EtherNetIP工业以太网在制丝线控制系统中的应用new.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流EtherNetIP工业以太网在制丝线控制系统中的应用new.精品文档.EtherNet/IP工业以太网在制丝线控制系统中的应用赖林武汉烟草（集团）有限公司技术中心 武汉市汉阳区十升路特5号 430051关键词：EtherNet/IP；工业以太网；制丝线；现场设备层 摘要：根据工业以太网技术的发展和企业信息化、现场控制的要求，在国内率先在控制系统中从现场设备到信息管理层全面应用了EtherNet/IP工业以太网技术。基于工业以太网的制丝线控制系统易于集成扩展、维护方便，克服了传统现场总线应用中的一些缺点，其成功应用表明EtherNet/IP工

2、业以太网可以满足制丝线现场设备控制的实时性和可靠性。Application of EtherNet/IP Industrial Ethernet in control system of primary processing lineLAI LINTechnology Center of Wuhan Tabacco Group Co.,Ltd , Wuhan 430051, ChinaKeywords：EtherNet/IP；Industrial Ethernet；Primary processing line；Field devices levelAbstract：With the deve

3、lopment of Industrial Ethernet technology, Enterprise Information, and on-site control, EtherNet/IP technology is widely applied in this control systems from field devices level to information management level for the first time in domestic. The control system of primary processing line, based on In

4、dustrial Ethernet technology, is convenient for integration/extension, and easy for maintenance. It also overcomes some disadvantages in traditional field-bus applications. This successful application of EtherNet/IP indicated that EtherNet/IP can meet real-time feature and the reliability of field d

5、evice control in Primary processing line.为顺应精细化加工、集约化生产的要求，提高生产效率，现场总线技术在烟草行业已得到了广泛应用。由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案1。现在控制系统比较流行的方案是信息监控层采用工业以太网，在现场设备控制层使用现场总线，原因主要在于以太网不是一种本质的实时性网络，不能满足现场仪表或设备的通讯要求2。随着工业控制系统和信息化发展，传统的现场总线已不能完全满足日益增长的通讯和信息无缝集成的要求，成为企业信息化的一个瓶颈3。而近年来由于全双工以太网交

6、换机的出现和以太网传送速率不断提高，以及在标准以太网上采用的应用层协议的发展，使工业以太网技术日趋完善，越来越能够满足工业现场应用的需要4。根据工业以太网技术的发展状况，结合企业信息化和现场控制的要求，我们在武汉卷烟厂2400Kg/h制丝线控制系统中全面应用了美国Rockwell公司的EtherNet/IP实时工业以太网。1. EtherNet/IP工业以太网概述EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol 以太网工业协议)由美国Rockwell公司定义，并由ODVA和ControlNet International两大国际组织支持推广，具有以下特点： E

7、therNet/IP网络采用标准的、未经修改的IEEE802.3u以太网和TCP/IP协议。因此EtherNet/IP可以采用符合工业要求的商业以太网通信芯片、物理介质和各种拓扑结构。 EtherNet/IP协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和通用工业协议CIP（Common Industrial Protocol）等三个部分组成，前面两部分为标准以太网技术，在应用层采用和ControlNet、DeviceNet控制网络相同的适合实时工业控制的通用工业协议CIP。CIP一方面提供实时I/O通信，一方面实现信息的对等传输5。CIP协议采用了面向对象的方法去设计网

8、络设备，基于“对象”技术编程和设备组态。 EtherNet/IP能满足从高精度时间同步（100ns）、分布式伺服控制、离散控制、过程控制到安全系统等工业应用要求。 支持现场和远程监视、诊断和组态，可使用其他标准TCP/IP 以太网上的服务如HTTP、SNMP、SMTP等。 从EMC、安装防护等级各方面作出规定，保证EtherNet/IP产品适应严格的工业环境6。2. 系统设计及配置武汉卷烟厂2400Kg/h制丝线充分考虑了分组加工和柔性化生产的要求，包含了二次加料、气流干燥烘丝等新工艺，工艺线路复杂，全线根据工艺划分为叶片处理、切丝、烘丝/混丝、加香四个控制段。控制系统的设计相应采取了模块化单

