基于LAN/Control Net/Fieldbus分层结构的网络控制系统
日期：2006-4-30 10:18:27 来源：本文摘自《PLC&FA》
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随着计算机、自动控制、网络通信技术的不断发展，Internet所采用的通信协议TCP/IP成了事实上的工业标准，各大型企业内部普遍建设了办公自动化局域网(LAN, Local Area Network)—即信息网络。现场总线作为控制领域的网络，位于企业网的底层，所处的特殊环境及所承担的实时任务，是普通局域网难以取代的。为了实现信息共享和数据交流，某工程在企业已有信息网络的基础上，提出了一种采用现场总线网段通过网桥挂接工业控制网络，再通过网关与工厂局域网连接的LAN/Control Net/Fieldbus分层网络结构方案。以下对有关问题作简要讨论。
某汽车制造厂涂装生产线经多年运行，控制系统积累的问题已严重影响汽车生产的正常作业,存在问题如下:
(1) 原控制系统采用的DCS集散控制系统，元件可靠性差，系统工作不稳定，常发生死机现象，设备改型无扩展余地，系统功能改进受限;
(2) 电气控制停留在单机或单链控制水平，难于实现全车间各条车身输送链的联动控制;
(3) 生产线经多次陆续改造，线路混乱，控制程序冗踏，不利于维护，PLC与上位机通讯能力差，不利于设备监控、编程及故障诊断;设备组台不灵活，控制系统硬件和功能无法扩展;
(4) 设备温度、液位控制点多分散，继电器顺序控制、控制逻辑十分复杂，常因继电器线圈、触头发生故障导致生产线堵塞、停车，控制系统已进入技术淘汰期和设备报废期，故障频繁，存在极大的安全隐患;
(5) 生产与设备运行状态信息无法送入企业内部管理信息局域网，生产过程信息难以集成。
因此，整个控制系统应进行彻底改造，以提高生产效率和信息化水平。
2.2 系统改造的要求
控制系统改造,需要对生产线的过程控制PLC进行升级，淘汰旧的线路及检测元件, 使控制系统更先进[1], 更安全可靠, 以适应汽车车型调整对设备的更高要求。监控系统要完成设备之间的联网通讯及连锁控制功能, 实现车间监控层对生产设备的实时数据采集、在线控制、动态监视、设备故障报警及维护。该系统能够克服传统控制系统以下缺陷:
(1) 信息集成能力不强
控制器获取的信息量有限，大量的数据如现场设备运行参数、故障状态及故障记录等数据很难得到，底层数据不全，不能满足CIMS系统对底层数据的要求;
(2) 系统不开放，可集成性差，专业性不强
不同厂家的产品之间缺乏互操作性、互换性，系统很少留出接口允许其他厂商将自己控制技术如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去;
(3) 可靠性不易保证
对于大范围的分布式系统来说，大量的I/O电缆敷设施工不仅增加成本，也增加了系统的不稳定性;
(4) 可维护性不高
由于现场设备信息不全，设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难完成现场设备的远程参数化功能，影响系统的可维护性。
显然，基于传统控制技术的自动控制系统不能满足系统设计要求，因此在该项工程设计中将日本三菱CC-Link现场总线和Melsec Net/10控制网络结合起来, 网络采用现场总线+工业控制网+局域网(LAN/Control Net/Fieldbus)的结构层次。如图1所示。
图1 LAN/Control Net/Fieldbus分层网络的一般结构
3 控制网络改造设计
3.1 控制方案说明
(1) 系统结构
为结合原VIN条码管理系统来完成车间管理、调度功能，实现与局域网连接，构成计算机集成制造系统(CIMS)[2]，因此在改造设计中采用了设备现场级、车间过程监控级、工厂管理级三层网络结构:
·生产现场层
涂装生产线, 即网络控制系统底层采用CC-Link现场总线，负责将设备的运行情况反馈给车间监控层，并将监控层发出的生产控制指令传递给现场元件，如变频器、电磁阀、报警指示灯等;
·车间监控层
采用Melsec Net/10控制网络协议, 完成对前处理、升降机控制系统以及涂装生产线生产过程的监控，控制通过SCADA的工控计算机IPC来实现。工控计算机通过人机界面HMI向操作员发出信息提示、报警等, 并接受操作员的操作指令，将其向下层控制系统传递, 从而实现对生产过程的监控;此外，还向工厂管理层提供必要的生产信息。
1 引言
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
随着计算机、自动控制、网络通信技术的不断发展，Internet所采用的通信协议TCP/IP成了事实上的工业标准，各大型企业内部普遍建设了办公自动化局域网(LAN, Local Area Network)—即信息网络。现场总线作为控制领域的网络，位于企业网的底层，所处的特殊环境及所承担的实时任务，是普通局域网难以取代的。为了实现信息共享和数据交流，某工程在企业已有信息网络的基础上，提出了一种采用现场总线网段通过网桥挂接工业控制网络，再通过网关与工厂局域网连接的LAN/Control Net/Fieldbus分层网络结构方案。以下对有关问题作简要讨论。
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2 系统需求分析WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
2.1 存在问题分析
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某汽车制造厂涂装生产线经多年运行，控制系统积累的问题已严重影响汽车生产的正常作业,存在问题如下:
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(1) 原控制系统采用的DCS集散控制系统，元件可靠性差，系统工作不稳定，常发生死机现象，设备改型无扩展余地，系统功能改进受限;
