在自動化控制領(lǐng)域，占絕對統(tǒng)治地位的是現(xiàn)場總線技術(shù)。盡管現(xiàn)場總線具有眾多優(yōu)勢，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的一再擴(kuò)大，現(xiàn)場機(jī)電裝備越來越多，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動化控制的設(shè)備也越來越多，在這種背景下，現(xiàn)場總線已經(jīng)無法完全滿足現(xiàn)場眾多機(jī)電裝備的監(jiān)控需求，而且由于現(xiàn)場總線是具有針對性的工業(yè)自動化控制總線，往往使得各個(gè)機(jī)電裝備成為了“自動化控制孤島”，彼此無法兼容通訊，給設(shè)備的后期維護(hù)管理帶來不便。

　　摘要：針對傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線在實(shí)際自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用中所出現(xiàn)的不足，文章詳細(xì)探討了工業(yè)以太網(wǎng)在工程流水線自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先簡要分析了工業(yè)以太網(wǎng)的特點(diǎn)，對基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上給出了自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和控制模式方案，重點(diǎn)從下位機(jī)PLC自動控制系統(tǒng)和上位機(jī)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩個(gè)角度詳細(xì)設(shè)計(jì)研究了系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，對于進(jìn)一步提高工業(yè)以太網(wǎng)在工廠流水線自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用管理水平具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng),工廠流水線,自動化控制,系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)逐漸以其低廉的組網(wǎng)價(jià)格、兼容性較好的通信協(xié)議，以及一體化的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而受到普遍應(yīng)用，成為目前能夠替代現(xiàn)場總線的最好選擇之一。本論文主要結(jié)合汽車整車焊裝PLC自動化控制流水線生產(chǎn)控制系統(tǒng)，對基于工業(yè)以太網(wǎng)的自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期能夠從中找到面向工廠流水線生產(chǎn)控制的工業(yè)以太網(wǎng)自動控制應(yīng)用方式，并以此和廣大同行分享。

　　1工業(yè)以太網(wǎng)概述

　　工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中，主要是作為生產(chǎn)制造自動化控制的基礎(chǔ)平臺，通過底層安裝的傳感設(shè)備，將機(jī)電裝備的工作狀態(tài)參數(shù)、工藝參數(shù)以及現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)檢測出來，并通過工業(yè)以太網(wǎng)所支持的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上傳到工業(yè)以太網(wǎng)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的日益發(fā)展與進(jìn)步，很多工業(yè)生產(chǎn)流水線都逐漸提出了更高的自動化控制的要求，例如要求實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與控制的一體化，要求實(shí)現(xiàn)無人值守等等，這些高難度控制要求的提出，在一定程度上都促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動化控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，尤其是將工業(yè)以太網(wǎng)與PLC控制相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)很多工廠自動化控制系統(tǒng)的功能建設(shè)需求。本課題重點(diǎn)以工業(yè)以太網(wǎng)和PLC相結(jié)合，以工廠流水線自動化控制為具體研究對象，深入探討工業(yè)以太網(wǎng)在工廠流水線自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　2基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1功能模塊設(shè)計(jì)

　　本論文以汽車整車焊裝作為具體的研究對象來探討工業(yè)以太網(wǎng)在流水線自動控制中的應(yīng)用。汽車整車焊裝具有較多的工藝流程，而且機(jī)電裝備離散度較大，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制的參數(shù)變量較大，因此采用工業(yè)以太網(wǎng)相較于采用現(xiàn)場總線具有很多優(yōu)勢。縱觀整車焊裝的流水線工藝流程，基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的流水線自動控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有以下幾個(gè)主要功能：

　�、佼a(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)分派及調(diào)度。能夠根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度適當(dāng)?shù)恼{(diào)整生產(chǎn)資源分配，根據(jù)任務(wù)變化自動完成對流水線生產(chǎn)工藝的更改，以適應(yīng)不同車型的自動焊裝。

　�、陔姎饪刂坪头治觥Ｍㄟ^在底層安裝傳感監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對流水線焊裝工藝流程的各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測與控制，并通過工藝數(shù)據(jù)庫的分析，實(shí)現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)工藝參數(shù)的自動匹配和優(yōu)化。

