基于以太网和现场总线的集散控制系统

本文以实例说明了作为工业自动化现代化水平标志的基于以太网和现场总线的集散控制系统的结构、功能和特点，
并特别对数据通信部分进行了阐述。
关键词：集散控制； PLC； 以太网； 现场总线； 通信

Abstract: The structure of distributed control system which mark the up-date level of industrial automation are summarized. And
its function and characteristics are illustrated with an example based on Ethernet and field bus. The part of data communication is
introduced specially.
Key words: distributed control PLC Ethernet field bus communication

0 引言
进入新世纪以来，伴随着市场的进一步开放，企业之间的竞争不断加强，各企业纷纷投入资金加紧
进行新一轮的技术改造，希望能以高新技术为核心，以综合自动化为手段，不断提高产品质量，确立和加强企业在市场竞争中的地位。随着计算机、控制器、网络、总线技术的发展，自动化领域正在迅速的覆盖从车间的现场设备到控制、管理的各个层次。分散检测控制、集中监控管理的集散控制方式为实现大系统的综合自动化创造了条件。

1 概述
计算机具有强大的运算、存储、逻辑判断等信息加工能力，从它诞生开始就被应用到控制系统中，
特别是微处理器的出现，进一步扩大了计算机的应用范围。在计算机上配以自动化组态软件可以更直观、更方便地对生产过程进行监视和控制，充分发挥计算机的复杂数据运算处理、报表统计和图形显示能力。

可编程控制器（PLC）具有抗干扰能力强，可靠性高，便于扩展，使用方便等优点，正在越来越广泛的应用于工业生产过程中。随着生产水平不断提高，人们更愿意使用多台网络化中小型PLC 而不是用一台或数台超大型PLC 来包揽全局。适当分散的中小PLC 所控制的范围不大，不仅降低了风险，往往还可以简化许多热备冗余的配置，降低设备成本。

当前应用最为广泛的计算机网络技术是以太网技术，符合公共标准的TCP/IP 协议的以太网使得上层
计算机系统通过以太网访问车间级数据，为全厂范围控制系统的数据汇集和监视创造条件。它的开放性协议使得各种计算机和不同厂商的PLC 可以互连，在必要时也可以进行一些控制和协调。而且人们对以太网技术很熟悉，可以降低系统的开发、培训和维护的费用。
现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议，现场总线使控制功能适当
分散到现场设备，系统的自立能力增强，节约机柜空间，使现场的电缆连线大量减少。现场总线具备可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快、系统安全符合环境保护要求的优势。

总之企业的系统生产过程是很复杂的，设备分布广，各工序各设备并行地进行工作，因此用数台PLC
对生产过程进行实时控制，用一台或数台微型机作为监控系统的上位机，上位机通过以太网与PLC 相连，实现对现场数据巡回采集、集中处理，在实际应用中还可以利用上位机对PLC 进行远程编程或对程序中的参数进行设置或修改。以太网可以达到很高的通信速率，利用以太网的优点，结合PLC 控制器及现场总线，就可以构成全分散、全开放的集散控制系统。下面以某厂打叶复烤线控制系统为例对集散控制系统进行说明。

2 系统组成
依据分散检测控制、集中监控管理的原则，系统由集中监控层、设备控制层两部分组成。图1 为该
打叶复烤线集散控制系统示意图。

2.1 集中监控层（上位机）
由三台计算机和打印机构成。一台对烟叶预处理、叶梗分离、风送除尘三条线进行集中监控，另一台
对烟片复烤、烟梗复烤、预压打包三条线进行集中监控。一台用作编程工作站。
2.1.1 集中监控层软硬件配置
监控计算机选用配置为PⅢ1GHZ 以上主频，128M 内存，40G 硬盘的IBM 商用电脑，PHILIPS 21 寸显示器；打印机选用HP LJ5000 激光打印机；配置不间断电源（UPS），型号选用APC 产品,容量为２KVA。监控计算机操作系统配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；监控组态软件选用Intellution 的FIX。
2.1.2 监控管理层的主要功能
a. 向下通过以太网与控制执行层进行数据通讯，通过简洁、直观的现场模拟图反映主要单机设备电
机状态，各检测元件状态，各执行器件状态，主要设备参数和工艺参数等；
b. 显示主要工艺参数的变化趋势，如水分、流量、温度等，有助于工艺人员及时掌握工艺参数变化
情况，稳定工艺，提高产品质量；
c. 以弹出窗口和表格形式显示故障信息，包括故障发生时间、发生位置、故障内容等；
d. 工程师站实现远程对PLC 编程、PLC 运行状况监测及程序修改等；
e. 向上通过以太网与企业管理层进行数据通讯，向厂领导和各职能部门发布生产和工艺数据，为厂
里的决策提供依据，接受厂里的指令并打印各种报表等。
2.2 设备控制层
划分为烟叶预处理、叶梗分离、烟片复烤、烟梗复烤、预压打包、风送除尘六条生产分线， 设置六
组对应的PLC 控制电控柜及相应器件，对六条生产分线分别执行控制。

