基于工業以太網的自動化生產線DCS控制系統設計

金世昕

（重慶川儀控制系統有限公司 上海分公司 上海 201204）

1 引言

隨著工業現代化的發展速度不斷加快，其對相應的生產流程和加工流程的自動化需求也愈發明顯。在六十年代末，工業生產規模達到了前所未有的高度，這也就導致工業生產亟需帶有數據處理功能的工業控制系統。

最初的計算機控制主要是用于自動化生產線的集中監控，輔以數據處理能力，以實現信息通信等目的。在后續的發展過程中，逐漸引入了DCS控制系統?？傮w架構上來看，DCS控制系統的分布特點是以分級遞接的形式存在，將硬件部分劃分為若干個微處理器，并由多個控制站控制系統回路。受大數據技術以及信息技術發展的影響，DCS控制系統已經被廣泛應用于各個生產加工領域[1-2]。

目前，已有相關學者設計基于支持向量機的自動化生產線DCS系統、基于卷積神經網絡的生產線DCS控制系統等成果。然而在實際應用中發現，傳統的自動化生產線DCS控制過程存在IO占用率過高的問題。

工業以太網能夠在一定程度上緩解系統的數據共享以及數據交換的局限性，將其應用在自動化生產線DCS控制系統中，是目前值得深入研究的課題?；谏鲜龇治?，本研究基于工業以太網設計了一種新的自動化生產線DCS控制系統。

2 系統硬件設計

自動化生產線DCS控制系統硬件主要包括：主控制器各類型電動機、以及相應的電路設備等。主控制器作為系統硬件的核心部分，還需要設置輸入、輸出模塊和上位機。主控制器在與外界通信過程中，負責數據實時交互任務。同時，為了避免數據冗余的情況出現，還要通過上位機實時調整信號處理的路徑。通常情況下，系統數據來源可分為兩種，一種是外設輸入數據，另一種是主控制器本身的輸出數據。而在通信模式下，這兩種數據都需要對運行信息加以匯總，并反饋給上位機。系統硬件的整體結構如圖1所示。

圖1 系統硬件的整體結構

從圖1可知，三個主要部分之間是通過通訊鏈路連接的。根據系統運行要求，選擇P1020作為系統硬件的主CPU芯片，該芯片性質為工業級芯片。同時，滿足工作頻率在550MHz～820 MHz的要求，具有多個網絡接口，包括 RMII，SGMII以及 MII等類型。當硬件中的控制器發送執行指令時，驅動器作為接收端，就會發出對應的電流運動值，以保證指令傳輸的過程中馬達能夠保持正常運轉狀態。此時的檢測器，需要提取實時的馬達轉速，并將數據反饋給主控制器，以形成馬達運動值與設定值之間閉環。

為了保證與上位機的順利連接，設置 RJ45外接連接器，并實現PCI-E到SGMII接口的轉換?；谝陨厦枋?，完成自動化生產線DCS控制系統硬件設計的步驟。

3 系統軟件設計

3.1 工業以太網識別自動化生產線訪問控制特征

自動化生產線 DCS控制系統的操作重點就在于分散了操作站與控制單元的功能部署，在保證分散管理的同時，又能對系統的整體運行進行集中管理[3]。時至今日，已經不單是以封閉系統形式存在。系統中訪問控制特征主要是體現在數據交換限制條件下，在固定交換區塊內，以安全訪問形式將采集到的數據轉移到區塊外部空間。為了保證工業以太網中的數據流能夠順利發送，需要計算工業以太網整體負荷，并且保證計算結果小于系統的數據承載量。則工業以太網的整體負荷計算式為：

式（1）中，T 表示在固定時間內，系統能夠同時處理的數據幀總數，γ 表示單位時間，m 表示工業以太網的節點數量。式（1）表明，在單位時間內，相應的數據處理模塊必須將本次接收到的數據處理完畢。在此基礎上，得出接收鏈路與源節點之間的關系，表達公式如下：