9、元组合的控制思想，各控制单元可根据需要灵活组合形成生产路径。2.1 系统网络结构控制系统采用信息管理层、控制层、现场设备层三层结构，基于EtherNet / IP工业以太网组成全分布式控制系统，控制系统从底层的现场设备到控制层、信息管理层全部采用以太网，实现了以太网的“一网到底”。制丝线控制系统的网络设备主要包含14个ControlLogix站、3个FlexLogix站、11台电子秤(SLC500)、55个Flex I/O 站、84台 PowerFlex变频器、6台SMC Flex软启动器、6台现场操作员站等设备。此外制丝线的辅助设备如切丝机和除尘设备也使用EtherNet/IP来作为系统唯一

10、的网络连接，包括中控室的RSLinx数据服务器、操作员站，整个制丝生产线超过210个EtherNet/IP节点。系统网络结构如图1。图1 武汉卷烟厂2400Kg/h制丝线网络结构图2.2 控制层设计控制层设五台主交换机，分别对应一个中心控制室和叶片处理、切丝、烘丝/混丝、加香四个现场控制段的信息通讯。主干网由五台美国N-TRON公司MS2016模块化交换机和多模光纤组成，构成100M冗余环网，作为控制层主干通讯链路。每个现场控制段的主交换机下挂一台罗克韦尔自动化公司的ControlLogix 1756-L55M23主控PLC和若干台现场操作员站（计算机），PLC通过1756ENBT以太网通讯模

11、块和屏蔽双绞线连接到交换机。2.3 现场设备层设计考虑到制丝线现场设备分布较为集中，现场设备层采用N-TRON RS2-16卡轨式工业以太网交换机和双绞线组成100M星形网络（图2），带以太网接口的Flex I/O站和变频器、软启动器等现场设备可就近接入到各交换机，不带以太网接口的终端设备通过DeviceNet与系统通讯或就近接入Flex I/O。各交换机上连至主干环网交换机，形成100M主干环网带多个100M星形网的网络结构。因为双绞线的最大传输距离在100米左右，设计中根据控制区域要求合理设置了现场设备层交换机的位置，使各站点到接入交换机的双绞线长度控制在60米以内，尽量避免传输信号受到干

12、扰和衰减。图2 RS2-16交换机现场设备星形网络图网络交换机全部采用双电源冗余供电，由交换机24VDC电源提供一路电源，由网络交换机所在控制段电控柜提供另外一路电源，确保网络供电的可靠性。2.4 信息管理层设计中控室配置两台冗余I/O服务器和一台WEB/RSSQL/OPC服务器，设置三台监控客户计算机分别对叶片处理、切丝、混丝、加香等各工艺段进行集中监控。I/O服务器与监控计算机采用C/S架构，由I/O服务器统一采集底层控制系统的信息提供给监控计算机，中控室各监控客户计算机监控画面的可进行互相切换，监控范围可任意互换。设置一台管理计算机用于对PLC进行编程和系统维护。通过一台CISCO带路由

13、交换机，2400kg/h制丝线与原有制丝线两条生产线PLC之间的数据信息通过以太网进行通讯。中控室另外配置一台带单模光纤接口的CISCO带路由交换机，实现中控室与厂级局域网的以太网通讯。系统软件配置：操作系统采用Windows2000 Server和Windows2000 Professional；监控软件采用Rockwell公司RSView SE；通讯软件采用Rockwell公司RSLinx；网络管理软件采用N-TRON 公司Hivision 网络管理软件；数据库软件采用 ORACLE 9I专业版。2.5 系统流量控制 网络流量控制对于保证工业以太网的实时性和可靠性非常重要，如果网络流量过大

14、，会导致网络通讯中断。与一般以太网应用相比，I/O现场设备的数据包体积小、数量多，可以通过以下技术来进行网络流量控制：一是利用VLAN（虚拟局域网）技术7。通过VLAN划分控制区域，将每个主控PLC及其控制的Flex I/O和变频器、软起动器等现场设备分别划为一个独立的VLAN，各主控PLC另外配置一块以太网通讯模块与I/O服务器、监控计算机、管理计算机划为一个VLAN实现数据采集。这样每个VLAN各设备之间的通信数据包限制在本虚拟局域网内，不会占用主干网及其他VLAN的网络资源，从而降低整个网络的负载。二是利用IGMP（Internet Group Management Protocol）技