2.1 集中监控层（上位机）
由三台计算机和打印机构成。一台对烟叶预处理、叶梗分离、风送除尘三条线进行集中监控，另一台
对烟片复烤、烟梗复烤、预压打包三条线进行集中监控。一台用作编程工作站。
2.1.1 集中监控层软硬件配置
监控计算机选用配置为PⅢ1GHZ 以上主频，128M 内存，40G 硬盘的IBM 商用电脑，PHILIPS 21 寸显示器；打印机选用HP LJ5000 激光打印机；配置不间断电源（UPS），型号选用APC 产品,容量为２KVA。监控计算机操作系统配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版；监控组态软件选用Intellution 的FIX。
2.1.2 监控管理层的主要功能
a. 向下通过以太网与控制执行层进行数据通讯，通过简洁、直观的现场模拟图反映主要单机设备电
机状态，各检测元件状态，各执行器件状态，主要设备参数和工艺参数等；
b. 显示主要工艺参数的变化趋势，如水分、流量、温度等，有助于工艺人员及时掌握工艺参数变化
情况，稳定工艺，提高产品质量；
c. 以弹出窗口和表格形式显示故障信息，包括故障发生时间、发生位置、故障内容等；
d. 工程师站实现远程对PLC 编程、PLC 运行状况监测及程序修改等；
e. 向上通过以太网与企业管理层进行数据通讯，向厂领导和各职能部门发布生产和工艺数据，为厂
里的决策提供依据，接受厂里的指令并打印各种报表等。
2.2 设备控制层
划分为烟叶预处理、叶梗分离、烟片复烤、烟梗复烤、预压打包、风送除尘六条生产分线， 设置六
组对应的PLC 控制电控柜及相应器件，对六条生产分线分别执行控制。

3 系统以太网通信的实现
3.1 监控计算机和PLC 的配置
监控计算机采用3COM 公司的EtherLink Ⅲ网卡，对该网卡，可用Windows 自带的驱动程序进行配置。在FIX 应用程序的网络配置中，有两种协议：NetBOIS 和TCP/IP。选择TCP/IP，则数据传输速度快，适用于较多站点的网络。在FIX Driver Configuration 中，输入节点名、以太网址。并将节点名映射到单独的IP 地址，TCP/IP 采用多种方式处理名称辨识，采用本地HOSTS 文件方式具有最高的可靠性。该文本文件存在各节点上。PLC 采用Schneider 公司的ETY110 网卡，必须对ETY110 正确配置节点名和以太网址，如果网上各PLC 及I/O Driver 都配置正确，则个设备之间可以建立通信。
3.2 FIX 组态软件与PLC 的通信过程
PLC 中有一个专门用来存放数据的数据块，组态软件的I/O 驱动程序从中读取数据，并将其传入驱动
程序映射表的地址中，对应与点名。扫描、报警、控制程序访问点名，则获得数据，并将处理后的数据传输至过程数据库。内部数据库访问功能从本地或远程数据库中读取数据，并将这些数据传输至请求的应用程序中去。

4 系统中各站点的寻址
集散控制系统中实现分散检测控制、集中监控的关键之一是各通信实体的正确寻址。本系统中目的
通信实体的一般格式为：网络号、站号、设备物理地址，设备物理地址一般是它的通信模块的地理位置，即其模块号、通道号和通道中的通信实体。
4.1 站内寻址
如打叶复烤线集散控制系统示意图所示，如PLC1 对UNI-TELWAY 总线上第4 号变频器寻址，其目标
地址为

4.2 站间寻址
如打叶复烤线集散控制系统示意图所示，如PLC2 对PLC1 的UNI-TELWAY 总线上第4 号变频器寻址，其目标地址为：

在Schneider Premium 系列PLC 上总线模块和CPU 模块集成在一起，始终处于机架上0 模块位置，如选用TER 通信通道，通道地址为0，如选用PCMCIA 卡通信通道，通道地址为1。

5 结束语
正如上例打叶复烤线集散控制系统所描述的，集散型控制系统具有通用性强、系统组态灵活、控制功
能完善、数据处理方便。显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行可靠等优点。它能够适应工业生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，通高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，可有力地促进工业发展，创造出最佳经济效益和社会效益。
参考文献 :
[1] 阳宪惠，现场总线技术及应用 [M].北京 :清华大学出版社，1996，6.
[2] 徐皑冬，基于以太网的工业控制网，信息与控制，2000，4.