　　③順序和邏輯控制功能。按照流水線自動化焊裝的工藝流程，對整個(gè)焊裝工藝流程實(shí)施順序控制，利用PLC作為順序邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)眾多機(jī)電設(shè)備在流水線自動焊裝工藝過程中的順序聯(lián)動、啟�？刂萍盎ユi等控制功能和邏輯判斷功能。

　�、鼙O(jiān)視報(bào)警功能、顯示功能。通過在監(jiān)控終端開發(fā)專用的監(jiān)控畫面，為用戶提供直觀的監(jiān)控界面，通過人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用戶對現(xiàn)場焊裝流水線的遠(yuǎn)程自動化控制。

　　2.2基于工業(yè)以太網(wǎng)的流水線自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由于整個(gè)流水線的設(shè)備量大、信號類型多、控制地點(diǎn)分散，不適合采用傳統(tǒng)的繼電器和控制開關(guān)為主要實(shí)現(xiàn)方式的本地控制模式，而且這種控制模式并不利于設(shè)備的后期維護(hù)管理，同時(shí)對于系統(tǒng)的擴(kuò)容升級而言是十分不利的，為此，必須借助于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制管理模式（DCS模式），通過三級DCS功能的合理劃分與配置，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)對整車焊裝流水線自動控制的遠(yuǎn)程控制模式。本論文擬采用監(jiān)控終端、本地PLC站和底層傳感設(shè)備三個(gè)層次的DCS控制模式實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)以太網(wǎng)的整車焊裝流水線自動化控制。

　�、俦O(jiān)控終端。監(jiān)控終端設(shè)置在中央控制室內(nèi)，供值班人員對全廠流水線自動化控制的工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控終端內(nèi)運(yùn)行的是專門開發(fā)的上位機(jī)程序，通過友好的人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與本地PLC站的數(shù)據(jù)信息的交互。

　　②本地PLC站。主要通過對開關(guān)量的檢測實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)工藝流程中各個(gè)環(huán)節(jié)的電氣監(jiān)測，諸如限位開關(guān)、行程開關(guān)、電磁閥等。本地PLC站能夠通過對設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)節(jié)參數(shù)的檢測和A/D轉(zhuǎn)換，將相關(guān)參數(shù)變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)入工業(yè)以太網(wǎng)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的一體化通信。

　　③底層傳感設(shè)備�，F(xiàn)場傳感器主要是用以檢測現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)物理參數(shù)信號，變送器將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成

　　4～20mA的電流信號，經(jīng)屏蔽電纜送到各子系統(tǒng)的PLC內(nèi)�？刂菩盘栍蒔LC輸出后以4～20mA電流形式送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有氣動和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

　　2.2.2系統(tǒng)控制模式設(shè)計(jì)

　�、龠h(yuǎn)程遙控方式。在現(xiàn)場設(shè)備控制箱，將控制方式置于“遙控”控制方式，中央控制室的操作人員可以通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遙控啟停。在這種控制方式下，監(jiān)視界面可顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)的工藝參數(shù)，操作員可根據(jù)選擇“手動或者自動”控制方式，通過設(shè)備控制按鈕啟停遠(yuǎn)程設(shè)備，并能判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常，監(jiān)測故障并發(fā)出報(bào)警提示，統(tǒng)計(jì)工藝數(shù)據(jù)，顯示模擬量趨勢曲線，打印故障報(bào)警及日志報(bào)表等。全部操作由中央控制室的操作人員通過鍵盤和鼠標(biāo)完成。②本地控制方式。在現(xiàn)場設(shè)備控制箱，將控制方式置于“本地”控制方式下，通過控制操作箱上的啟動/停止按鈕，對現(xiàn)場設(shè)備手動啟�？刂啤１镜乜刂品绞綖橄到y(tǒng)的基本保留方式，在與中央控制室斷開聯(lián)系等任何情況下都可以完成整車焊接處理工藝要求的控制功能。

