以太網網絡在自動化生產控制的應用

岑國鋒
廣州自來水公司

　　摘要：本文介紹了以太網網絡在自動化生產控制的應用。主要介紹三部分的應用：以太網在自動控制系統(tǒng)的應用、用辦公以太網網絡傳遞生產監(jiān)控數據和用以太網實現生產報表自動化。
　　關鍵詞：以太網；三層體系機構；RSLinx；自動報表

Abstract：This paper set forths the applications of the ethernet network in automatic produce control.Mostly set forths three patr of the applications: the applications of the ethernet network in automatic system;transfer the watch and control date of produce by official ethernet network; carry out automatic product report forms by ethernet network.
Keywords：ethernet network;the system framework of three layer; Fuzzy prediction; RSLinx; automatic report forms
　　
一、 引言

　　現代企業(yè)的信息化系統(tǒng)由三部分組成：
　　處于最上層的ERP(企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)、處于中間層的MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))、處于最底層的PCS(過程控制系統(tǒng))。其中，ERP主要根據企業(yè)的人、財、物各種資源的狀況和產、供、銷各個環(huán)節(jié)的信息，對生產進行合理有效的計劃、組織，使生產經營活動協(xié)調有序地進行，并對企業(yè)的戰(zhàn)略計劃進行決策。MES則根據ERP系統(tǒng)下達的合同計劃，通過生產調度、生產統(tǒng)計、成本控制、物料平衡和能源管理過程組織生產，并將信息加以采集、傳遞和加工處理，及時呈報ERP系統(tǒng)。PCS系統(tǒng)主要完成底層設備單機控制、連續(xù)控制、通信聯(lián)網、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現場設備生產、運行數據的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現場設備高質量完成生產任務，并將現場設備生產及運行數據信息傳送到工廠管理層，向工廠級MIS系統(tǒng)數據庫提供數據。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執(zhí)行之。因此，過程控制系統(tǒng)是實現工廠自動化及企業(yè)信息化的基礎。
　　近年來，自動化技術發(fā)展使人們認識到，單純提高生產設備單機自動化水平，并不一定能給整個企業(yè)帶來好的效益；因此，企業(yè)給自動化技術提出的進一步要求是：將整個工廠作為一個系統(tǒng)實現其自動化，目標是實現企業(yè)的最佳經濟效益；這即要求應用數字通信技術實現工廠信息縱向的透明通信。

二、 以太網在自動控制系統(tǒng)的應用

2.1 自動化網絡三層體系機構
　　現在自動化領域上一般采用三層網絡結構，即設備層、控制層和信息層的體系。在這個體系中，數據可以雙向流通、層與層之間可以交換數據，對某一具體應用可以選擇其中某層或某幾層，而且每層之間可能存在層疊。我們的目的就是，采用一個開放的、扁平的、滿足高性能系統(tǒng)需求的、降低整體系統(tǒng)費用的（包括提高網絡 /設備診斷能力、減少接線、安裝、系統(tǒng)調試時間，提高糾錯能力）的網絡體系，如圖1所示。

