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簡析基于工業以太網的上位機監控系統
摘 要：工業以太網控制技術是一種新型的工業控制系統，隨著其無縫整合的特點，在工業自動化控制方面以其獨特的優勢，成為工業自動化控制方面比較熱門的技術，也是當前工業自動化發展的一個方向。
關鍵詞：工業以太網 上位機 監控系統
一、前言
工業以太網技術是現場總線控制技術和集散控制系統之后的又一新型的技術，具有便于安裝、有較高的傳輸速度、低能耗高兼容性的特點，在工業自動化控制方面的得到了很好的利用，工業控制對網絡技術的需求也給工業以太網提供了更為廣闊的發展空間。通過以太網將企業的信息和工業控制兩個網絡進行了無縫連接，創造工業自動化控制的新時代。
二、上位監控系統硬件設計
1、服務器與生產車間的網絡設計
中控室設置數據采集服務器一臺(工程師站)，作為SCADA服務器(監視控制和數據采集)系統以Windows2003Server為操作平臺，運行控制軟件(如STEP7)完成生產線各控制軟件編制及上下載、故障診斷，運行組態監控軟件(WinCC7.0)，完成設備控制信息和生產數據的采集工作，經過程序處理，生成各種文件，顯示各生產區域的動態畫面及圖形，對該區域的生產設備狀態、生產狀況、物流狀態進行動態模擬、實時監控，并實現實時反映生產環節中各部接口和設備的情況。
2、服務器與車間管理層的網絡設計
由于車間管理層和生產車間分屬于不同的網絡，因此設計了中央控制室計算機的雙網卡結構，以連接兩個不同的網絡，以便于計算機對兩個網絡信息的同時處理。其中一塊網卡用于監控現場控制裝置(PLC、HMI等)，另一塊網卡用于連接廠級管理服務器，讀取工藝參數，并作為上級管理計算機的終端。
3、客戶機及其附屬設備網絡設計
建立控制室局域網絡，且該局域網絡和生產車間網絡位于同一IP段。設置管理客戶機2臺(操作員站)，客戶機供操作員對特定控制區域進行生產設備狀態、生產狀況、物流狀態進行動態模擬、實時監控，并實現實時反映生產環節中各部接口和設備的情況。設置看板系統控制計算機1臺，從SCADA服務器讀取數據庫內的信息，建立顯示界面并對設備的運行狀況進行實時監視，并能自動記錄工藝參數、打印故障報表。中控室及PLC網絡采用以太網交換機(SWITCH)進行網絡聯接，現場以太網交換機(SWITCH)之間的聯接采用光纜。
三、WINCC與PLC的通信連接
在當前WINCC系統運行的過程中，PLC間要進行過程通訊，需要在PLC控制系統上安裝驅動程序來對PLC進行控制，在安裝的驅動程序中有很多的通道單元，利用硬件驅動程序和接口對驅動程序進行支持。通過邏輯連接，WINCC數據管理可以使用遠程PLC中的變量。依據所需的步驟，通道單元利用指定的通道來連接訪問過程值，進而獲得WINCC數據管理所需要的過程值。
四、WINCC與LED顯示屏同步顯示
當前LED的顯示可以通過對通訊進行控制實現同步顯示和異步顯示。所謂的同步顯示就是指通訊信號和LED顯示屏實施時時通訊;異步顯示是顯示屏和上位機不同步運行，各自進行獨立的運行。但需要上位機將顯示信息編輯并發送到顯示屏體。為減少系統復雜性，本文提出了一種WINCC組態軟件與LED顯示屏同步顯示的技術方案，該方案簡潔高效，便于實現，避免了大量的編程開發工作，顯示原理：操作員在WINCC開發環境中將顯示信息按照LED大屏顯示軟件的要求制作好，包括尺寸、分辨率、顯示坐標等，然后掃描卡開始實時掃描看板計算機顯示屏幕的固定區域，發送卡將掃描卡得到的顯示信息通過以太網發送到光電轉換器，電信號轉換為光信號后經光纖發送到現場LED屏幕上的光電轉換器上，光信號再轉換為電信號后進入接收卡。接收卡按照事先存入其中的參數信息，將信號調制為在LED允許范圍內的電信號，加載到屏幕上。這樣完成了電腦顯示屏和LED屏的同步顯示。