　　2.3PLC自動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)整車焊接處理廠工藝特點(diǎn)和現(xiàn)場的焊接設(shè)備分布及焊接機(jī)器人的作業(yè)范圍，可以將整車焊接車間流水線PLC下位機(jī)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)PLC站點(diǎn)，各自負(fù)責(zé)不同的工藝流程。為此，需要統(tǒng)計(jì)全廠的I/O點(diǎn)分布情況，詳見表1。

　　由于本系統(tǒng)中的下位機(jī)PLC選用的西門子公司的S7-300系列的PLC產(chǎn)品，其網(wǎng)絡(luò)通訊功能的最大特色便是集成了MODBUS/TCP以太網(wǎng)通信協(xié)議。為此，本系統(tǒng)中下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊就基于MODBUS/TCP以太網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而進(jìn)一步降低了本自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信集成成本。

　　2.4工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.4.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

　　本系統(tǒng)選用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，它會自動旁路，而不影響環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是環(huán)路上的工作站在發(fā)送信息時(shí)，只能按照順序依次傳輸，所以不存在沖突問題。在光纖傳輸介質(zhì)成本降低的今天，工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)選用光纖組成雙環(huán)路雙冗余網(wǎng)絡(luò)是比較合適的方法。

　　2.4.2系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

　　基于工業(yè)以太網(wǎng)的整車焊接流水線綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以劃分為三層：信息管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、傳感檢測及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層。

　　①信息管理層。信息管理層主要是實(shí)現(xiàn)對整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)自下而上傳輸過來的流水線生產(chǎn)工藝的各個(gè)參數(shù)的管理，包括狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、越限報(bào)警；生產(chǎn)工藝參數(shù)的自動存儲、報(bào)表分析；設(shè)備控制指令的自動/聯(lián)動派發(fā)等等，這些功能的實(shí)現(xiàn)依賴于在信息管理層所開發(fā)的人機(jī)交互接口良好的專用自動化控制監(jiān)控程序，通常可以采用組態(tài)程序?qū)崿F(xiàn)。

　�、诰W(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層就是指基于工業(yè)以太網(wǎng)所搭建起來的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時(shí)通過配置交換機(jī)、操作站等輔助設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員在網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)傳輸層的檢查、維護(hù)和管理。網(wǎng)絡(luò)傳輸層作為整個(gè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸平臺，對于整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用。

　�、蹅鞲斜O(jiān)測及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層。傳感監(jiān)測及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層主要有兩個(gè)作用，第一是通過傳感檢測設(shè)備，將流水線工藝流程中的各個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測出來并發(fā)送到工業(yè)以太網(wǎng)上進(jìn)行通訊，第二是通過安裝電氣開關(guān)、電磁閥等開關(guān)動作執(zhí)行元件，接受來自頂層的中央信息管理層的遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場機(jī)電裝備或者流水線工藝流程的遠(yuǎn)程自動化控制，傳感監(jiān)測及執(zhí)行機(jī)構(gòu)層是面向整車焊接流水線生產(chǎn)和自動化控制的最底層，主要包括車間現(xiàn)場的各種監(jiān)測、控制子系統(tǒng)，如焊接機(jī)器人控制子系統(tǒng)，滾床控制子系統(tǒng)，帶式輸送機(jī)控制子系統(tǒng)等。

　　3結(jié)語

　　隨著工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動化控制領(lǐng)域中的逐步廣泛應(yīng)用，逐漸取代了過去傳統(tǒng)的以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的自動控制模式。本論文對基于工業(yè)以太網(wǎng)的整車焊接流水線綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)展開了設(shè)計(jì)與研究，通過對網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性的理論分析，建立了基于工業(yè)以太網(wǎng)的整車焊接流水線綜合自動化控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分別從下位機(jī)PLC自動化控制系統(tǒng)和上位機(jī)DCS以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩個(gè)角度詳細(xì)探討構(gòu)建了整個(gè)綜合自動化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對于工業(yè)以太網(wǎng)在工廠自動化控制方面的應(yīng)用，無論是在理論研究還是在實(shí)踐應(yīng)用方面，都是具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

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