工业以太网在轧钢厂自动控制中的应用

刘金龙

（河钢邯钢大型轧钢厂，河北 邯郸 056003）

0 引言

进入新时代，科技还在飞速发展，促使互联网应用在各领域各行业中，在工业自动化控制中应用促进工业的快速发展。工业自动化控制的主要方式包括计算机的集散控制（DCS）、集中控制（CCS）、总控制（FCS）等，但由于工业需求方面的发展，以上的控制方式的应用出现了一些不足，如网络通信信号不够稳定，自动控制系统难以升级，后续维修及养护消耗大量的人力及物力资源等，所以当前工业自动化控制既能满足工厂需求，也能避免以上传统自动控制在应用中存在的问题。因此进一步研究工业以太网应用在轧钢厂自动化控制的设计十分必要。

1 工业以太网的相关阐述

工业以太网主要设计应用在工业上的，符合国际标准IEEE802.3提供性能可靠、开放、多供应商等区域及单元网络。在控制网络的顶层都已广泛应用工业以太网，且发展逐渐朝着现场层及底层方面拓展。同时工业以太网主要采用的的协议主要是TCP或IP，通过以太网工厂的自动化控制系统就能与企业的外部、内部的因特网与互联网进行连接，同时一系列硬件设备无需配备，就能实时共享管理与控制的网络的信息数据，即“管控一体化”；近年来Internet和Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，可不应用软件，使用IE浏览器可对工业现场控制数据进行访问浏览，这是任何一种现场总线都是无法完成的，其中的交换技术可提供通信稳定的性能。同时以太网比较灵活，原有的设备也可进行发展，其中使用的拓扑网络结构，使得网络的可靠性及稳定性更高。通过无线、有线的电话网或互联网，即可满足以太网交换远程信息数据的需求；通信速率快，10Mbit或100 Mbit/s的以太网已被投入广泛应用，此时1Gb/s以太网技术也已经成熟，而传统的总线速率只达12Mb/s因此，以太网速率相对于传统的来说，可满足工业自动化控制网络更快速率的宽带需求。综上，工业以太网主要有以下特点：（1）以太网和IEEE802．3与IEEE802.3u 兼容，产品在设计及制造中满足工业生产的实际需要。（2）传输速率快，网络最多能承载1023个节点，网络覆盖的范围最大可达150km。（3）较强的抗干扰能力，无论环境多么恶劣的工业现场都可应用，使得被广泛应用于工业领域。（4）供电采用DC24V，冗余连接得以实现。（5）导轨较为标准，更换和安装更为便捷，可随意组合不同的拓扑网络结构。（6）供电采用DC24V，冗余连接得以实现。（7）应用局域网技术，网络被分为几个子网，使得网络的负荷得有有效减轻。（8）故障自动恢复，网络发生交换机故障或断线等重构网络的时间在0.3s以下，同时能够对准确的诊断和纠正网络故障[1]。

2 轧钢厂自动控制系统中应用工业的整体设计

2.1 系统设计遵循的原则

（1）实用：以太网建立的自动加控制系统必须要符合轧钢厂的实际生产需求与管理要求，对于一些控制系统功能升级或线路扩充等要充分考虑，在设计中遵循最重要的原则就是实用。

（2）低成本： 轧钢厂实现自动控制必须在工厂内架设组网，这时组网架设投入的资金成本高，使得在组网设计中要求降低投入成本。低成本针对于轧钢厂来说，除了轧钢厂架设自动化控制系统网络的低成本，主要还有自动化控制系统应用后续的扩容、升级、维护系统等工作中涉及到的成本，也需要降低成本[2]。

（3）组网灵活：轧钢厂实际的生产和运营中涉及到的生产及电气设备的种类繁多，不同类型设备配置的电气规格也不相同，类型多样的电气规格的生产设备接入以太网，为了保证网络的有效性，每台不同的设备必须要接入专用接口模块，使得以太网建立的自动控制在设计中灵活组网是不可缺少的，促使生产设备能够灵活与整个自动化控制网络实现连接。

（4）稳定可靠：轧钢厂生产环境相于来说比较恶劣，一些内部及外部因素都用可能对自动化控制产生影响。同时该网络主要是拓扑结构，故障发生也能很好地更换及维修，因此，工业以太网自动化控制系统的稳定及可靠性能十分必要性，确保能够适应生产环境。