五、上位機程序設計
上位機選用西門子公司的WinCCV6.2編寫，該軟件除了具有組態軟件的基本功能外，還采用標準MicrosoftSQLServer2000數據庫進行與PLC的通信，將PLC采集的和處理過的數據通過畫面的形式顯示出來;同時接受操作員的調度命令，通過工業以太網，對現場的設備進行遠程操作。系統設計了5個功能畫面，包括主界面、輸送帶綜保畫面、故障記錄畫面、網絡狀態畫面和參數設置畫面。主界面顯示了系統的7條帶式輸送機，以動畫區分狀態分別為：正常、運行、通訊錯誤及報警等，表示的顏色可以自行設定，基于分布式工業以太網的自動監控系統網絡架構分為以下幾個層次。
1、傳感儀表層
為了實現對生產工業流程的全程監控，必須選用合適的傳感器對反應釜內的壓力和溫度進行實時監測，傳感器采用4～20mA電流信號作為傳輸介質，將模擬量信號傳輸到數據采集模塊中。
2、數據采集層
數據采集模塊接收傳感器傳送過來的模擬量信號，采集模塊通過網絡RJ45接口，借助于TCP-IP通信協議或者工業以太網Modbus-TCP協議實現模擬量數據信號的網絡傳輸，從而構建基于分布式工業以太網的網絡架構，實現全局域網內的數據傳輸。
3、PC終端
PC終端通過專用的組態軟件實現對眾多設備的參數變量的實時顯示，并提供友好的人機交互界面，完成數據的查詢、存儲和報表統計等管理功能。
4、驅動機構層
在檢測過程中相關的參數出現異常時，相應的控制指令會從PC終端發出，在驅動機構層將相關的指令進行執行或放大，實現最終的報警或聯動控制。
5、動作執行層
動作執行層主要由通氯閥和壓力閥構成，通氯閥的開度可以調節反應釜內的溫度，壓力閥的開度可以調節反應釜內的壓力，它們通過接收來自PC終端發出的控制指令，經過驅動放大轉變為閥門調節的開度大小，從而實現對化工生產工藝流程的自動控制。
六、系統功能設計
基于以太網的綜合自動化系統是面向化工廠的生產運行設備而開發設計的，因此系統的主要功能是實現對生產設備及其他相關設備的運行狀態參數的實時監測和自動控制。具體來說，本自動監控系統的功能主要包含以下幾個方面。
1、在線監測
通過布置合適的壓力變送器和溫度變送器，能夠對生產過程中的各種生產實際參數進行采集，通過對采集的數據進行分析實現監測控制，將監測到的數據利用以太網將其發送至上位機監控系統，這樣就能實現生產數據的時時檢測和控制。
2、數據查詢
依靠上位機軟件的功能開發，一方面實現了對在線監測數據的實時觀察;同時，利用曲線圖表反映設備運行狀態的走勢，輕松實現對數據的查詢與訪問，提高了數據的客觀性與真實性;并對相關設備的性能狀態參數作出合理的預估，提高對設備運行狀態和性能的合理判斷。另一方面，系統可自動對數據進行數據庫存儲操作，歷史數據均保存在軟件系統的數據庫中，在對某些設備進行檢修時，可以按照日期進行歷史數據的查詢。
3、生成報表與統計分析
上位機軟件能夠實現對數據的報表統計與分析，可以按照用戶的需求自動生成Word或者Excel報表文件，從而為用戶提供相關決策的數據支撐。
七、結束語
隨著當前科學技術的不斷發展，以太網在工業自動化控制方面的作用顯得更加的重要，以工業控制網絡與數據信息網絡的無縫整合的優點被廣泛的使用。雖然以太網在工業控制方面取得了很大的進步，但是在數據庫控制方面還有待加強，需要我們進一步改進，促進工業以太網更好的發展。
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