网络在自动化控制中的应用

内容提要： 本文主要是简述网络在现代自动化控制理论中的应用。分别从网络控制的特性、组成、应用、优点和发展方向等方面加以论述。主要是介绍罗克韦尔AB公司和西门子SIEMENS公司的网络产品。并以炼钢转炉自动控制系统为实例，介绍自动化控制网络理论在该自动控制系统中的应用。
      一、 网络引论
      网络技术是当今世界发展最快、使用越来越广泛的技术之一。由于世界的快速发展，对信息的要求越来越高，而信息的快速传递与网络密不可分，所以网络得到飞速发展和广泛应用。
     二、 自动化控制网络的类型
      在现代自动化控制系统中,由于对自动化控制的要求越来越高,数据之间的通信已不再局限于可编程控制器(PLC)内部之间的交换,已发展到PLC主机与PLC主机、PLC主机与上位机、上位机与上位机之间的数据交换，而且不只是交换，对交换的速率提出越来越高的要求。可见，离开了网络，自动化控制理论得不到发展，自动控制技术受到局限。所以说，网络在自动化控制中占有重要地位，得到迅速发展和广泛应用，而且日趋标准化。
     在自动化控制领域内，有很多公司都有自己的自动化产品。其中比较有代表性的产品：如西门子SIEMENS公司的S5和S7系列PLC产品；罗克韦尔AB公司的SLC5和Logix系列PLC产品；施耐德公司的Quantum系列PLC产品。而网络的种类也很多：INDUSTRIAL ETHERNET工业以太网、DEVICENET设备网、CONTROLNET控制网、DH+网、PROFIBUS网、MPI网、MB+网、远程I/O网、TCP/IP以太网等等，每个公司可以根据自己特点采用适合自己的网络：西门子多用MPI网、PROFIBUS网、DEVICENET网和ETHERNET工业以太网；AB公司多用DH+网、CONTROLNET网、DEVICENET网和ETHERNET工业以太网；施耐德自动化公司多用MB+网、远程I/O网、TCP/IP以太网。
     三、 自动化控制网络的特性
     现代自动化控制中，经常需要在PLC主机与上位机、PLC主机与PLC主机、PLC主机与远程I/O之间传输交换数据。而它们往往又不在同一地点，相互之间有一定的距离，这与网络的连接接点数、传输速率和传输距离等因素有关。 下面以有代表性的ControlNet控制网、PORFIBUS现场总线网和ETHERNET工业以太网为例，谈谈自动化控制网络的一些常用特性。
    网络的OSI参考模型分为七层：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。而一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)。INDUSTRIAL ETHERNET工业以太网工作在信息层；ControlNet控制网工作在控制层；PORFIBUS现场总线网工作在设备层。
    ControlNet控制网络是符合IEC61158 Type 2 标准的一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。 它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路， 综合了现有各种网络的能力。CONTROLNET网支持管理/过程(控制器与HMI之间)、点到点和I/O网络的通信. 用于PLC与计算机之间的通信网络。它可连接拖动装置、串并行设备、工业PC、人机界面等。它还可以沟通逻辑控制和过程控制系统，传输速率为5Mbps，可寻址节点为99个，同轴电缆传输距离为3km，光纤传输距离为30km，它支持冗余结构。通过冗余或单通信介质，数据传输速率为5Mbits/s。传输介质是RG6同轴电缆，通过BNC连接器和CONTROLNET总线连接。通过使用光纤中继器，      CONTROLNET最远可传输10KM，使用同轴电缆和中继器，最远可传输6KM。同轴电缆每段最大长度为1KM(根据所使用的三通连接头和引线所决定)，光缆每段最大长度可达3KM(根据使用的光纤等级决定)。每一个控制级网络段可以连接6个非冗余或4对冗余的控制器。通过I/O网络，每一个处理器可以支持8个I/O机箱。


   最彻底和最完善的分布式系统是开放的现场总线。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、HMI等）之间的通信总线。PORFIBUS-DP已形成自动化世界范围的标准，因为它能满足工业控制的一切要求，它符合DIN19245和EN50170标准（前者是德国标准，后者是欧洲标准），对SIEMENS和多达240个生产商的现场设备开放，因而用户又充分的选择余地。ROFIBUS-DP允许的距离可达23KM，能容纳的节点多达125个，它相应快节，工作可靠，此外，不仅每个单独的节点均能作为 发送信息，且任一个网点如出现故障，所有节点能正常工作，不受影响。


     传统的控制系统在信息层大都采用ETHERNET以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，几乎所有的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。工业以太网（INDUSTRIAL ETHERNET）能够与普通的以太网卡连接，使用方便；市场上的以太网卡价格便宜，购买方便，所以采用工业以太网具有价格低廉的优势；工业以太网的频带宽，传输速率快，由最初的10Mb/s到100Mb/s乃至1000Mb/s的升级；工业以太网具有以太网的开放性和兼容性，工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC和DCS厂家广泛接受，与现场总线相比，工业以太网还具有向下兼容性。工业以太网的接点数最大超过1024点，传输距离，电气可达1.5km,光学可达200km

由于工业以太网具有交换、全双工传输、实时数据的优先级、带宽由10Mb/s到100Mb/s乃至1000Mb/s的升级，使以太网成为工业自动化网络中首选的传输方式，现在已成为现代自动控制系统的发展方向。


