摘 要:介紹了一種為了聯(lián)網(wǎng)工廠設(shè)備而構(gòu)建的群控系統(tǒng),詳細(xì)敘述該方案如何用以太網(wǎng)聯(lián)接起西門子公司SIMATIC產(chǎn)品和上位計算機以實現(xiàn)可遠(yuǎn)程監(jiān)控的全自動生產(chǎn)線。經(jīng)過仔細(xì)考慮過各車間整個生產(chǎn)工序后,設(shè)計實施出裁制壓片機、貼膠機、卷繞機、注液機、封口機車間的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并且具有故障自動診斷功能。運行結(jié)果表明,該系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計規(guī)定的性能指標(biāo)和要求,且運行可靠。
關(guān)鍵詞:可編程控制器 以太網(wǎng)聯(lián)接 現(xiàn)場總線 組態(tài)軟件
1. 前 言
隨著國內(nèi)二次電池企業(yè)的成長和國際市場競爭,傳統(tǒng)以手工操作設(shè)備、單機半自動設(shè)備生產(chǎn)為主的企業(yè)容易出現(xiàn)產(chǎn)品檔次效益下滑的局面。為保持業(yè)內(nèi)競爭力,必須改善和穩(wěn)定生產(chǎn)工藝,提升產(chǎn)品性能更高,以適合國內(nèi)電池企業(yè)規(guī)?;a(chǎn)的要求。電子商務(wù)時代里應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)去整合現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)營、設(shè)計、制造、管理,及時地為企業(yè)的“三層決策”系統(tǒng)(戰(zhàn)術(shù)層、戰(zhàn)略層、決策層)提供準(zhǔn)確而有效的數(shù)據(jù)信息,以便迅速反應(yīng),加強競爭力。而在容易受人為因素影響品質(zhì)的工藝環(huán)節(jié)里開始采用網(wǎng)絡(luò)自動化設(shè)備來實現(xiàn)整體控制。
可編程控制器(PLC)編程靈活又可聯(lián)網(wǎng)控制,在工業(yè)領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。PLC用于現(xiàn)場設(shè)備的直接控制,計算機對PLC的編程監(jiān)控管理,提高了生產(chǎn)效率。應(yīng)用以太網(wǎng)TCP/IP可完成設(shè)備遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷工作。企業(yè)內(nèi)網(wǎng)Intranet外延接入Internet,向下聯(lián)接以過程自動化為主的現(xiàn)場總線(Fieldbus)?,F(xiàn)場總線是面向工廠底層以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,實現(xiàn)相互交換信息,共同完成自動控制功能的測控系統(tǒng)。本文以組建車間設(shè)備群網(wǎng)絡(luò)為例,全面闡述了以太網(wǎng)聯(lián)接控制PLC的實現(xiàn)方法。
2. 生產(chǎn)現(xiàn)狀
車間中各機器設(shè)備均采用PLC電控,制程順序如圖1所示。
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圖1 生產(chǎn)工序[/align]
3. 外部信息網(wǎng)
通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)平臺提供高速無線IP或X.25服務(wù),實際帶寬大約40~100Kbit/s,包括諸如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機界面、實時應(yīng)用程序等基礎(chǔ)服務(wù)。異地監(jiān)控中心主站通過專線方式直接接入中國移動基站??梢允褂命c對多點連接,也可以由企業(yè)本地代理服務(wù)器借助ADSL、LAN等公網(wǎng)連接。遠(yuǎn)程終端站用3G手機、PDA、手提電腦完成人機交互工作,采集數(shù)據(jù)和判斷設(shè)備狀態(tài)是否正常。將車間系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)通過防火墻發(fā)給異地的局域網(wǎng),使授權(quán)用戶可以了解廠房生產(chǎn)和設(shè)備狀況,甚至在辦公室對全廠設(shè)備進(jìn)行操作。使用路由器劃分整個廠級的100M甚至1000M的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò),使用交換機連接各個虛擬網(wǎng)段,文件服務(wù)器與本部門的cisco2950交換機接口。這樣,采用Cisco虛擬專用網(wǎng)VPN技術(shù)實施經(jīng)濟安全的企業(yè)遠(yuǎn)程接入,邏輯子網(wǎng)由交換機端口任意組合,沒有物理上的相關(guān)性,不用路由器就解決了廣播報文的訪問控制問題。
