基于工业以太网的上位机监控系统

基于工业以太网的上位机监控系统
摘要：工业以太网控制技术是一种新型的工业控制系统，随着其无缝整合的特点，在工业自动化控制方面以其独特的优势，成为工业自动化控制方面比较热门的技术，也是当前工业自动化发展的一个方向。

关键词：工业以太网上位机监控系统
一、前言
工业以太网技术是现场总线控制技术和集散控制系统之后的又一新型的技术，具有便于安装、有较高的传输速度、低能耗高兼容性的特点，在工业自动化控制方面的得到了很好的利用，工业控制对网络技术的需求也给工业以太网提供了更为广阔的发展空间。

通过以太网将企业的信息和工业控制两个网络进行了无缝连接，创造工业自动化控制的新时代。

二、上位监控系统硬件设计
1、服务器与生产车间的网络设计
中控室设置数据采集服务器一台（工程师站），作为SCADA服务器（监视控制和数据采集）系统以Windows2003Server为操作平台，运行控制软件（如STEP7）完成生产线各控制软件编制及上下载、故障诊断，运行组态监控软件（WinCC7.0），完成设备控制信息和生产数据的采集工作，经过程序处理，生成各种文件，显示各生产区域的动态画面及图形，对该区域的生产设备状态、生产状况、物流状态进行动态模拟、实时监控，并实现实时反映生产环节中各部接口和设备的情况。

2、服务器与车间管理层的网络设计
由于车间管理层和生产车间分属于不同的网络，因此设计了中央控制室计算机的双网卡结构，以连接两个不同的网络，以便于计算机对两个网络信息的同时处理。

其中一块网卡用于监控现场控制装置（PLC、HMI等），另一块网卡用于连接厂级管理服务器，读取工艺参数，并作为上级管理计算机的终端。

3、客户机及其附属设备网络设计
建立控制室局域网络，且该局域网络和生产车间网络位于同一IP段。

设置管理客户机2台（操作员站），客户机供操作员对特定控制区域进行生产设备状态、生产状况、物流状态进行动态模拟、实时监控，并实现实时反映生产环节中各部接口和设备的情况。

设置看板系统控制计算机1台，从SCADA服务器读取数据库内的信息，建立显示界面并对设备的运行状况进行实时监视，并能自动记录工艺参数、打印故障报表。

中控室及PLC网络采用以太网交换机（SWITCH）
进行网络联接，现场以太网交换机（SWITCH）之间的联接采用光缆。

三、WINCC与PLC的通信连接
在当前WINCC系统运行的过程中，PLC间要进行过程通讯，需要在PLC 控制系统上安装驱动程序来对PLC进行控制，在安装的驱动程序中有很多的通道单元，利用硬件驱动程序和接口对驱动程序进行支持。

通过逻辑连接，WINCC 数据管理可以使用远程PLC中的变量。

依据所需的步骤，通道单元利用指定的通道来连接访问过程值，进而获得WINCC数据管理所需要的过程值。

四、WINCC与LED显示屏同步显示
当前LED的显示可以通过对通讯进行控制实现同步显示和异步显示。

所谓的同步显示就是指通讯信号和LED显示屏实施时时通讯；异步显示是显示屏和上位机不同步运行，各自进行独立的运行。

但需要上位机将显示信息编辑并发送到显示屏体。

为减少系统复杂性，本文提出了一种WINCC组态软件与LED显示屏同步显示的技术方案，该方案简洁高效，便于实现，避免了大量的编程开发工作，显示原理：操作员在WINCC开发环境中将显示信息按照LED大屏显示软件的要求制作好，包括尺寸、分辨率、显示坐标等，然后扫描卡开始实时扫描看板计算机显示屏幕的固定区域，发送卡将扫描卡得到的显示信息通过以太网发送到光电转换器，电信号转换为光信号后经光纤发送到现场LED屏幕上的光电转换器上，光信号再转换为电信号后进入接收卡。