15、术8。EtherNet/IP的应用层采用CIP协议，CIP协议采用生产者/消费者(Producer/Consumer)通讯模型，系统中生产者数据可被多个消费者所同时接收，生产者/消费者模型不但提高了网络带宽的使用效率，而且还可以保证多个消费者同步接收同一数据9。EtherNet/IP使用组播实现生产者/消费者通讯模型所要求的功能，如果进行流量控制，要求交换机必须支持组播功能。应用选型时需要注意交换机必须具备足够的组播控制能力，否则超过组播控制能力部分的组播数据包会被转发给二层交换设备的所有端口，占用大量网络资源。我们在系统的管理型交换机上开启了IGMP Snooping功能，对组播数据包进行控

16、制处理，将组播数据包只转发到需要此组播数据包的端口，有效地节约网络带宽、降低网络负载。2.6 系统安全设计以太网的开放互连使网络安全成为不可忽视的问题，这直接涉及到现场的生产质量及设备人员安全，我们采取了以下安全措施：将厂级网和车间生产网段设置为不同的IP网段，通过服务器的双网卡实现隔离。将整个制丝线控制系统划分为多个VLAN，这不但降低了网络的负载，也将现场各区域设备通过VLAN隔离，提高现场设备的安全性。通过PLC编程和网管软件对网络状况进行实时诊断监控，并将其整合到系统监控画面中，具备必要的报警功能。采取鉴权措施10，屏蔽非法网络访问，根据职责分配用户操作权限，系统数据库能自动记录系统操

17、作及设备工艺参数修改事件，做到操作可查询可追溯。3. 系统优点本系统在实际使用中体现出以下优点： 实现了现场工业控制网络与企业信息网络的无缝连接和信息高效集成，形成了一个全开放的上下数据透明的通信网络，为信息控制一体化创造了条件。 网络通讯速率达到了100M，以太网的高带宽意味着系统能传送更多的信息，适应了企业信息系统数据量不断增加和复杂程度提高的需求，其速率是目前的现场总线无法比拟的。由于EtherNet/IP采用标准的以太网，可以很容易地将控制系统的主干环网络升级到千兆网络，将来视频监控等需传输大量数据的应用也可以集成到以太网中。 系统易于扩展和维护，网络配置简单灵活。因为以太网技术的广泛

18、应用，可以很方便地实现不同应用系统及不同厂家设备的互通互联和集成。 实现了系统远程维护和诊断，无须附加编程就可以通过IE浏览器来组态、诊断和监视现场设备，还可通过Email来查看现场设备所产生的报警信息。 主干网采用冗余环网，当线路出现故障时系统可自动快速恢复网络通讯。4. 结语武汉卷烟厂2400Kg/h制丝线于2006年2月投入生产，在国内率先在现场设备控制中大规模应用了EtherNet/IP工业以太网，经一年来的生产运行，控制系统稳定可靠。实际应用情况表明，EtherNet/IP工业以太网完全可以满足制丝线现场设备控制的实时性和可靠性，并且易于集成扩展、维护方便，克服了传统现场总线应用中的

19、一些缺点，取得了很好的应用效果。随着企业信息化步伐的加快和自身的不断发展，实时工业以太网技术在烟草自动化控制中的应用前景将会十分广阔。参考文献1 段明祥. 工业控制与自动化的创新与技术进展J. 自动化博览，2003（21）.2 夏德海. 现场总线的现状及其发展趋势J. 电气时代，2006（8）.3 蔡述庭，吴敏. 工业以太网及其嵌入式应用研究J. PLC&FA可编程控制器与工厂自动化， 2005（5）.4 孙优贤. 工业以太网及其应用展望R. 2002.5 冯冬芹，金建祥，褚 健. 工业以太网与实时以太网协议剖析J. PLC&FA可编程控制器与工厂自动化，2005（1）.6 罗克韦尔自动化公司

20、. 选择EtherNet/IP 把握工业以太网先机N. 标准工业以太网中国推广发布会，2005-5-23.7 王宝智，崔剑，尚小伟，等. 局域网设计与组网实用教程M. 北京：清华大学出版社，2006：75-80.8 史蒂文斯. TCP/IP 详解 卷1：协议M. 北京：机械工业出版社，2000：136-140.9 罗克韦尔自动化公司. 基于CIP（通用工业协议）的工业控制网络S. 2005.10 王廷尧，许书云，马秀荣，等. 以太网技术与应用M. 北京：人民邮电出版社，2005：212-213.作者简介：赖林（1973- ），学士，武汉烟草（集团）有限公司技术中心工程师，主要从事自动化控制技术研究。 E-mail：number1101 电话：027-68848286；13071235321