王志強（1973－）
男，湖北人，工程師，（武漢煙草集團武漢卷煙廠，湖北 武漢  430000）,畢業(yè)于合肥經(jīng)濟技術(shù)學(xué)院（今中國科技大學(xué)）工業(yè)自動化專業(yè)，現(xiàn)任武煙集團武漢卷煙廠電氣主任工程師。

摘要：工業(yè)以太網(wǎng)是一種新興的行業(yè)技術(shù)，在保持了早期現(xiàn)場總線的技術(shù)特點的同時，融入了大量最尖端的信息技術(shù)。目前它已經(jīng)成為了下一代工業(yè)產(chǎn)品中最具有發(fā)展?jié)摿吞攸c的技術(shù)。本文簡要介紹了關(guān)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的各項技術(shù)特點和基本概念，針對這門新技術(shù)在實際中的運用，提出了一些實際看法。并且較詳細的描敘了國內(nèi)第一條工業(yè)流水線的安裝，實施，調(diào)試和最終使用的過程，對于其中的很多問題都給出了具體的解決方案。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)級服務(wù)器；數(shù)據(jù)介質(zhì)；網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)；交換機；IGMP；現(xiàn)場總線；存儲介質(zhì)；IGMP；EtherNet/IP

Abstract: The industry ethernet is one emerging profession technology, maintaining the technical characteristic of the field bus in the early time, and integrating the massive most state-of-art information technology. At present it already became one technology with the most developing potential and characteristic in the next generation of industry product.This article introduces briefly about the traditional ethernet and the industry Ethernet, their technical characteristics and the basic concepts, and meanwhile in view of the practical applications of the industrial Ethernet technology , proposes some actual views. More detailed description is given about the process from instalment, implementation, debug and final application of the first domestic industry assembly line and the solution to a lot of problems occurring during the whole process.

Key words: Ethernet；industrial ethernet；industrial server；data medium；network hierarchical structure；switchboard；IGMP field bus；storage medium； EtherNet/IP

1 前言

    眾所周知，開放性、互聯(lián)互通性是自動化廠商與IT廠商的共同目標(biāo)，使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)將有利于自動化廠商與IT廠商的合作和整合，有利于為用戶提供真正意義上的完整解決方案。工業(yè)自動控制系統(tǒng)分為三個層次——信息層、控制層和設(shè)備層，現(xiàn)在EtherNet/IP已經(jīng)在工廠自動控制信息層上得到廣泛使用，并且也已經(jīng)大量應(yīng)用到控制器實時聯(lián)鎖層。在IO設(shè)備層，EtherNet/IP已經(jīng)進入并且實現(xiàn)了成功的案例。作為CIP技術(shù)最新發(fā)展的EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)，一個特別的好處就是使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)技術(shù)。這意味著，EtherNet/IP工業(yè)用戶能直接受益于標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)的持續(xù)創(chuàng)新、功能增強和成本降低等帶來的好處。并且，EtherNet/IP產(chǎn)品生產(chǎn)商可以自由、自主地選擇任何符合工業(yè)要求的TCP/IP以太網(wǎng)ASIC進行開發(fā)和生產(chǎn)。在EtherNet/IP產(chǎn)品開發(fā)和制造中，中國廠商和全球范圍內(nèi)的其他廠商完全站在同一條起跑線上。在武漢煙草集團武漢卷煙廠2400KG/H黃鶴樓精品生產(chǎn)線上，武漢卷煙廠選擇了工業(yè)自動化解決方案供應(yīng)商羅克韋爾自動化公司（Rockwell Automation）的EtherNet/IP，基本實現(xiàn)了“一網(wǎng)到底”的思路。