2.2 明确系统功能

根据轧钢厂自动控制对于系统的要求，对于构建的自动控制系统的主要功能包括以下模块：（1）数据收集模块：该模块功能设计的主要目的是实现轧钢厂中的各种类型的生产、电气设备运行的实时监测，主要是工作运行及环境等状态参数，同时还有对生产生指标的功能产生影响的参数进行动态监测。通过传感器收集将进行对监测功能的参数，收集模块将底层信息数据经过太网通信入口传输到工业以太网总网中进而经过其到的最顶层的信息化的管理系统中[3]。（2）数据输送模块：该模块功能实现基于工业以太网，同时需要一些不可缺少的网络数据输送设施设备，才能让数据实现网络输送，主要是底层数据输送到达信息控制系统，信息控制系统远程发出控制命令传输到底层的控制处理器中。（3）运行中生成的数据信息处理模块：主要包括数据的自动生成、存储、浏览及远程控制等，要想实现该模块功能，需要专门为其设计的机组软件，使得底层检测的数据显示图形化、存储及浏览等功能才能实现。（4）人机交互模块：该模块功能主要是使得自动化系统的操作技术人员和系统之间交互的实现，同时让系统使用中对于操作人员发出的远程控制命令等进行很好地做出相关的反应，该模块功能的实现主要是设计交互触摸屏、键盘等工具[4]。

3 轧钢厂应用工业以太网自动控制系统的实现方案

3.1 系统中工业以太网参数确定

确定将工业以太网应用在轧钢厂自动化控制系统中作为介质，确定系统的参数极其重要，主要是其拓扑结构及带宽两方面。（1）工业以太网中的拓扑结构主要是符合轧钢厂自动化控制系统中的功能要求，明确自动化控制中系统采用的网络拓扑结构主要是环型，这种网络结构主要是在网络节点连接主要是终端和末端相连的通信链路形成的闭合环路，这种网络结构具有组网灵活、低成本、系统功能冗余等优势，即使在运行中其中一个环路网络发生瘫痪或过于拥堵，在整个环型网络上的另外网络节点也不会受其影响，因此，确定网络结构为环型[5]。（2）网络带宽的确定，工业以太网从出现发展至今，在不断的发展及升级中从1M带宽逐渐升级为10M、100M甚至是1000M的带宽，1M带宽对于任何领域的应用来说失去价值，而最新发展升级出现的1000M带宽应用架设的组网成本高，结合轧钢厂生产的大型车间环境，及具体应用自动化控制功能中对网速的要求，当前采用流行的100M网络带宽就能够很好地满足该系统控制需求。

3.2 工业以太网下轧钢厂自动控制的实现

（1）信息管理层：该层的主要作用是实现数据的管理，将数据以理想中的形式显示数据或者图像图形，自动储存、查询及结合数据信息进行的报警，远程控制命令的发出等，对轧钢厂所有的生产及电气设备的运行及参数完成远程监测及控制。（2）中间层：该层主要是整个网络的数据传输层，其主要的是工业以太网，其中还有路由器、数据处理传输、现场控制等。中间层的作用是对底层轧钢厂在运行工作中的生产设备与工作的参数完成网络传输，将产生的数据输送到顶层的信息管理层；或者将顶层的信息管理层下达的远程控制命令输送到轧钢厂运行现场控制的设备或节点，完成指定设备的控制[6]。（3）设备控制层：设备控制层需要PLC、单片机控制器与传感器辅助，动态监测生产及电气设备的运行状态参数，同时将产生的数据信息输送到PLC或单片机等控制器对数据进行预处理，最终传送到顶端的信息管理层；这时也要责接对信息管理层发出的远程控制命令进行接收，最终控制器实现对生产设备的控制。

4 工业以太网在自动化控制中的应用建议

4.1 加强实时及确定性

现阶段，以太网在工业的自动化中广泛应用，且重要性较为突出，但在变化发展的通信网络环境下需要对局域网进行完善，加强其实时及确定性。采用交换技术，建立以交换机为介质的系统，实现有效安排数据包，确定传输的顺序；应用系统面对面发送数据，避免发生碰撞，保证网络更加安全稳定。

4.2 加大对工业以太网自动化系统的研发力度

为了让工业实现更高程度的自动化控制，以太网需要在工业生产现场的管控上有所发展，加大对工业自动化系统的研发，使得以太网的实时、稳定及确定性得以提升，研发生产出高端系列产品，以此实现生产现场与办公室的管控一体化。

此外，通过以太网技术加强自动化系统中的组态、控制及数据收集功能，控制对输送任务网络，自动化采集数据，以此提升控制水平。

5 结论

总的来说，结合轧钢厂对自动化控制的应用需求，对工业以太网进行系统的阐述，基于此轧钢厂自动化控制系统设计原则，又对工业以太网在轧钢厂自动化控制系统中的应用提出实现的设计方案，最后以太网在工业自动化控制中很好地应用提出建议，以此提升自动化控制的程度及管理水平，促进现代化工业的蓬勃发展。