圖 1 自動化網絡三層體系機構

　　三層網絡體系的特點是：
　　1.從底層到高層全部是開放的 不需許可證，不用注冊，沒有任何限制
　　2.對任何人都是可用的技術 產品的可靠的互操作性
　　3.扁平結構 以最少層次的網絡支持 可從高層對以下各層的產品組態(tài)及監(jiān)測
　　4.所有層之間的完全橋接 層之間通過網橋 /網關連接
　　5.對設備可有增強的診斷能力 將控制分散到整個體系
　　6.對每個特有的層只需關注一些關鍵的功能，例如：
　　i. 信息層 ：使用以太網（ Ethernet），它是一個開放的，全球公認的用于信息層互聯(lián)的事實標準。
　　這一層網絡關注的焦點：高速報文傳送和高容量數據共享
　　ii. 控制層（例如，使用ControlNet） 此層網絡要求是：支持 I/O信息，報文的傳輸和診斷功能 開放性技術 能夠設置信息的優(yōu)先級 一定能用到的帶寬 支持高數據的節(jié)點數 支持多主機、廣播式和對等 (Peer-to-Peer) 的通訊方式
　　此層網絡關注焦點：高速 I/O信息和報文的傳送 有效地數據共享定性和可重復性 (Determinism &Repeatability)
　　iii. 設備層：（例如，用DeviceNet網） 有類似于控制層的要求，但更強調降低安裝費用、系統(tǒng)調試時間。
2.2 以太網在現場總線的應用
　　以太網屬國際標準，現已廣泛用于程序維護、向MIS和MES系統(tǒng)傳遞工廠數據、監(jiān)控、連接人機界面、記錄事件和告警。以太網工業(yè)協(xié)議(Ethernet IP)作為信息網絡，為上層網絡計算機系統(tǒng)提供讀取工廠數據的途徑，并提供可編程設備支持(PDS)。
　　從用戶的觀點來看，以太網的最大的優(yōu)點就是，它是基于開放的標準，特點是為所有的PC共享。通過選擇以太網和以太網產品，用戶就不必再擔心被產品制造商的特有協(xié)議結構所綁定。這就充分的簡化了用戶的任務，因為許多不同類型的設備可以簡單的把它們插入到相同的以太網LAN就可以實現相互連接。另外，以太網再辦公環(huán)境中已經普遍使用，并且提供了許多有用的服務，如：e-mail, FTP和 web瀏覽，這些都為用戶所熟悉。將這些服務應用到工業(yè)控制網絡，讓客戶處于領先地位，因為他們不需要花費更多的時間來學習新的應用技術。這同樣意味著，培訓費用將會減少，開發(fā)時間將會加快，因為系統(tǒng)開發(fā)者已經對以太網應用軟件的開發(fā)已經很熟悉了。
2.3 劉屋洲取水泵站的無線以太網
　　廣州市自來水公司的劉屋洲取水泵站建在東江下游的劉屋洲島上，四面環(huán)水，與西洲水廠相隔幾公里遠。為了生產調度的需要，劉屋洲取水泵站的PLC系統(tǒng)必須與西洲水廠以及新塘水廠的PLC系統(tǒng)通信，但卻沒有過江的通信電纜與外部聯(lián)系。因此劉屋洲取水泵站通過微波通信與西洲水廠和新塘水廠組成無線以太網網絡。這個無線以太網實現兩大功能，一是PLC系統(tǒng)之間的工業(yè)以太網通信，用于傳送實時生產數據，二是生產調度通訊，用于傳送生產監(jiān)控圖像和IP電話數據。在西洲水廠不但可以詳細了解劉屋洲取水泵站的實時生產數據，而且可以收到劉屋洲取水泵站的實時圖像。西洲水廠值班人員還可以與新塘水廠和劉屋洲取水泵站的值班人員利用IP電話進行通話，傳達生產調度的命令。這個無線以太網的網絡結構如圖2所示。

圖2　劉屋洲取水泵站無線以太網網絡圖

二、用辦公以太網網絡傳遞生產監(jiān)控數據

3.1 RSLinx通信軟件的網關功能
　　 RsLinx軟件4中版本：分別是 RsLinx lite,RsLinx single node,RsLinx Professional,RsLinx Gateway，其實它們全一樣,安裝不同的授權就變成了不同的版本.
　　 RsLinx lite是免費的,它的主要功能就是PLC的編程和硬件的組態(tài)。
　　 RsLinx Professional是最為廣泛使用的,它包含了OPC和DDE的功能以及PLC和其它設備數據查看的功能。
　　 RsLinx Gateway是最功能最完全的版本,它支持Remote OPC和網關功能,就是說你可以把一臺安裝有RSLINX的計算機當作一個網關從而訪問到你的PLC的必備軟件。
　　 西洲水廠建有在中控室和辦公大樓之間的光纖網絡，主要是組成廠內的辦公網絡，傳遞生產報表數據和生產記錄數據等。西洲水廠通過使用RsLinx Gateway，把一臺安裝有RSLINX的中控室的監(jiān)控計算機當作一個網關，從而在辦公樓的計算機也可以直接讀取廠內PLC系統(tǒng)的實時數據。這樣，中控室和辦公大樓之間就不用再建設PLC網絡，節(jié)省網絡建設費用和PLC網絡接口卡的購買費用，大大節(jié)約了成本。同時，因為光纖的防雷效果佳，維護費用小，所以也節(jié)約了PLC網絡的維護費用。
3.2 RSLinx通信軟件簡介
　　 羅克威爾公司的RSLinx軟件是在Microsoft Win98、Win2000以及WinXP操作系統(tǒng)下建立工廠所有通信方案的工具。它為A-B的可編程控制器與各種Rockwell Software及A-B應用軟件，如RSLogix5/500、RSLogix5000、RSView32、RSViewSE等然間之間建立通信聯(lián)系。下面介紹一下RSLinx界面元件組成和主要功能。
　　 當啟動RSLinx后，Rockwell Software RSLinx應用程序窗口出現。應用程序窗口包括標題欄、菜單欄、工具欄、以子窗口打開的應用程序工作區(qū)(RSWho、診斷等)以及一個狀態(tài)欄，如圖3所示。