2 應(yīng)用情況

    武漢卷煙廠2400Kg線是一條剛剛投產(chǎn)的試驗線，整個試驗線分為：葉片處理線、切絲處理線、混絲處理線和加香處理線四個控制工藝段，每個工藝段包含一組主控柜、1臺現(xiàn)場操作站、部分智能化單機設(shè)備、多個構(gòu)件單元分布式控制箱和分布式安裝的變頻器，主控制器采用ControlLogix處理器安裝于控制柜內(nèi)，中央集控采用分布式RSView SE系統(tǒng)。

    2.1   系統(tǒng)構(gòu)成

    控制網(wǎng)絡(luò)采用羅克韋爾自動化公司的EtherNet / IP工業(yè)以太網(wǎng)，主干網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)形式，分支使用星形連接，各控制PLC、現(xiàn)場操作員終端、獨立的控制系統(tǒng)（如切絲機、電子秤）以及集中監(jiān)控層的集中段監(jiān)控機通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接到工業(yè)以太網(wǎng)上進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息共享。分布式I/O、變頻器、軟啟動器通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC連接；智能設(shè)備儀表如水分儀、流量計等采用DeviceNet連接；現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)（如電機、控制閥等）和檢測器件（如光電管、接近開關(guān)、溫度變送器、壓力變送器等）信號接入現(xiàn)場分布式I/O。

    主要設(shè)備包括以下設(shè)備：

    ● 18塊1756 ENBT

    ● 3塊1788 ENBT

    ● 7塊Logix5555系列PLC 

    ● 4塊FlexLogix系列PLC 

    ● 10臺電子秤(SLC500+Ethernet/IP)

    ● 50臺 Flex IO 站點

    ● 76臺 PowerFlex變頻器
   
    ● 2臺冗余HMI/數(shù)據(jù)服務(wù)器（RSView SE Server，雙網(wǎng)卡）

    ● 7臺現(xiàn)場操作站（RSView SE Client）

    ● 5臺中控多功能終端工作站（RSView SE Client）

    ● 1臺Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（雙網(wǎng)卡）

    ● 1臺域控制器（雙網(wǎng)卡）

    ● 1臺Web數(shù)據(jù)采集、發(fā)布服務(wù)器OPC（RSOPC Gateway，雙網(wǎng)卡）

    2.2   網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    光纖環(huán)網(wǎng)主要由可網(wǎng)管的帶光纖端口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機、光纜和光連接設(shè)備組成。主干交換機之間通過多模光纖組成的100M冗余環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，作為監(jiān)控層與控制層、控制器件間的通訊鏈路；應(yīng)用光纖的長距離傳輸、高抗干擾能力和交換機具備的快速生成樹功能，由五臺可網(wǎng)管的工業(yè)以太網(wǎng)交換機構(gòu)成冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)；交換機分別布置在集中控制室、葉片段、切絲段、混絲/烘絲段和加香段。其中，中控室交換機工作在冗余管理模式，實時檢測環(huán)網(wǎng)的工作狀況，在環(huán)網(wǎng)鏈路出現(xiàn)故障時實施鏈路切換，環(huán)網(wǎng)線路恢復(fù)時間小于500毫秒。

　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2

圖3

    處于核心數(shù)據(jù)層的是PLC節(jié)點，工控計算機和服務(wù)器節(jié)點，所有的數(shù)據(jù)交換幾乎都放在同一層次的網(wǎng)絡(luò)上，不分主次，這樣的好處是真正做到了開放式，所有的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)采集節(jié)點都是對等的。在實際調(diào)試中，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常方便，充分體現(xiàn)了以太網(wǎng)開放性。

    但VLAN設(shè)置也帶來了在現(xiàn)場調(diào)試的復(fù)雜性，每次更改設(shè)置都會帶來整個網(wǎng)絡(luò)的通訊暫停。其缺點也顯而易見，數(shù)據(jù)介質(zhì)的公用使得數(shù)據(jù)通道很擁塞，權(quán)限分工的不清晰，造成數(shù)據(jù)源長期處于繁忙中，數(shù)據(jù)的發(fā)送接收沒有優(yōu)先等級，對不同的需求和不同的優(yōu)先級不能兼顧，造成系統(tǒng)效率低下。在系統(tǒng)投入運行后，通訊不穩(wěn)定使生產(chǎn)線停機，經(jīng)過分析主要是光纖環(huán)網(wǎng)交換機VLAN控制和IGMP處理能力不足，造成網(wǎng)絡(luò)負載過重。