式（2）中，φ 表示數據幀的總數，n 表示系統中接收鏈路的容量。同時，由于本次設計的系統對電壓精度的要求相對較高，因此，需要獲取各個電壓狀態下的功耗，以此確定電源轉換流程。由于本次磁通是在工業以太網的背景下設計，因此除了部件部分芯片自身的接口外，在軟件部分還要擴展出至少兩路 RGMII以太網網絡接口[4-5]。在以上描述的基礎上，完成識別自動化生產線訪問控制特征的步驟。

3.2 優化DCS控制系統軟件通信功能

根據上一節描述可知，多數工業以太網的訪問控制都需要通過擴展型訪問列表實現。而系統中的控制功能，通常是由生產對象屬性決定的。在發送數據傳輸以及數據交換協議過程中，需要在總線中設置主從式的通信服務模式。這種通信服務模式必須先定義一個數據單元，并且在通信過程中能夠直接跳過基礎通信層，直接到達附加域通信層。通信過程中如果數據集沒能夠在緩沖區留下存儲痕跡，則會造成整個系統通信延時，因此，需要計算整個傳輸過程中存在的延時，計算式如下：

式（3）中，η 表示網絡中節點之間的延時，σ表示不存在數據幀沖突的延時。當目標節點在忙碌狀態無法存儲數據幀時，求取系統控制器發送數據的節點數量，具體為：

式（4）中，ε 表示系統中數據鏈路層，以太網幀的頭部長度， r表示采樣周期。根據公式（3）和公式（4）的計算結果，可以規定系統中數據幀校驗模式，將原有短幀結構擴展成不設上限的數據幀接收結構[6]。同時，在上位機發送報文幀之后，啟動對應鏈路計時器，確保通信順利?；诖?，完成優化DCS控制系統軟件通信功能步驟。

4 系統測試

4.1 搭建測試環境

為了測試此次設計的基于工業以太網自動化生產線DCS控制系統的應用效果，對其展開系統測試。

測試設備包括兩臺配置相同的可重構伺服電機裝置，上位機以及多軸控制器一臺。同時，選擇操作系統為 Windows，開發環境選擇 CCS/ keil MDK-ARM，并將Matlab作為上位機調試工具。

在測試開始之前，對系統的輸入電源進行常規功能測試，確保電源輸入與系統參數相匹配。為了保證測試時用電負荷質量，設置UPS參數：電壓范圍在220V±5 %之間、電壓瞬間中斷范圍在12.5～25 ms內、諧波范圍小于等于5 %、頻率范圍在50±0.5 Hz。并在此基礎上，以USB接口為媒介，連接伺服驅動器。USB虛擬串口作為多軸控制器與上位機的通信工具，識別虛擬串口指令。在上述實驗環境中，展開系統應用測試。

4.2 測試結果

分別選取傳統且基于支持向量機的自動化生產線DCS系統、基于卷積神經網絡的生產線DCS控制系統與本文系統進行對比測試。分別測試在不同用戶數同時在線的條件下，三種系統的IO占用率，實驗結果如表1～表3所示。

表1 200用戶數同時在線IO占用率/（%）

表2 500用戶數同時在線IO占用率/（%）

表3 800用戶數同時在線IO占用率/（%）

根據表1可知，當同時在線用戶數為200人時，此次設計的自動化生產線DCS控制系統與另外兩種系統的IO占用率均值為：10.0718%、14.0670%、14.8749%。

根據表2可知，當同時在線用戶數為500人時，此次設計的自動化生產線 DCS控制系統與另外兩種系統的IO占用率均值為：15.5235%、23.2391%、24.4799%。

根據表3可知，當同時在線用戶數為800人時，此次設計的自動化生產線 DCS控制系統與另外兩種系統的IO占用率均值為：22.4227%、35.9609%、36.2383%。實驗結果表明，當同時在線用戶數增多時，系統的 IO占用率會隨之增加。但是此次設計的自動化生產線DCS控制系統的IO占用率，始終比另外兩種系統低8.4163%～9.1917%不等。

5 結語

本文在工業以太網的背景下，詳細闡述了自動化生產線訪問控制特征，并優化了系統軟件功能。同時，此次設計的系統可以根據用戶的生產與使用需求，調整系統內部硬件結構與軟件功能，以滿足間歇性或者是批量生產的使用需求。由于研究條件有限，文章還未對系統精度展開更深入的測試。