圖3 RSLinx通信軟件界面

1、標題欄
　　除顯示軟件名稱外，標題欄還包括控制菜單、最大化、最小化以及關閉程序控制，其符號與功能與Windows定義相同。
　　2、菜單欄
　　File菜單完成創(chuàng)建與打開RSLinx項目；Edit菜單完成拷貝DDE鏈到剪切板；View菜單完成設置與改變Rslinx界面顯示，打開Event Viewer，選擇RSWho觀察器；Communications組態(tài)驅動程序、主題及其它RSLinx選項，查看驅動程序、DDE及其它客戶應用程序的診斷；Station執(zhí)行診斷計數器功能以及查看SLC Data Monitor；DDE組態(tài)DDE/OPC主題以及查看事件與診斷信息；Window及Help與Windows一樣。
　　3、工具欄
　　第一個：用于打開、刪除或創(chuàng)建一個新的DDE項目。DDE項目包括一個或多個DDE主題，用戶可以在此同時建立一組主題。
　　第二個：顯示處理器通信網絡上所有用的/活動的站點。
　　第三個：用于設置RSLinx與處理器之間的通信。
　　第四個：激活驅動程序診斷窗。
　　第五、第六為建立DDE相關文件的工具。分別為組態(tài)主題、拷貝一個DDE鏈到剪切板使RSLinx作為DDE的服務器。
　　3.3 RSLinx使用詳解
　　1、網關設置
　　選擇Communications菜單中的Configure Gateway，得到界面如圖4所示。

圖4 網關配置界面

　　 選定“Eanble RSLinx Gateway“，按“應用”按鈕，再按“確定”按鈕完成設置。
　　 2、配置遠程訪問驅動器
　　 選擇Communications菜單中的Configure Drivers，得到界面如圖5所示。

圖5 驅動器配置界面

　　 從“有效驅動器類型”的下拉列表框中選擇你想要的類型，對于不同的通訊協(xié)議，有不同的選項，添加RSLINX的為遠程訪問，要選擇“Remote Device via Linx Gateway”項，然后按右邊的“ADD NEW”。如果上圖下部分列出的有你想要的類型，就不用再新增加，這是你可以選擇其中的一項，然后按右邊的“Configure”按鈕，重新對它進行配置。這兩種方法都可以得到如圖5所示的界面。

圖5 驅動器參數設置

　　 其中的參數為：Server’s IP Address or：網關計算機的IP地址；Server Name：網關計算機的名稱；Remote diver name：網關驅動器名稱。按設定的要求選擇就可以配置好遠程驅動了。
　　 3、查看網絡
　　 關閉配置窗口，回到RSLinx啟動界面，選擇Communications菜單中的RSwho，得到如圖5的界面：

圖5系統(tǒng)設備運行情況

　　左邊的樹視圖顯示的是已經配置的所有的驅動器，右邊顯示的是對應左邊驅動器協(xié)議上所連接的所有控制器，圖表下顯示的數字是表示控制器的節(jié)點號，圖表中若有打紅叉表示此控制器系統(tǒng)沒有檢測到，可能是接線有問題或者差節(jié)點號的控制器已經不存在。需要具體情況具體考慮和檢查。
　　如控制器顯示正常，就可以在監(jiān)控界面讀取實時的生產數據了。
　　
三、用以太網實現生產報表自動化

