（云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂 云南省昆明市 650102）
摘要：冶金工业正在经历转型时期，工业4.0时代需要传统工业抛弃旧有的产业模式，全方位的进行产业结构和产业技术的升级。工业用以太网正是产生于这一背景之下，随着网路信息化技术的日趋成熟和发展，冶金行业也全面进行数字化和自动化的改造。通过接入工业以太网，冶金自动化系统运行计算机搭载的软件，能够对金属冶炼过程实现全程实时自动化控制。冶金自动化系统通过接入TCP协议传输控制信息，利用以太网完成对冶炼设备的指令发送，TCP/IP协议时在冶金自动化系统中广泛使用的互联网协议。
关键词：冶金自动化；工业以太网；自动化系统；TCP/IP
1工业以太网的特点
1.1 实时性和确定性
随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的锲机，使这一应用成为可能。首先，以太网的通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，即网络碰撞几率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构代替总线型结构，交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机由于具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不再发生碰撞；同时交换机还可以对网络上传输的数据进行过滤，使各个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷[3]。再次，全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上分别同时接收和发送报文帧，也不会发生冲突。因此，采用交换式集线器和全双工通信，同时网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞几率大大降低（半双工），因此，以太网通信确定性和实时性大大提高。
1.2 稳定性和可靠性
以太网进入工艺控制领域的另一个主要问题是，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商业领域设计的，商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中，因而需要针对较恶劣的工业现场环境（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等）来设计工业以太网。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决。为了解决在不间断的工业领域应用，在极端条件下网络也能稳定工作的问题，美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、JetterAG等公司专门开发和生产了机架导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上，并由冗余电源供电，接插件采用牢固的DB-9结构[5]。现在已经出现了特别设计用于连接工业应用中具有以太网络接口的工业设备（如PLC、HMI、DCS系统等）。此外，在实际应用中，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可以采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。
1.3 工业以太网协议
由于工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算和操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足操作条件。对应于ISO/OSI七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层和数据链路层，而在其之上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP（传输控制、网间）协议为主，而对较高层次如会话层、表示层、应用层等没有做技术规定。
为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在EthernetTCP/IP协议之上建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成广大工控生产厂商和用户所接收的应用层、用户协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和TCP/IP技术，以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了工业以太网协议。
1.4 TCP/IP协议
在TCP/IP协议中，网络层的核心协议是IP，同时它还提供多种其它协议，包括ARP、RARP（逆向地址解析协议）和IGMP等。这一层的主要功能有：处理来自传输层的分组发送请求，即组装IP数据包并发往网络接口；处理输入数据包，转发数据包或从数据包中抽取分组；处理差错与控制报文，包括处理路由、流量控制拥塞控制等。传输层的作用是提供应用程序间（端到端）的通信服务，它提供两个协议：用户数据包协议UDP（userdatagramprotocol），其负责提供高效率的服务，用于传送少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用UDP的应用程序自己完成可靠性操作；传输控制协议TCP（transmissioncon-trolprotocol），负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于传送大量报文，并为保证可靠性做了大量工作。
支持以太网的协议众多，有DECnel、NovellIPX、MAP、theOSlastack、Applet-Talk和TCP/IP等，在这些协议中，TCP/IP受到广泛重视和支持，并且TCP/IP才是Internet的协议。以此，尽管TCP/IP支持的网络很多，支持以太网的协议也很多，但却只有把以太网和TCP/IP结合起来，才能满足工业以太网数据通信的需要，各种采用TCP/IP为中间协议的以太网也即将成为工业控制网络的主要标准。在实现中，我们利用TCP/IP来传送显示的报文数据，UDP/IP来传送隐式的I/O数据。TCP是一个面向连接的并能够为一台设备同另一台设备提供可靠通信的协议，它只能工作在单播（点对点）模式。UDP是一个无连接的协议，它只提供了设备间发送数据包的能力，可以工作在单播和多播方式。对于对实时性要求高的实时I/O数据，采用UDP/IP协议来传送，而对实时性要求不太高的显示信息（如组态，参数设置和诊断等）则采用TCP/IP来传送。
