工业网络在生产控制中的应用及研究

[内容摘要] 介绍工业网络的组成及其特点，叙述韶钢原料厂现行工业网络的构成及其运行状况，在此基础上，结合实际应用，分析工业网络中的若干技术问题。
关键词   工业网络  工业以太网  PROFIBUS现场总线  光纤

 
1 前言
工业网络自出现以来，在我国得到迅速的发展，并已广泛应用于钢铁、化工、军事、楼宇控制等行业及领域。但据了解，我国国内对工业网络的认识总体上是欠缺的，且在生产应用中存在很多常见的疑难问题，有待进一步的研究，就此现状，有必要对工业网络作一个比较系统的介绍，并结合韶钢原料厂的实际应用对某些问题进行分析比较。
2 工业网络
工业网络的构成很丰富，但大体包含两大部分：工业以太网、PROFIBUS现场总线技术。
2.1工业以太网
工业以太网，针对高质量高复杂性的过程控制，提供强有力的单层网络，符合IEEE802.3（ETH-ERNET）标准。它是专门为工业过程控制的要求而开发的通信技术，可以通过TCP/IP协议直接和Internet实现网络互联。
2.2 PROFIBUS现场总线技术
PROFIBUS现场总线技术，符合IEC61158和EN50170标准，具有配置方便、起动简单快速、高度灵活性、可靠和确实的数据诊断、可靠的数字传输等一系列优点。PROFIBUS技术为设备层提供了PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA技术，为车间提供了PROFIBUS-FMS技术。
1）PROFIBUS-DP是设备层现场总线，用于控制器（如PLC、PC、NC）与现场控制设备（如驱动器、检测设备）间的通信；
2）PROFIBUS-PA也是设备层总线，具有IE61158-2的物理层，可实现总线供电，并有本质安全技术；
3）PROFIBUS-PMS是车间级现场总线，主要用于车间级设备监控。
3 韶钢原料厂现行工业网络及其特点
韶钢原料厂自2001年开始引进PLC工控系统。原有PLC控制系统比较简单，设有一个PLC主站位于中控室，另有两个ET200分布式I/O站，分别位于新烧配电房及汽车配电房，示意图如图（a）所示。原有PLC控制系统主站与ET200远程站间通过PROFIBUS电缆进行数据传输，常出现数据传输不及时及网络通讯中断等问题。2004年厂内进行改扩建工程，PLC控制系统网络在原PLC控制系统基础上增加了两个主站、四个ET200分布式I/O站，并将操作员站移到调度室，示意图如图（b）所示。 

 
（a）原PLC控制系统网络简图
 
现行PLC控制系统网络，上层通信采用工业以太网，下层通信采用PROFIBUS-DP。ET200远程站与主站之间用多模光纤进行数据传输，中间经由光纤收发器转换，光纤收发器至工业交换机及工业交换机与主站、工控机之间则用超五类屏蔽双绞线进行数据传输。显然，较之原有PLC控制系统，现行PLC控制系统网络更好的保证了网络通讯的可靠性与数据传输的及时性，更好的适应了生产控制的要求。 

 
（b）现行PLC控制系统网络简图
 
4 工业网络中的若干技术问题
4.1 工业网络方案选择
韶钢原料厂的PLC控制系统网络最初的方案是由承包方提供的，在实施过程中，做了两大改动：第一，用多模光纤替换方案中的单模光纤；第二，将方案中由新1#配电房至新3#配电房改为由新2#配电房至新3#配电房。前者为通信媒体的选择，后者主要考虑经济因素。很显然，改动后的方案更好。工业网络方案的决策应遵循：在保证网络具有切合实际的可靠性与安全性的基础上，尽可能减少经济投入，提高“性价比”。
4.2 通信介质的选择
以太网使用的传输介质分为两大类，即电缆传输介质和光缆传输介质。传输介质的传输特性主要是传输损耗和传输带宽。传输损耗是指以太网数据帧信号在介质中传输每单位长度对信号能量的损耗（或幅度的降低），而传输带宽则反映的是以太网数据帧信号在介质中传输每单位长度信号失真的情况（或畸变的程度）。 对光纤最重要的传输特性是传输损耗和传输带宽。其传输损耗指光纤内光信号在传输中光能量的损失（信号幅度的降低），而光纤的传输带宽则是光纤内光信号在传输中能量的散开（信号的失真）。光纤按光学特性分，可以分为多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF）。
光缆传输介质在传输损耗和传输带宽方面均优于电缆传输介质，对于像韶钢原料厂这样粉尘多、干扰强的地方，更需要选用像光缆这样优良的传输介质。那又为什么选择多模光纤？局域网传输距离短，使用多模光纤就能很好的适应生产控制要求；另外，多模光纤配套的光器件可选用发光二极管，价格比单模光纤配套的光器件激光管便宜很多，且有较大的芯径与数值孔径，容易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格也便宜得多。很显然，从性价比的角度考虑韶钢原料厂选用多模光纤作PLC控制系统网络的通信介质是合理的 
4.3 光纤与PLC主站之间的连接
光纤与PLC主站之间的连接示意
图如下:



 
 
光纤与PLC主站连接示意图
 
在上图的连接中有两个问题要特别注意：
1）光纤与跳线或尾纤的熔接  光纤与跳线或尾纤的熔接一定要对准线的颜色且要保证质量；
2）光纤收发器与工业交换机的传输速率要匹配  目前局域网尤其是工业网络应用较多的是100Mbps的传输速率。
5 结束语
韶钢原料厂现行工业网络很好的将工业以太网与PROFIBUS现场总线技术进行了结合，其具有反应时间快、高吞吐量、抗干扰能力强、可靠的数据传输等特点，在实际应用中很好的适应了厂内生产控制的要求，由此确保了生产的顺畅，大大提高了生产效率及经济效益。 



参考文献
1.吴中俊、黄永红. 可编程控制器原理及应用. 机械工业出版社，2004.4
2.谢希仁. 计算机网络教程. 人民邮电出版社，2002.5