基于以太环网与虚拟串口的工业自动化系统的设计

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【摘要】 工业现场有很多有效的数据需要处理，如视频数据、音频数据、温湿度数据和工业现场PLC采集的数据等等。传统的工业系统一般是在近端完成对工业现场的控制、数据的采集和存储，本文介绍了一种基于工业以太环网、无线通讯、虚拟串口等技术的远距离工业自动化通讯系统，可完成对恶劣的工业现场信息的远程处理，相比传统系统，本系统具有更强的稳定性、实时性和便捷性。

【关键词】 以太环网 工业自动化 无线通信 PLC

工业自动化系统需要有效和可靠的工业级通讯系统，以保障工业现场的安全。然而，工业现场情况复杂多变，传统的有线、简单的通讯手段并不能完全适合那些错综复杂、多层架构的工业网络，如矿山、煤矿、冶金等等。本文提出了一种基于工业以太环网、无线通讯技术的新型工业自动化通讯系统，可适用于各类工业现场数据的采集、传输和处理。

一、系统总体设计框架

概况地讲，本系统由上位检测层，通信系统层和前段设备层三部分组成。前段设备层是工业现场设备，如各类PLC、摄像头、GPS设备；通信系统层是本设计的核心，包含串口服务器、以太环网交换机、无线通信模块等等；上位检测层包含控制软件、数据库等，负责前段设备的显示、控制和存储。系统简图如图1所示。

二、系统硬件设计与实现

2.1 前端设备

本设计系统的前端设备可以包含各类工业PLC、传感器和监控设备等。随着计算机技术和通信技术的发展，目前工业自动化现场前端设备丰富多样。由于PLC不断地采用新技术以及增强系统的开放性，在工业自动化领域中的应用范围不断扩大。PLC将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备。目前主流的生产企业大多来自国外，如施耐德、西门子、欧姆龙和罗克韦尔等；传感器的发展奠定了工业自动化的基础，特别是在恶劣的工业环境中，各种有毒气体、温度、湿度、质量等传感器提供了现场环境的详细指标。此外，现场视频画面、用户GPS位置等现场数据，在工业现场控制中都是重要的一部分。

2.2 智能通信网络

本设计的通信网络以工业级设备为基础，配合工业级以太环网技术，将各种非以太网数据转换成以太网数据进行远距离传输，部分场景下采用无线传输设备将数据进行无线传输，用于克服地势环境的限制。

1、以太网串口服务器。虽然PLC功能和应用全面，但是绝大多数工业设备还不能直接支持以太网协议，这样工业现场中需要将此类工业协议的数据转换成支持以太网数据，而以太网串口服务器可以将RS232、RS422、RS485的串口数据转换成以太网数据，通过普遍的以太网络进行远距离传输。串口服务器可使用三种使用方式：直连IP模式；虚拟串口模式；对等模式。本系统使用虚拟串口模式，该模式下会在PC上虚拟出一个串口，串口设备类似直接连接到物理串口设备一样，串口服务器进行两端设备数据的转换和传输。

2、工业级无线传输设备。工业场景下村镇环境恶劣、布线困难或者长距离的传输的场景，因而需要使用到无线传输设备。通信系统中考虑到此类的场景，基于modbus等总线的设备都可以通过无线通信模块，达到安全、稳定并远距离的传输，通过串口服务器即可以接入广泛的以太网。使用该无线模块的网络的有如下优点：节省线缆布线和维护费用；可提供分布式网络的无缝连接；可高达15Mbps的数据吞吐量，2KM的距离。

3、工业以太环网。通信网络的核心部分是基于RingOn技术的工业以太环网，前端设备采集的数据直接或者通过以太网网关接入工业级以太环网，通过工业级的传输网络将数据传输到远端控制中心。该网络具有如下优点：工业级以太环网，适合恶劣环境；不间断的冗余环网网络，恢复时间小于20ms；网络稳定，性能优良。

2.3控制中心设计

该部分基于现有的服务器端标准设计，包含存储器、控制设备和显示设备等。自动化工厂的数据通过传输单元接入控制中心，每种不同的PLC都有相应的上位机模块，可以将数据直接显示出来或者直接进行存储。

三、系统优势与展望

本通信系统以工业以太环网为基础，结合无线通信模块，承载工业现场的前端设备、通信网络和后端控制系统，组成了一个完整的工厂自动化解决方案。以太网串口服务器的使用简单的完成了快速远距离传输的效果；控制端使用虚拟串口减少了对控制器的要求并使用灵活，适合多类控制场景；工业PLC类型的多样性间接突出了本系统高度的可移植行。