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(2) 电气控制停留在单机或单链控制水平，难于实现全车间各条车身输送链的联动控制;
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(3) 生产线经多次陆续改造，线路混乱，控制程序冗踏，不利于维护，PLC与上位机通讯能力差，不利于设备监控、编程及故障诊断;设备组台不灵活，控制系统硬件和功能无法扩展;
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(4) 设备温度、液位控制点多分散，继电器顺序控制、控制逻辑十分复杂，常因继电器线圈、触头发生故障导致生产线堵塞、停车，控制系统已进入技术淘汰期和设备报废期，故障频繁，存在极大的安全隐患;
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(5) 生产与设备运行状态信息无法送入企业内部管理信息局域网，生产过程信息难以集成。
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因此，整个控制系统应进行彻底改造，以提高生产效率和信息化水平。
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2.2 系统改造的要求
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控制系统改造,需要对生产线的过程控制PLC进行升级，淘汰旧的线路及检测元件, 使控制系统更先进[1], 更安全可靠, 以适应汽车车型调整对设备的更高要求。监控系统要完成设备之间的联网通讯及连锁控制功能, 实现车间监控层对生产设备的实时数据采集、在线控制、动态监视、设备故障报警及维护。该系统能够克服传统控制系统以下缺陷:
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(1) 信息集成能力不强
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控制器获取的信息量有限，大量的数据如现场设备运行参数、故障状态及故障记录等数据很难得到，底层数据不全，不能满足CIMS系统对底层数据的要求;
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(2) 系统不开放，可集成性差，专业性不强
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不同厂家的产品之间缺乏互操作性、互换性，系统很少留出接口允许其他厂商将自己控制技术如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去;
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(3) 可靠性不易保证
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对于大范围的分布式系统来说，大量的I/O电缆敷设施工不仅增加成本，也增加了系统的不稳定性;
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(4) 可维护性不高
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由于现场设备信息不全，设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难完成现场设备的远程参数化功能，影响系统的可维护性。
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显然，基于传统控制技术的自动控制系统不能满足系统设计要求，因此在该项工程设计中将日本三菱CC-Link现场总线和Melsec Net/10控制网络结合起来, 网络采用现场总线+工业控制网+局域网(LAN/Control Net/Fieldbus)的结构层次。如图1所示。
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3 控制网络改造设计
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3.1 控制方案说明
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(1) 系统结构
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为结合原VIN条码管理系统来完成车间管理、调度功能，实现与局域网连接，构成计算机集成制造系统(CIMS)[2]，因此在改造设计中采用了设备现场级、车间过程监控级、工厂管理级三层网络结构:
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·生产现场层
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涂装生产线, 即网络控制系统底层采用CC-Link现场总线，负责将设备的运行情况反馈给车间监控层，并将监控层发出的生产控制指令传递给现场元件，如变频器、电磁阀、报警指示灯等;
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·车间监控层
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采用Melsec Net/10控制网络协议, 完成对前处理、升降机控制系统以及涂装生产线生产过程的监控，控制通过SCADA的工控计算机IPC来实现。工控计算机通过人机界面HMI向操作员发出信息提示、报警等, 并接受操作员的操作指令，将其向下层控制系统传递, 从而实现对生产过程的监控;此外，还向工厂管理层提供必要的生产信息。
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