　　西洲水廠的生產監(jiān)控系統(tǒng)運行已有九年多了，運行穩(wěn)定平穩(wěn)，能采集到全部分的生產數據。在開廠初期由于生產監(jiān)控系統(tǒng)沒有合適的生產報表的功能模塊，所以值班人員只能手工從電腦屏幕中抄回數據填入報表。這樣不僅白白浪費了大部分的數據資源，自動系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能優(yōu)勢也未能充分發(fā)揮。同時，廠內也有完善的辦公以太網網絡，并且在以太網上也能讀取實時生產數據。，我開發(fā)了一套實時自動報表系統(tǒng)。
　　生產監(jiān)控系統(tǒng)所采集的所有數據，是通過大量的現場傳感器、儀表等器件，以模擬量或數字量的方式傳送至 PLC系統(tǒng)的輸入端口，再經過 PLC5處理器，最后通過DH+網絡存儲到相應的工作子站監(jiān)控終端計算機硬盤特定目錄中。
　　報表系統(tǒng)的數據庫源于生產監(jiān)控系統(tǒng)歷史數據記錄程序。由于監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件為基于Windows 2000的RSView32平臺，原始數據中因RSView32平臺停止運行或故障時會產生數據缺損或無效數據等，因此我用中控室兩臺監(jiān)控計算機同時記錄，重新編寫了一個專門的數據處理程序，對原始數據進行過濾和整理，本機有缺損數據時通過網絡讀取另外一臺機的數據來補全，并用特定的格式存儲在指定的目錄中，從而確保了原始數據采集均在每個正點和半點進行。當數據積累到一定的程度，將通過辦公以太網網絡系統(tǒng)轉存到光盤中作長期保存。
　　自動報表系統(tǒng)提供了良好的操作界面，實現數據查詢、報表打印、報表瀏覽、數據分析和統(tǒng)計等功能。使用者無需專門培訓即可進行操作。
　　啟動報表系統(tǒng)后，使用者可自由選擇是生成當天的報表還是查詢?yōu)g覽報表。輸入所需報表的日期，系統(tǒng)就會自動地在其數據庫中取數計算，并在屏幕上顯示相應的報表。在檢查時如果發(fā)現有錯，則可以直接在屏幕中修改。然后可以選擇報表再生成或者直接結束。結束時，系統(tǒng)會自動存儲所打開的報表，并將數據傳遞給公司調度室。以后再有查詢同一日期的報表，系統(tǒng)就會直接調用而無需重新計算了。
　　當需要作總結性的生產報表時，只要使用者輸入日期的范圍，系統(tǒng)就會根據存儲的日結報表數據，按照要求生成相應的生產報表。如果要分析和比較數據或作出各種統(tǒng)計，則系統(tǒng)可以提供豐富的工具，使之能在短時間內就能生成各式的圖表和曲線。
　　自動報表是實時地記錄各項生產數據，故很大程度上減小了各種人為的誤差，增加了報表的準確性，從而為生產方面和管理方面的各項分析提供了可靠的數據。
　　自動報表的數據是在計算機里面，使得對報表的查詢、分析變得非常容易和迅速，尤其是查詢和分析的工具和手段豐富多彩，數據的利用率及潛在價值大為提高。數據的存儲空間大大縮小，保存的可靠性大大提高。
　　打印機打印的自動報表比手工抄寫的報表美觀整齊得多，便于存儲和匯報。
　　管理人員和技術人員可以通過本廠辦公以太網網絡共享報表系統(tǒng)數據，隨時查詢所需生產數據，不必逐頁去翻看報表。

參考文獻

1、宋德玉； 可編程控制器原理及應用系統(tǒng)設計技術[M]；冶金工業(yè)出版社 1999.7
2、邱公偉；可編程控制器網絡通訊及[M]；清華大學出版社；2000.3
3、ControlNet系統(tǒng)概述；羅克韋爾公司；Publication CNET-SO001A-ZH June 2003