下面我们以表格的形式对以太网、控制网和现场总线网作一个比较（以罗克韦尔公司产品为例）：
ETHERNET/IP ControlNet DeviceNET
最大分段长度 10，000m 1Km（同轴电缆），3Km（光纤） 100m，250m，500m
最大长度 无限 30Km（同轴，光纤或二者混用） 4Km（带中继器）
最大接点数 1024 99 64
通讯速率 10Mbps，100Mbps 5Mbps 125Kbps，250Kbps，500Kbps
通讯介质 同轴电缆，双绞线，光纤，无线 同轴电缆，光纤 两对双绞屏蔽线
冗余介质 有 有 无
标准 IEEE802.3 IEC61158
CENELEC EN 5010 IEC62026  CENELEC EN 50325
中国国标GB/T18858.3-2002      
通过以上的比较，可以看出以太网在传输速率和传输距离，以及接点数和通讯介质的灵活性选择上都有较大的优势，所以以太网越来越受到欢迎。当然，控制网与现场总线网在与可编程控制器、智能设备和现场总线连接上还是有自己的优势。


     四、 自动化控制网络的组成
    一般来说一个自动化控制网络既包括硬件部分，又包括软件部分。


   硬件部分：与PLC的接口模块（网桥）、网络中继器、网络适配器、网络接头（分接器）、通信电缆、终端电阻等。


   软件部分：网络组态软件、网络驱动程序、网络协议、网络连接程序等。


   以罗克韦尔AB公司的RSLogix系列的PLC产品为例构造一个CONTROLNET网，如果主机架采用1756系列的模块，远程I/O机架采用1794系列的非离散I/O模块，组建一个CONTROLNET网需要硬件：


 1756-CNB（网桥）：用于主机CPU与控制网链路的信息交换。
 1794-ACN15（适配器）：用于控制网与1794系列I/O模块交换信息。
 1786-BNC（电缆连接器）：使干线电缆段与分接器的BNC标准连接器相匹配。
 1786-XT（端结器）：75Ω电阻端结器，安装在每段的末端，保证控制网电缆系统正常工作。
 1786-TPS（分接器）：将设备连接到网上。
 1784-KTCX15（网卡）：连接工控机（工作站）与控制网。


   软件部分：
 RSNetWorx：控制网组态软件。
 RSLinx：网络通信软件。
 RSLogix5000：PLC编程软件。


如附图一所示




    五、 网络在自动控制中的应用实例

   网络在冶金系统自动控制中的应用很多。下面是炼钢转炉的自动化控制网络的配置图例(见附图二)。




   从图中可以看出该网络系统既有主干网，又有支网。主干网采用总线结构，支网（远程I/O网）采用树型结构。若用SIEMENS公司的网络产品来配置此系统，主干网可采用PROFIBUS网，也可以用工业以太网ETHERNET；远程I/O网采用PROFIBUS网或DEVICENET网。若用AB公司的网络产品来配置此系统，主干网可采用CONTROLNET网，也可以用工业以太网ETHERNET；远程I/O网采用CONTROLNET网或DEVICENET网。


    由上可以看出网络的配置比较灵活，可以用很多方式来配置一个系统。即可以采用单一的网络方式,也可以采用多种网络方式。一个系统网络配置的好坏有很多因素：网络的可靠性、复杂性、网络数据交换的速率、网络传输的距离、还要考虑网络的性能价格比等等。

    六、 使用自动化控制网络的优点

    在自动化控制中使用网络的好处是很明显的：


 网络具有很高的可靠性:在网络系统中，PLC主机与上位机之间，PLC主机与PLC之间的数据传递和数据交换都是在网络上完成，是以数字方式进行的，其抗干扰性，实时性都非常出色。


 减少中间环节,方便直接: 每台CPU下挂的I/O远程网能直接深入到现场控制点，通过网线可直接连接传感器、变送器，一次仪表以及交直流传动装置，还可以通过它的分布式I/O机架，对现场元件进行数据采集和控制。


 维护方便,降低施工费用: 用通讯的方式替代原来的点对点连接，原来复杂的接线被简单的屏蔽双绞线所取代。大大提高运行可靠性，降低安装、维护费用。据统计，采用网络方式，可减少3/4的电缆数量。同时由于接线减少，故障点随之大大减少。

采用通讯方式可减少信号衰减。由于信号在网络上是以数字形式传递的，所以衰减较小、抗干扰能力较强。


 模块化结构，易于维修更换，备品备件通用。

   七、 自动化控制网络的发展

   现在自动化控制网络也向集中管理，分布控制的方向发展。既整个系统设置一台大容量的服务器，通过网络与每个可编程控制器PLC连接起来，系统的管理和数据交服务器完成，而控制由可编程控制器PLC来负责。比如AB公司的ProcessLogix产品就是现在自动化控制网络的一个代表。


     ProcessLogix 是ROCKWELL AUTOMATION最新推出的基于批处理、 过程控制、 SCADA应用的开放的控制系统

。ProcessLogix 系列产品的核心是性能强大的基于MICROSOFT WINDOWS NT服务器/客户机系统结构。ProcessLogix系统集成了全新的高性能混合控制器，先进的工程师工具和开放的控制网络。ProcessLogix集成的最新的技术包括：


 集成高速自动的数据共享、报警管理、人机接口功能、历史数据采集和自动报表生成功能的基于MICROSOFT WINDOWS NT 的服务器；


 简洁的混合型控制提供真正的集成控制功能；
 面向对象的组态、开发工具能快速简便地创建可重复使用的控制策略


 CONTROLNET提供开放的控制网络；
集成安全的INTERNET浏览器功能能提供在线文档和支持。


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