模擬量輸入輸出模塊 AIO288

 1． 以太網(wǎng)技術(shù)介紹 
    一般來(lái)講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線或其他專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層，很多的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。以太網(wǎng)之所以給自動(dòng)化市場(chǎng)帶來(lái)風(fēng)暴式的革命，主要有3個(gè)原因：低成本的刺激和速度的提高；現(xiàn)代企業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息有越來(lái)越多的要求；以太網(wǎng)的開(kāi)放性和兼容性。

    早期的以太網(wǎng)，多節(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)傳輸媒體，稱(chēng)為共享以太網(wǎng)(Shared Ethernet)，節(jié)點(diǎn)間通信采用廣播方式，易發(fā)生沖突。共享以太網(wǎng)用CSMA/CD技術(shù)來(lái)避免沖突，即發(fā)送方檢測(cè)到?jīng)_突就暫停發(fā)送，隨機(jī)延遲一段時(shí)間后再重新發(fā)送直到成功。由于延遲時(shí)間是隨機(jī)的，不能事先知道，因而共享以太網(wǎng)的時(shí)間響應(yīng)具有不確定性，不能用于強(qiáng)實(shí)時(shí)性場(chǎng)合。

    交換以太網(wǎng)(Switched Ethernet)的出現(xiàn)克服了這一缺點(diǎn)，以太網(wǎng)的交換機(jī)(Switch)是數(shù)據(jù)鏈路層(ISO/OSI參考模型第二層)的多端口網(wǎng)橋，也可以說(shuō)是智能分配器。交換機(jī)將其管理的網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為許多物理上互相隔離而邏輯上互相聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，每一節(jié)點(diǎn)單獨(dú)與交換機(jī)建立物理連接，在通信的時(shí)候交換機(jī)會(huì)在發(fā)送端口與接受端口間建立一個(gè)獨(dú)占的全雙工通道，它具有以太網(wǎng)的全部帶寬并避免沖突。

    交換以太網(wǎng)在獲得確定性的同時(shí)，傳輸速度也有極大的提高。千兆以太網(wǎng)已普及，10Gb/s的交換以太網(wǎng)正在開(kāi)發(fā)。當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，應(yīng)用層含有HTTP(文本傳輸協(xié)議)、FTP (文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)。這些基于TCP/IP的協(xié)議簇已經(jīng)成為工業(yè)界事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在不同廠商的不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)方面起著關(guān)鍵作用。但當(dāng)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在應(yīng)用層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。

    工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設(shè)備層采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場(chǎng)，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來(lái)越強(qiáng)，在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶(hù)也可以和控制層的用戶(hù)一樣直接獲取控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構(gòu)和開(kāi)放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱(chēng)為“透明工廠”。

    此外，通過(guò)Internet可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，將實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)的用戶(hù)需求結(jié)合起來(lái)，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機(jī)會(huì)和市場(chǎng)的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)化的要求。

    2． 串口上網(wǎng)技術(shù) 
    以太網(wǎng)作為IT產(chǎn)業(yè)的主要通訊骨干，已是眾所皆知的事實(shí)，并已大量的應(yīng)用在人類(lèi)生活息息相關(guān)的信息產(chǎn)業(yè)上。面對(duì)這股網(wǎng)絡(luò)化的潮流，身為所有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，也廣泛的應(yīng)用TCP/IP以太網(wǎng)作為系統(tǒng)通訊界面，并積極發(fā)展更符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)品，提高系統(tǒng)自動(dòng)化的能力，從而達(dá)到降低成本、提升競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。

    但是,在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的過(guò)程里,由于許多傳統(tǒng)的串口設(shè)備未具備聯(lián)網(wǎng)能力,在控制指令與設(shè)備信息的傳遞上,必須要有串行通訊轉(zhuǎn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的方案。而串口通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)單、易用，性?xún)r(jià)比高，是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的理想選擇?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已出現(xiàn)MOXA的Nport系列串口上網(wǎng)服務(wù)器。

    使用MOXA的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)程序，MOXA的串行端口可以被仿真成是遠(yuǎn)程的COM端口，不需要更改系統(tǒng)原有使用串行通訊的應(yīng)用軟件或通訊元件。好處在于，有了Windows和Linux/Unix的驅(qū)動(dòng)程序支持，Nport 家族 可以立即讓串口設(shè)備具備聯(lián)網(wǎng)的能力。Nport 家族設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器包含完整的TCP/IP協(xié)議。它可以把串口數(shù)據(jù)包裝成TCP封包，并轉(zhuǎn)換成可以在Ethernet上傳送的Frame，傳送到主機(jī)的以太網(wǎng)卡上。主機(jī)以自己的TCP/IP協(xié)議解封包后，應(yīng)用程序可以接收到完整的串口數(shù)據(jù)。

    通過(guò)Nport 家族 TCP端口，可不是用驅(qū)動(dòng)程序，而以TCP/IP Socket來(lái)存取串口數(shù)據(jù)。這種解決方案適合于所有具備TCP/IP連接功能的系統(tǒng)。讓串口設(shè)備具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)界面，可提高企業(yè)管理與原作效率。由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程、機(jī)動(dòng)性管理的特性，大大減低系統(tǒng)故障維護(hù)與人力成本，是一個(gè)底成本效益的串口設(shè)備管理模式。

