，每一段所能够相连的AMAM个数为32。如果要递增传递的间距或者是网络状的拓扑要求时，则须采纳ADAM-4510中继器[10]ADAM-4000与ADAM-5000二者混合式运用的网状式构造可具体参见下图3所示。

2.2.3关键硬件设施的型号选择简介

1）工控计算机

监控站计算机所采纳的是“研华”型工控机IPC610Pentium IV，基础的配置规格为CPU2.8CHz/512M，其内存为80G的硬盘，和运作组态软件以及编程软件的相关要求相吻合，性能比较地可靠，可以在较长的时间中即使是处于不利的状态时，亦能够维持正常的运作状态。

2）ADAM4520

此硬件设施归为不同模块内部的转变，可以把RS-232的相关信息转变为RS-485信息，达到2个ADAM-5000体系经由RS-485网状式和监督控制计算机通信的目标。

3）ADAM-5000体系

该体系属于信息搜集与控制体系，其可以经由数个途径的I0板块展开信息的控制、监督与搜集工作。其外壳属于较为坚固态的工业等级塑料。体系的主要组成部分如下：电源板和CPU板各1个、RS232/485以及4槽或8槽的底座等。CPU在整个体系中处于核心的地位，其任务在于实现ADAM-5000体系的一系列基本功能。该体系可以提供自动化数据的调控功能、模拟量I/0、数字量I/O、RS-232以及RS-485通信。ADAM-5000/485所包括的插槽数量为4个，支持1/0板块的数量为4个。其中，I/O板块所能够支持的功能类型包括DI/DOIAIAO/Counter等。该系列能够经由ADAM-4000-5000Utility展开匹配与检测，提供DLL的相关函数库，目的在于为用户进行编程时调用。同时，提供OPCServer，目的在于应用在与其他的软件展开整合式运用。

2.2.4硬件设备和组态的安置

1）硬件设备的安置和最初状态设备的安置

硬件设备的安置不单单包括各类模块，同时还应配置+24V规格的电源设备，串口为直连线和RS-485规格的双绞线，另外，须根据相关的要求展开接地式的相连。若通讯的间距比较遥远之际，须于RS-485的通讯线处的首尾处将终端的电阻设备加以并联处理。图4所表示的是ADAM的网状形态和若千电源接线的示意图。

在安置且接线好硬件设备之后，就各个ADAM板块，同时还须设置好具体的网址，ADAM-5000网址经由DIP的开关进行8桢数据的设置，相应的网址发生有效的范畴处于0～255（00H～FFH），开关处在ON方位时属于二进制1，而处于OFF方位时等于0。ADAM-4000地址采纳的是专用型工具软件加以安置。

接着，使用的程序为ADAM4000/5000Setup/Utility Program。当处在INIT*情况时，匹配的参量主要是ADAM相應的网址、输入/输出的范畴、波特率以及协议。

亚当板块通电以后，INIT*端子与GND端子进行短接时的板块命名为INIT*状态。其缺省值分别如下：波特率：9600;网址：00H;校验和：无。具体设置的匹配页面可参见下图5所示。

2）I/O的接线分析

本论文将ADAM-5017中的8通道输人的模拟量板块作为例子，推介10的接线和网址的配置情况，具体可参见下图6所示。

3结语

在智能化技术迅猛发展的背景下，智能化软件和硬件设施的类型越来越为多元化，更新的周期也越来越短。借助于ADAM等新型技术所展开的规范化产品能够达到工业控制网络集成以及数据交互运用，从而使得现场的工业控制设备达到当场插和使用的目标，也能够使得配备ADAM技术的软件和硬件设备产品显现出实际的工程运用效果。

参考文献

[1]刘杰.工业生产中PLC控制网络设计与研究[J].数码世界，2019（3）：33-34.

[2]高锐强，朱虹，贾立东，等.基于SSL安全协议实现工业控制通讯协议加密及认证的研究[J].化工设计通讯，2019（01）：121-123.

[3]陈瑞滢，陈泽茂，王浩.工业控制系统安全监控协议的设计与优化研究J].信息网络安全，2019（02）：60-69.

[4]黄俊杰，汪涛，王文烁，等.基于嵌入式的工业多信息网络交换系统设计[J]，仪表技术与传感器，2019（06）：123-126.

[5]刘海燕，马振涛.基于IFSF协议的通信系统的研究与实现[J].大众科技，2019（03）：9-10+39.

[6]郑魁敬，廉磊，郝任义.工业生产线集成控制与虚拟调试研究[J].制造技术与机床，2019（03）：128-135.

[7]陆耿虹，冯冬芹.基于粒子滤波的工业控制网络态势感知建模[J].自动化学报，2018（08）：1405-1412.

[8]张慧明.工业控制网络安全脆弱性分析技术研究[J].电子测试，2018（18）：75+80.

[9]柏东明，曾丽花，冯梅，等.工业控制网络安全防护探究[J].信息系统工程，2019（04）：150-151+153.

[10]陈亚亮，杨海军，姚钦锋，等.工业控制系统网络安全防护体系研究[J].信息网络安全，2013（10）：57-59.