4. 工廠內(nèi)Ethernet/IP 控制網(wǎng)
4.1 工業(yè)以太網(wǎng)體系
以太網(wǎng)協(xié)議可提供辦公室通信以及高水準(zhǔn)的自動化操作,SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)是基于國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)開放式網(wǎng)絡(luò)模組。組網(wǎng)規(guī)模最大多達(dá)1024站,距離可達(dá)1.5km的電氣網(wǎng)絡(luò)或200km的光纖網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議的計算機傳輸數(shù)據(jù)。西門子的通訊處理模塊,可以在任何點進(jìn)行設(shè)備啟動和故障檢查或者構(gòu)造冗余網(wǎng)絡(luò),且允許用戶在Socket接口上編制自己的協(xié)議。遠(yuǎn)程訪問路由器用于在局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)間實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。本地交換機Carat5008TX型對惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境有較強的適應(yīng)能力,它提供冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥杂謴?fù)功能,支持熱備份功能并有過壓,過流和雷電保護。由于要將實時在線生產(chǎn)和檢測的重要數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)上,供合法用戶瀏覽,因而選用了SQL Server數(shù)據(jù)庫,采用ODBC(Open Database Connectivity)的互聯(lián)模式。主PLC 通過Profibus網(wǎng)采集現(xiàn)場 PLC 的I / O 的信號,信息交換中心對這些信號經(jīng)過匯總和分析,判斷出全車間各生產(chǎn)線各部分的當(dāng)前運行狀態(tài),并把這些運行狀態(tài)存入相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)并周期刷新。IPC(工控機)工程師站和管理層通過訪問,得到車間生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)信息并可加以調(diào)控。
4.2 系統(tǒng)集成
盡管有了高可靠性的工業(yè)以太網(wǎng)交換機和冗余的環(huán)網(wǎng),但如果電纜質(zhì)量不好,同樣不能滿足要求。Belden有縱向軸粘連線的DataTuff電纜可以確保不會產(chǎn)生過度的傳輸損耗。根據(jù)實際傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度等要求,選配了10BASE-5型粗纜,其最大傳輸距離500米 。屏蔽通訊電纜連接PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通訊端口,實現(xiàn)IPC與PLC之間的通訊。工業(yè)以太網(wǎng)連接,自頂而下, 上部分為車間級數(shù)據(jù)部分;下部分為下位機PLC子網(wǎng)部分。整體采用100M快速到桌面的主干以太網(wǎng),而智能冗余型工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接廠級網(wǎng)絡(luò),分立的機械車間通過Carat5008TX交換機或者網(wǎng)管型SCALANCE X-200接口與辦公樓網(wǎng)絡(luò)的Cisco3660路由器相聯(lián)。工程師管理站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過接口端共享資源。系統(tǒng)組成框圖與網(wǎng)絡(luò)布線見圖2。
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圖2 工業(yè)Ethernet/IP系統(tǒng)集成[/align]
根據(jù)設(shè)備運作的復(fù)雜程度,配置如下: 注液組主控器A選用S7-400系列PLC㈠CPU 為CPU443-2DP;貼膠組主控器B選用S7-200系列PLC㈡CPU 為CPU243-1;卷繞組主控器C選用S7-200 PLC㈢;封口組主控器D選用S7-200 PLC㈣;裁片組主控器E選用S7-400 PLC㈤,CPU 為CPU443。借助EM277模塊擴展PROFIBUS智能從站。插入主控PLC中的以太網(wǎng)通訊卡給車間級/廠級聯(lián)網(wǎng)提供了便利。底層設(shè)備通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)將信息通過級聯(lián)向上一級傳送生產(chǎn)狀況及運行狀態(tài),由上級主控器通過以太網(wǎng)傳送給工程師站及管理層網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中配置的TP170 觸摸屏作為操作員站,為各設(shè)備設(shè)置參數(shù)并顯示部分運行數(shù)據(jù)。這樣對于B、C、D、E 設(shè)備的手動調(diào)試仍然可以利用它使用MPI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就近聯(lián)接各層PLC 來完成。