2基于TCP/IP的以太网在工业控制领域的应用
2.1基于TCP/IP的以太网
Ethernet仅仅只有物理层和链路层规范，它通常与TCP/IP等平台无关的协议结合应用。我们所指的Ethernet实际上就是指基于TCP/IP协议的Ethernet，即Ethernet/IP。Ethernet/IP（EthernetIn-dustrialProtocol）是以太网工业协议的缩写，它是罗克韦尔自动化（RockwellAutomation）公司推出的一种开放的工业联网标准。
罗克韦尔自动化网络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，数据可以双向流动，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。其目的是：采用一个开放的、扁平的、满足高性能需求的、降低整体费用的系统（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），网络体系见图1。
2.2 TCP/IP工业以太网在400m2烧结机自动控制系统的实际应用
2.2.1 400m2烧结机自动控制系统要求
该自动控制系统实现了对整个烧结机生产设备的联锁控制，实时数据的采集与分析，过程与设备状态的监控与报警，过程趋势数据的采集与处理，报表打印，画面显示。完成了生产设备的基础自动化及过程计算机控制。烧结工艺对自动系统的主要要求有以下几点：（1）自动控制系统可实现配混系统、烧冷系统、成品筛分系统、主抽风系统、主粉尘系统及电除尘卸灰系统的逻辑顺序控制。（2）自动控制系统对主抽风机、点火炉、混合机加水等生产工艺的数据采集处理及回路控制。（3）全厂辅助设备在主控室的监控。如除尘设备、加油设备。
2.2.2 现场控制级
全厂共设计了6个配电室（燃料配电室、配料配电室、机尾配电室、成品配电室，主电气楼、主抽电气室）控制了全厂的电气仪表设备。控制系统输入、输出点共3000余点。根据工艺要求和设备就近配置的原则，控制系统共设5个PLC主站分别为：配料站（配料配电室）、烧结电气站（主电气楼）、烧结仪表站（主电气楼）、燃料站（燃料配电室）、主抽站（主抽电气室）。5个主站下带分站20个，分别在本配电室、机尾配电室、成品配电室分布。中间用RG6电缆进行连接。主站选用施耐德电气公司的Quantum140系列PLC。主站和分站之间通过RIO（远程I/O）进行通信。变频器通过MB+电缆挂在主站PLC上，通过主站PLC对其进行控制。
2.2.3环网传输级
各个PLC站、上位监控机、工程师站之间采用环路光纤的TCP/IP工业以太网连接，构成了烧结生产的综合监控网络。采用环网技术，光纤从第一台交换机出发，最后返回第一台交换机在网络路径上形成闭合，并保证网络传输速度为100MB/s，正常的时候，网络数据逆时针旋转，当网络由于由于某种原因发生故障，此时环网自动断裂，形成线性网络，它依然能够保证网络的所有特性，不影响任何工作，直到网络修复。当网络修复后，它还支持热愈合，可无级恢复故障。就好象没有故障发生一样。
环网用6个赫斯曼网络交换机进行连接，分别放于6个配电室内，方便各主站PLC、辅助设备接入综合监控网络。
主交换机选用赫斯曼MACH400248+4G-L3E。它具有4个千兆COMBO端口和16个100M电口，支持环网冗余功能。通过软件可以设定其中2个口为冗余功能。主交换机放于工程师站，方便操作室监控机和其连接，也便于工程师管理和维护。其余交换机选用赫斯曼MICEMS20系列，配备2个光口，6个电口。安放在各配电室方便需要联网设备的连接。系统网络配置简图如图2。
主站PLC通过以太网模块140NOE77101接入主网。辅助设备采用TWIDO系列带以太网接口型号（TWDLCAE40DRF）的PLC接入主网。除尘高压设备由于采用单片机控制，只有RS485串口通信接口，为了使其接入主网通过MOXRS485串口转以太网模块NPORT5430接入主网。各站PLC设备设定IP地址见表1。
这样各监控微机和工程师站就可以通过工业以太网对以上站点进行访问了。
2.2.4管理级
监控系统（操作站）集中设置在电气楼中央控制室。上位监控机通过上位监视画面（HMI）采用施耐德公司的Citect6.01监控软件，实现生产过程工艺流程及各参数的采集显示、报警、回路控制画面，历史数据存储及趋势图，报表等监控功能。两台服务器互相冗余。为操作员有效操作烧结过程创造有利条件。工程师站配备两台上位机，通过以太网对下位程序编辑、改动、上传和下载，大大提高了工作效率。
除尘和润滑监控机也在电气楼中央控制室。其通过IFIX3.5监控软件，对其设备进行监视控制。
3结束语
目前。我国的工业已经广泛开始使用自动化系统，其中包括管理资源层，制造执行层并且在工业控制现场也开始直接进行应用。冶金自动控制系统的信息化升级改造，需要搭建高速度的工业以太网。工业以太网的数据传输标准，能完美适配冶金制造业控制信号的传输强度。工业以太网运行稳定，操作性强，传输信息速度快，能够极大的提升金属冶炼过程的安全性和效率。继续建设冶金自动化系统的工业以太网络，是工业 4.0 时代产业升级的必然要求。
参考文献
[1]Modicon.TsxQuantum硬件手册.施耐德电气公司.2003.
[2]周明.现场总线控制[M].北京:中国电力出版社,2003.
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[4]王平.工业以太网技术[M].北京:科学出版社,2007.
[5]袁振华.现场总线技术及工业以太网在多节点控制系统中的研究与应用[D].上海交通大学,2011.
[6]邓焕明.安全实时工业以太网研究[D].华中科技大学,2012.
[7]张晓峰.冶金自动化系统中多网络协同控制技术应用分析[J].计算机光盘软件与应用,2015,03(23):306+308.
作者简介
朱鹏达(1984.5)，男，云南大理人，电气工程师，单位:云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂。
论文作者:朱鹏达
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：以太网论文; 工业论文; 协议论文; 网络论文; 设备论文; 数据论文; 交换机论文; 《电力设备》2017年第4期论文;