基于工业以太网的模具自动化生产系统设计.PDFVIP

基于工业以太网的模具自动化生产系统设计 摘 要：分析传统以太网应用于工业控制中存在的问题，叙述工业以太网中的关键技术改进策略， 并基于模具生产的实际控制需求，提出将工业以太网与现场总线技术相结合的模具自动化生产系 统层次架构模型。 关键词：工业以太网 现场总线 模具 自动化生产系统 0 引言 自20 世纪80 年代至今，工业自动化控制先后经历了DCS、PLC 及现场总线控制的逐级发展 过程。控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于采用开放性、透明的通讯协议。随着信息技术 的不断飞跃，工业以太网逐渐成为一种能够弥补工业控制领域现有不足，实现全系统统一、高效、 实时的方法或技术，迅速发展、成熟壮大 。 生产自动化集成（亦成为控制保护一体化）系统指集控制、保护、中央信号、通信、管理和 远动功能于一体，采用分层结构的分布式多微机构成监控保护生产自动化系统。生产自动化集成 系统可充分利用当地信息资源，做到资源共享，提高设备利用率和整体监控功能，使用一套系统 完成以前多套分离的自动化系统完成的工作。 1 工业以太网存在的问题 工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3 标准）兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠 性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。Ethernet 过去被认为是一种“非确 定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT 领域应用而开发的，在工业控制领域只能得到有 限应用，这是由于： 1）Ethernet 的介质访问控制（MAC）层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD） 方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求； 2）Ethernet 所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工 业现场恶劣环境要求； 3）在工厂环境中，Ethernet 抗干扰（EMI）性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本 质安全性能； 4）Ethernet 不能通过信号线向现场设备供电问题 2 工业以太网的发展现状和趋势 随着互联网技术的发展与普及推广，Ethernet 传输速率的提高和Ethernet 交换技术的发 展，上述问题在工业以太网中正在迅速得到解决，并使Ethernet 全面应用于工业控制领域成为 可能。目前工业以太网技术的发展体现在以下几个方面： 1）通信确定性与实时性：目前，Ethernet 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，即网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，交换机将网络划分为若干个网段。 Ethernet 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；同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每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，也不占用其它网段的带宽，从而降低了所有 网段和主干网的网络负荷。再次，全双工通信又使得端口间2 对双绞线（或2 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，可使网络上的 冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此使Ethernet 通信确定性 和实时性大大提高。 2）工业可靠性：以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性 需要。如超高或超低的工作温度，大马达或大导体产生的影响信道传输特性的强电磁噪声等。在 工厂环境中，工业网络必须具备较好的可靠性、可恢复性及可维护性。 3）安全性：一般情况下，工业以太网络采用网络隔离等办法，将控制网络同信息网络系统 相分离，配合防火墙、数据加密等多种安全机制，加之当前工厂自动化控制网络软件趋于成熟， 确保了整个以太网络的可靠运行。 4）总线供电问题：总线供电是指连接到现场设备的线缆不仅传输数据信号，还能给现场设 备提供工作电源。当前，工业以太网可通过以下两种方式对现场设备实施供电：①在目前以太网 标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交 流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离开来；②不改变目前物理层的结构，而通过连接电 缆中的空闲线缆为现场设备提供电源。 3 在模具自动化生产系统中的应用 模具生产的加工过程彼此相对独