接收卡按照事先存入其中的参数信息，将信号调制为在LED允许范围内的电信号，加载到屏幕上。

这样完成了电脑显示屏和LED屏的同步显示。

五、上位机程序设计
上位机选用西门子公司的WinCCV6.2编写，该软件除了具有组态软件的基本功能外，还采用标准MicrosoftSQLServer2000数据库进行与PLC的通信，将PLC采集的和处理过的数据通过画面的形式显示出来；同时接受操作员的调度命令，通过工业以太网，对现场的设备进行远程操作。

系统设计了5个功能画面，包括主界面、输送带综保画面、故障记录画面、网络状态画面和参数设置画面。

主界面显示了系统的7条带式输送机，以动画区分状态分别为：正常、运行、通讯错误及报警等，表示的颜色可以自行设定，基于分布式工业以太网的自动监控系统网络架构分为以下几个层次。

1、传感仪表层
为了实现对生产工业流程的全程监控，必须选用合适的传感器对反应釜内的压力和温度进行实时监测，传感器采用4～20mA电流信号作为传输介质，将模拟量信号传输到数据采集模块中。

2、数据采集层
数据采集模块接收传感器传送过来的模拟量信号，采集模块通过网络RJ45接口，借助于TCP-IP通信协议或者工业以太网Modbus-TCP协议实现模拟量数据信号的网络传输，从而构建基于分布式工业以太网的网络架构，实现全局域网内的数据传输。

3、PC终端
PC终端通过专用的组态软件实现对众多设备的参数变量的实时显示，并提供友好的人机交互界面，完成数据的查询、存储和报表统计等管理功能。

4、驱动机构层
在检测过程中相关的参数出现异常时，相应的控制指令会从PC终端发出，在驱动机构层将相关的指令进行执行或放大，实现最终的报警或联动控制。

5、动作执行层
动作执行层主要由通氯阀和压力阀构成，通氯阀的开度可以调节反应釜内的温度，压力阀的开度可以调节反应釜内的压力，它们通过接收来自PC终端发出的控制指令，经过驱动放大转变为阀门调节的开度大小，从而实现对化工生产工艺流程的自动控制。

六、系统功能设计
基于以太网的综合自动化系统是面向化工厂的生产运行设备而开发设计的，因此系统的主要功能是实现对生产设备及其他相关设备的运行状态参数的实时监测和自动控制。

具体来说，本自动监控系统的功能主要包含以下几个方面。

1、在线监测
通过布置合适的压力变送器和温度变送器，能够对生产过程中的各种生产实际参数进行采集，通过对采集的数据进行分析实现监测控制，将监测到的数据利用以太网将其发送至上位机监控系统，这样就能实现生产数据的时时检测和控制。

2、数据查询
依靠上位机软件的功能开发，一方面实现了对在线监测数据的实时观察；同时，利用曲线图表反映设备运行状态的走势，轻松实现对数据的查询与访问，提高了数据的客观性与真实性；并对相关设备的性能状态参数作出合理的预估，提高对设备运行状态和性能的合理判断。

另一方面，系统可自动对数据进行数据库存储操作，历史数据均保存在软件系统的数据库中，在对某些设备进行检修时，可以按照日期进行历史数据的查询。

3、生成报表与统计分析
上位机软件能够实现对数据的报表统计与分析，可以按照用户的需求自动生成Word或者Excel报表文件，从而为用户提供相关决策的数据支撑。

七、结束语
随着当前科学技术的不断发展，以太网在工业自动化控制方面的作用显得更加的重要，以工业控制网络与数据信息网络的无缝整合的优点被广泛的使用。

虽然以太网在工业控制方面取得了很大的进步，但是在数据库控制方面还有待加强，需要我们进一步改进，促进工业以太网更好的发展。

参考文献
[1]马丁.西门子PLC应用程序设计.[M]北京：电子工业出版社，2008
[2]王旸.基于几种工业以太网通讯协议的应用及分析[J].工业技术，2011。