以太网网络在自动化生产控制的应用

以太网网络在自动化生产控制的应用

岑国锋
广州自来水公司

　　摘要：本文介绍了以太网网络在自动化生产控制的应用。主要介绍三部分的应用：以太网在自动控制系统的应用、用办公以太网网络传递生产监控数据和用以太网实现生产报表自动化。
　　关键词：以太网；三层体系机构；RSLinx；自动报表

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

　　现代企业的信息化系统由三部分组成：
　　处于最上层的ERP(企业资源计划)系统、处于中间层的MES(制造执行系统)、处于最底层的PCS(过程控制系统)。其中，ERP主要根据企业的人、财、物各种资源的状况和产、供、销各个环节的信息，对生产进行合理有效的计划、组织，使生产经营活动协调有序地进行，并对企业的战略计划进行决策。MES则根据ERP系统下达的合同计划，通过生产调度、生产统计、成本控制、物料平衡和能源管理过程组织生产，并将信息加以采集、传递和加工处理，及时呈报ERP系统。PCS系统主要完成底层设备单机控制、连续控制、通信联网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，过程控制系统是实现工厂自动化及企业信息化的基础。
　　近年来，自动化技术发展使人们认识到，单纯提高生产设备单机自动化水平，并不一定能给整个企业带来好的效益；因此，企业给自动化技术提出的进一步要求是：将整个工厂作为一个系统实现其自动化，目标是实现企业的最佳经济效益；这即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。

二、 以太网在自动控制系统的应用

2.1 自动化网络三层体系机构
　　现在自动化领域上一般采用三层网络结构，即设备层、控制层和信息层的体系。在这个体系中，数据可以双向流通、层与层之间可以交换数据，对某一具体应用可以选择其中某层或某几层，而且每层之间可能存在层叠。我们的目的就是，采用一个开放的、扁平的、满足高性能系统需求的、降低整体系统费用的（包括提高网络 /设备诊断能力、减少接线、安装、系统调试时间，提高纠错能力）的网络体系，如图1所示。

图 1 自动化网络三层体系机构

　　三层网络体系的特点是：
　　1.从底层到高层全部是开放的 不需许可证，不用注册，没有任何限制
　　2.对任何人都是可用的技术 产品的可靠的互操作性
　　3.扁平结构 以最少层次的网络支持 可从高层对以下各层的产品组态及监测
　　4.所有层之间的完全桥接 层之间通过网桥 /网关连接
　　5.对设备可有增强的诊断能力 将控制分散到整个体系
　　6.对每个特有的层只需关注一些关键的功能，例如：
　　i. 信息层 ：使用以太网（ Ethernet），它是一个开放的，全球公认的用于信息层互联的事实标准。
　　这一层网络关注的焦点：高速报文传送和高容量数据共享
　　ii. 控制层（例如，使用ControlNet） 此层网络要求是：支持 I/O信息，报文的传输和诊断功能 开放性技术 能够设置信息的优先级 一定能用到的带宽 支持高数据的节点数 支持多主机、广播式和对等 (Peer-to-Peer) 的通讯方式
　　此层网络关注焦点：高速 I/O信息和报文的传送 有效地数据共享定性和可重复性 (Determinism &Repeatability)
　　iii. 设备层：（例如，用DeviceNet网） 有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间。
2.2 以太网在现场总线的应用
　　以太网属国际标准，现已广泛用于程序维护、向MIS和MES系统传递工厂数据、监控、连接人机界面、记录事件和告警。以太网工业协议(Ethernet IP)作为信息网络，为上层网络计算机系统提供读取工厂数据的途径，并提供可编程设备支持(PDS)。
　　从用户的观点来看，以太网的最大的优点就是，它是基于开放的标准，特点是为所有的PC共享。通过选择以太网和以太网产品，用户就不必再担心被产品制造商的特有协议结构所绑定。这就充分的简化了用户的任务，因为许多不同类型的设备可以简单的把它们插入到相同的以太网LAN就可以实现相互连接。另外，以太网再办公环境中已经普遍使用，并且提供了许多有用的服务，如：e-mail, FTP和 web浏览，这些都为用户所熟悉。将这些服务应用到工业控制网络，让客户处于领先地位，因为他们不需要花费更多的时间来学习新的应用技术。这同样意味着，培训费用将会减少，开发时间将会加快，因为系统开发者已经对以太网应用软件的开发已经很熟悉了。
2.3 刘屋洲取水泵站的无线以太网
　　广州市自来水公司的刘屋洲取水泵站建在东江下游的刘屋洲岛上，四面环水，与西洲水厂相隔几公里远。为了生产调度的需要，刘屋洲取水泵站的PLC系统必须与西洲水厂以及新塘水厂的PLC系统通信，但却没有过江的通信电缆与外部联系。因此刘屋洲取水泵站通过微波通信与西洲水厂和新塘水厂组成无线以太网网络。这个无线以太网实现两大功能，一是PLC系统之间的工业以太网通信，用于传送实时生产数据，二是生产调度通讯，用于传送生产监控图像和IP电话数据。在西洲水厂不但可以详细了解刘屋洲取水泵站的实时生产数据，而且可以收到刘屋洲取水泵站的实时图像。西洲水厂值班人员还可以与新塘水厂和刘屋洲取水泵站的值班人员利用IP电话进行通话，传达生产调度的命令。这个无线以太网的网络结构如图2所示。