     3.基于以太網(wǎng)的DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3．1以某石膏粉生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)為例，原理：石膏粉生產(chǎn)線分破碎、粉磨、炒制及包裝等幾大部分。 
    破碎：將生料送入一次破碎機(jī)中破碎，一次破碎后的生料由提升機(jī)送入料倉(cāng)1中，料倉(cāng)1下掛有電振機(jī)，啟動(dòng)電振機(jī)即可將一次破碎后的生料送入二次破碎機(jī)中進(jìn)行二次破碎，二次破碎后的生料由提升機(jī)送入料倉(cāng)2，待料倉(cāng)2下的電振機(jī)啟動(dòng)即可將破碎后生料送入磨機(jī)進(jìn)行粉磨。

     粉磨：破碎后的生料進(jìn)入磨機(jī)進(jìn)行粉磨，粉磨后的粉料由絞刀1#經(jīng)提升機(jī)、絞刀2#送入預(yù)熱倉(cāng)，預(yù)熱倉(cāng)的粉料再經(jīng)下面雙絞刀3#、4#送入炒鍋進(jìn)行炒制。其中，預(yù)熱倉(cāng)中粉料的料位由料位傳感器測(cè)得，經(jīng)變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道。 
             
    炒制及包裝：粉料經(jīng)雙絞刀3#、4#送入炒鍋中進(jìn)行炒制，當(dāng)炒鍋中粉料的料位達(dá)到上限值時(shí)，停止雙絞刀3#、4#。炒鍋一邊加熱，一邊用攪拌器攪拌粉料，當(dāng)粉料溫度達(dá)溫度設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)閥門(mén)電機(jī)，粉料泄入料倉(cāng)3中。當(dāng)炒鍋中粉料的料位達(dá)到下限值時(shí)，啟動(dòng)雙絞刀3#、4#，預(yù)熱倉(cāng)中的粉料進(jìn)入炒鍋，使炒鍋的溫度低于溫度設(shè)定值，停止閥門(mén)電機(jī)，粉料進(jìn)入下一輪炒制。料倉(cāng)3中的熟料，由絞刀5#經(jīng)提升機(jī)機(jī)送入料倉(cāng)4，再經(jīng)絞刀6#輸出包裝。其中，炒鍋中粉料的溫度由溫度傳感器測(cè)得，經(jīng)變送后輸出給PLC模擬塊的輸入通道；絞刀6#的輸出速度由變頻器控制，以便調(diào)節(jié)其輸出速度。限于篇幅省略工藝流程圖（需要可與作者聯(lián)系）

    3． 2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 
    系統(tǒng)利用以太網(wǎng)技術(shù)，采用集中管理分散控制的方式。根據(jù)石膏粉生產(chǎn)線破碎、粉磨、炒制及包裝三大部分的控制要求，用三臺(tái)CPM1A型OMRON PLC實(shí)現(xiàn)控制。

    本系統(tǒng)選擇1對(duì)3串口服務(wù)器。只需在上位機(jī)按裝 Windows 95/98/ME, Windows NT, 和 Windows 2000 native COM 驅(qū)動(dòng)程序,給MOXA多串口服務(wù)器設(shè)置IP地址，上位機(jī)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)與MOXA Nport-Server通訊，下位機(jī)（PLC）通過(guò)RS-232轉(zhuǎn)換器與MOXA多串口服務(wù)器通訊相連，并分配虛擬COM口，上位機(jī)組態(tài)軟件需要設(shè)計(jì)下位計(jì)算機(jī)的所有系統(tǒng)組態(tài)程序，建立相應(yīng)的COM3-COM5硬件設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)置組態(tài)，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以通過(guò)訪問(wèn)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)（與以太網(wǎng)方案相同，需要在組態(tài)軟件上發(fā)布WEB頁(yè)面），遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以直接訪問(wèn)MOXA多串口服務(wù)器的IP地址，直接讀取TCP/IP數(shù)據(jù)包，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體設(shè)計(jì)為破碎站PLC為COM3口，粉磨站PLC為COM4口、炒制及包裝站PLC為COM5口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 

             
    本系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線方式相比，具有成本低，控制距離遠(yuǎn)（連入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)均可對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控），易于管控結(jié)合等特點(diǎn)。

    3.3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 
    系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用組態(tài)王組態(tài)軟件。因?yàn)榻M態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性的客戶(hù)服務(wù)器模式，所以客戶(hù)服務(wù)器是相對(duì)的。按系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架系統(tǒng)有管理站，下位機(jī)分破碎站,粉磨站和炒制及包裝站，各工作站分別安裝組態(tài)王6.0網(wǎng)絡(luò)版。以太網(wǎng)構(gòu)架。需在每一工作站組態(tài)王“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”項(xiàng)中選擇聯(lián)網(wǎng)，管理站設(shè)置為登陸服務(wù)器和WEB SERVER服務(wù)器生成需要通過(guò)Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控瀏覽的界面，并且需要把本站點(diǎn)上的工程所在路徑下的文件夾設(shè)置為共享方式。然后再在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”項(xiàng)中進(jìn)行“客戶(hù)配置”定義本地計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)目蛻?hù)功能，并且可充當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)的客戶(hù)。一個(gè)系統(tǒng)中登陸服務(wù)器只有一個(gè)均選擇管理站。進(jìn)行以上配置前提為網(wǎng)絡(luò)中的所有站點(diǎn)均需在網(wǎng)絡(luò)中，并且可以中常通訊。

    網(wǎng)絡(luò)信息傳遞即網(wǎng)絡(luò)變量的引用。組態(tài)王可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的變量直接引用。