    網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理能力限制了VLAN的發(fā)揮，在實際使用過程中，由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)時間，即會發(fā)出大量的實時包，用于保證工業(yè)控制的實時性，但是每個包會非常小，甚至于是幾個字節(jié)的微小變化控制指令，這對于網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求極小，但是對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的處理能力要求很高。一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交換機的處理能力是255個組波播組，當(dāng)采用VLAN時，很有可能超出這個能力，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備基本都采用Multicastwave方式。這樣，很容易造成交換機的崩潰。

    另外，對于自動化流水線來說，最重要的是保證流水作業(yè)和工序的不間斷性，如果一旦出現(xiàn)故障，那么虛擬網(wǎng)技術(shù)需要相當(dāng)長的時間來恢復(fù)，更換交換機，配置網(wǎng)絡(luò)，而且很有可能從一個網(wǎng)段擴散到其他的地方，從而影響整個網(wǎng)絡(luò)。實際上，對于工業(yè)生產(chǎn)，穩(wěn)定是最重要的。實時控制對于工控非常重要，而系統(tǒng)的癱瘓或者擁堵哪怕是幾秒鐘對于流水作業(yè)來說都是災(zāi)難。而且對于故障設(shè)備的生產(chǎn)中最優(yōu)效率時間維護是多么的重要，能夠讓流水線迅速的恢復(fù)正常遠遠比了解故障的詳細狀況和徹底分析解決問題要重要并實際得多。

    綜上所述，我們放棄VLAN,而采用穩(wěn)定的物理分層結(jié)構(gòu)，這樣我們的維護工作變得簡單高效。

    3.2   工程設(shè)計分析

    工程設(shè)計是整個工程的一個關(guān)鍵所在，在一個自動控制流水線的初始設(shè)計階段，就應(yīng)該充分考慮，電氣設(shè)備的分布密度，數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O限，物理介質(zhì)距離和相互之間電源、電磁干擾，以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，分布策略等等。具體來說，比如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的數(shù)量將會決定節(jié)點交換機的選型，電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)量將會決定網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和傳輸介質(zhì)的具體參數(shù)型號。

    3.3   電氣施工分析

    電氣安裝施工是整個工程的另一個關(guān)鍵。重要設(shè)備的安裝，走線，比如變頻器的走線和接線方式，必須采取有效方式降低諧波干擾對設(shè)備的影響。強電和弱電信號線必須分開布局，專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)需要專業(yè)的器材和制作工具來安裝，還需要采用專業(yè)的測試工具來檢測各項質(zhì)量指標(biāo)。電源干擾和設(shè)備節(jié)點接地問題也必須重點考慮。

4 總結(jié)

    Ethernet/IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案的出現(xiàn)，對工業(yè)領(lǐng)域具有十分重要的意義，不僅提供了從設(shè)備層到企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)層的一整套無縫整合系統(tǒng)，更重要的是，它建立在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)平臺之上，已為眾多的技術(shù)人員所熟悉，保證了其今后會隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而得到進一步創(chuàng)新。作為一個日漸流行的開放標(biāo)準(zhǔn)，EtherNet/IP的技術(shù)優(yōu)勢可滿足自動化領(lǐng)域的廣泛需求。更可以為工業(yè)自動化提供一個整體的、高性價比、易于升級的解決方案。在武漢煙草集團武漢卷煙廠2400KG/H黃鶴樓精品生產(chǎn)線上的應(yīng)用EtherNet/IP，取得了良好效果。

作者信息:

    王志強，李  軍  （武漢煙草集團武漢卷煙廠，湖北 武漢  430000）