图2　刘屋洲取水泵站无线以太网网络图

二、用办公以太网网络传递生产监控数据

3.1 RSLinx通信软件的网关功能
　　 RsLinx软件4中版本：分别是 RsLinx lite,RsLinx single node,RsLinx Professional,RsLinx Gateway，其实它们全一样,安装不同的授权就变成了不同的版本.
　　 RsLinx lite是免费的,它的主要功能就是PLC的编程和硬件的组态。
　　 RsLinx Professional是最为广泛使用的,它包含了OPC和DDE的功能以及PLC和其它设备数据查看的功能。
　　 RsLinx Gateway是最功能最完全的版本,它支持Remote OPC和网关功能,就是说你可以把一台安装有RSLINX的计算机当作一个网关从而访问到你的PLC的必备软件。
　　 西洲水厂建有在中控室和办公大楼之间的光纤网络，主要是组成厂内的办公网络，传递生产报表数据和生产记录数据等。西洲水厂通过使用RsLinx Gateway，把一台安装有RSLINX的中控室的监控计算机当作一个网关，从而在办公楼的计算机也可以直接读取厂内PLC系统的实时数据。这样，中控室和办公大楼之间就不用再建设PLC网络，节省网络建设费用和PLC网络接口卡的购买费用，大大节约了成本。同时，因为光纤的防雷效果佳，维护费用小，所以也节约了PLC网络的维护费用。
3.2 RSLinx通信软件简介
　　 罗克威尔公司的RSLinx软件是在Microsoft Win98、Win2000以及WinXP操作系统下建立工厂所有通信方案的工具。它为A-B的可编程控制器与各种Rockwell Software及A-B应用软件，如RSLogix5/500、RSLogix5000、RSView32、RSViewSE等然间之间建立通信联系。下面介绍一下RSLinx界面元件组成和主要功能。
　　 当启动RSLinx后，Rockwell Software RSLinx应用程序窗口出现。应用程序窗口包括标题栏、菜单栏、工具栏、以子窗口打开的应用程序工作区(RSWho、诊断等)以及一个状态栏，如图3所示。

图3 RSLinx通信软件界面

1、标题栏
　　除显示软件名称外，标题栏还包括控制菜单、最大化、最小化以及关闭程序控制，其符号与功能与Windows定义相同。
　　2、菜单栏
　　File菜单完成创建与打开RSLinx项目；Edit菜单完成拷贝DDE链到剪切板；View菜单完成设置与改变Rslinx界面显示，打开Event Viewer，选择RSWho观察器；Communications组态驱动程序、主题及其它RSLinx选项，查看驱动程序、DDE及其它客户应用程序的诊断；Station执行诊断计数器功能以及查看SLC Data Monitor；DDE组态DDE/OPC主题以及查看事件与诊断信息；Window及Help与Windows一样。
　　3、工具栏
　　第一个：用于打开、删除或创建一个新的DDE项目。DDE项目包括一个或多个DDE主题，用户可以在此同时建立一组主题。
　　第二个：显示处理器通信网络上所有用的/活动的站点。
　　第三个：用于设置RSLinx与处理器之间的通信。
　　第四个：激活驱动程序诊断窗。
　　第五、第六为建立DDE相关文件的工具。分别为组态主题、拷贝一个DDE链到剪切板使RSLinx作为DDE的服务器。
　　3.3 RSLinx使用详解
　　1、网关设置
　　选择Communications菜单中的Configure Gateway，得到界面如图4所示。

图4 网关配置界面

　　 选定“Eanble RSLinx Gateway“，按“应用”按钮，再按“确定”按钮完成设置。
　　 2、配置远程访问驱动器
　　 选择Communications菜单中的Configure Drivers，得到界面如图5所示。

图5 驱动器配置界面

　　 从“有效驱动器类型”的下拉列表框中选择你想要的类型，对于不同的通讯协议，有不同的选项，添加RSLINX的为远程访问，要选择“Remote Device via Linx Gateway”项，然后按右边的“ADD NEW”。如果上图下部分列出的有你想要的类型，就不用再新增加，这是你可以选择其中的一项，然后按右边的“Configure”按钮，重新对它进行配置。这两种方法都可以得到如图5所示的界面。

图5 驱动器参数设置

　　 其中的参数为：Server’s IP Address or：网关计算机的IP地址；Server Name：网关计算机的名称；Remote diver name：网关驱动器名称。按设定的要求选择就可以配置好远程驱动了。
　　 3、查看网络
　　 关闭配置窗口，回到RSLinx启动界面，选择Communications菜单中的RSwho，得到如图5的界面：

图5系统设备运行情况

　　左边的树视图显示的是已经配置的所有的驱动器，右边显示的是对应左边驱动器协议上所连接的所有控制器，图表下显示的数字是表示控制器的节点号，图表中若有打红叉表示此控制器系统没有检测到，可能是接线有问题或者差节点号的控制器已经不存在。需要具体情况具体考虑和检查。
　　如控制器显示正常，就可以在监控界面读取实时的生产数据了。
　　
三、用以太网实现生产报表自动化

　　西洲水厂的生产监控系统运行已有九年多了，运行稳定平稳，能采集到全部分的生产数据。在开厂初期由于生产监控系统没有合适的生产报表的功能模块，所以值班人员只能手工从电脑屏幕中抄回数据填入报表。这样不仅白白浪费了大部分的数据资源，自动系统的实时监控功能优势也未能充分发挥。同时，厂内也有完善的办公以太网网络，并且在以太网上也能读取实时生产数据。，我开发了一套实时自动报表系统。
　　生产监控系统所采集的所有数据，是通过大量的现场传感器、仪表等器件，以模拟量或数字量的方式传送至 PLC系统的输入端口，再经过 PLC5处理器，最后通过DH+网络存储到相应的工作子站监控终端计算机硬盘特定目录中。
　　报表系统的数据库源于生产监控系统历史数据记录程序。由于监控系统的系统软件为基于Windows 2000的RSView32平台，原始数据中因RSView32平台停止运行或故障时会产生数据缺损或无效数据等，因此我用中控室两台监控计算机同时记录，重新编写了一个专门的数据处理程序，对原始数据进行过滤和整理，本机有缺损数据时通过网络读取另外一台机的数据来补全，并用特定的格式存储在指定的目录中，从而确保了原始数据采集均在每个正点和半点进行。当数据积累到一定的程度，将通过办公以太网网络系统转存到光盘中作长期保存。
　　自动报表系统提供了良好的操作界面，实现数据查询、报表打印、报表浏览、数据分析和统计等功能。使用者无需专门培训即可进行操作。
　　启动报表系统后，使用者可自由选择是生成当天的报表还是查询浏览报表。输入所需报表的日期，系统就会自动地在其数据库中取数计算，并在屏幕上显示相应的报表。在检查时如果发现有错，则可以直接在屏幕中修改。然后可以选择报表再生成或者直接结束。结束时，系统会自动存储所打开的报表，并将数据传递给公司调度室。以后再有查询同一日期的报表，系统就会直接调用而无需重新计算了。
　　当需要作总结性的生产报表时，只要使用者输入日期的范围，系统就会根据存储的日结报表数据，按照要求生成相应的生产报表。如果要分析和比较数据或作出各种统计，则系统可以提供丰富的工具，使之能在短时间内就能生成各式的图表和曲线。
　　自动报表是实时地记录各项生产数据，故很大程度上减小了各种人为的误差，增加了报表的准确性，从而为生产方面和管理方面的各项分析提供了可靠的数据。
　　自动报表的数据是在计算机里面，使得对报表的查询、分析变得非常容易和迅速，尤其是查询和分析的工具和手段丰富多彩，数据的利用率及潜在价值大为提高。数据的存储空间大大缩小，保存的可靠性大大提高。
　　打印机打印的自动报表比手工抄写的报表美观整齐得多，便于存储和汇报。
　　管理人员和技术人员可以通过本厂办公以太网网络共享报表系统数据，随时查询所需生产数据，不必逐页去翻看报表。

参考文献

1、宋德玉； 可编程控制器原理及应用系统设计技术[M]；冶金工业出版社 1999.7
2、邱公伟；可编程控制器网络通讯及[M]；清华大学出版社；2000.3
3、ControlNet系统概述；罗克韦尔公司；Publication CNET-SO001A-ZH June 2003