5. PROFIBUS現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)
5.1 網(wǎng)絡(luò)模式
SIEMENS 的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)支持PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP三種類型。PROFIBUS-DP是一種高速、經(jīng)濟的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò),主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信,可滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的時間要求。PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問控制部分采用受控訪問的令牌總線和主從方式。其中令牌總線中令牌在總線上的各主站間傳遞,持有令牌的主站獲得總線控制權(quán),該主站依照關(guān)系表與從站或其他主站進(jìn)行通信。主從方式的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議中一個主站控制著多個從站,主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路;主站發(fā)出命令,從站給出響應(yīng),從站可以連續(xù)發(fā)送多個幀。數(shù)據(jù)鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段:數(shù)據(jù)鏈路建立、幀傳輸和數(shù)據(jù)鏈路釋放。主從結(jié)構(gòu)的一條DP網(wǎng)可包含一個主站和最多127個從站, 理論傳輸距離在不使用中繼器的情況下可達(dá)到1000米,傳輸速率從9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可選。網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)到12Mbit/S 時其傳輸距離最長為100米。
5.2 PLC通訊設(shè)計
PLC有3種控制模式:就地手動方式、PLC遠(yuǎn)程手動控制方式、全自動控制方式。前兩種方式一般只在設(shè)備調(diào)試或維修時使用,系統(tǒng)主要以全自動操作方式為主。在這種方式下,各類設(shè)備的開、停,各種工序的切換,都由PLC按照預(yù)先編制的程序自動控制。基本測量參數(shù)包括現(xiàn)場的各式氣缸、電機、電磁閥、進(jìn)料出料等開關(guān)信號和注液速度、溫度等模擬信號,通過組態(tài)界面顯示、設(shè)定、保存關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)。車間IPC工程師站編程輸入時,主體工作就是按程序結(jié)構(gòu)框圖實現(xiàn)元件的順序動作,和進(jìn)行程序優(yōu)化。如:初始化和復(fù)位;沖突觸發(fā)的互鎖;電機啟動延時;維修的手動控制;循環(huán)的計數(shù);氣缸和步進(jìn)電機到位信號。
應(yīng)用編程軟件Step7 Micro/Win32完成機器的控制程序的設(shè)計工作。該編程軟件具有梯形圖、語句表和功能邏輯塊圖3種輸入方式相互轉(zhuǎn)化的能力,本課題采取語句表(STL)和梯形圖(LAD)在PC機上混合編程的方式,提高了編程效率。 操作單元通過Profibus接口用S7協(xié)議與S7-200和S7-400進(jìn)行通訊。根據(jù)現(xiàn)場控制要求,選擇了西門子公司的S7-400系列的PLC和S7-200系列PLC6ES7214-1BD20-0XB0型。S7-200接入工業(yè)以太網(wǎng)還要配備上CP243-1或互聯(lián)網(wǎng)模塊CP-243-1 IT,同樣S7-400也需配備CP443模塊。安裝了STEP 7-Micro/WIN之后,計算機上將會有一個標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器用來訪問CP的主頁。除了編程軟件配備TCP/IP協(xié)議,“通信”對話框中應(yīng)為每個子網(wǎng)模塊指定IP地址。CP243 用于最多8個S7-200 PLC連接PC的數(shù)據(jù)交換,該模塊采用半雙工或全雙工通信,使用RJ-45接口,傳輸速率為 10Mbit/s或100Mbit/s。對CP243-1 CPU進(jìn)行配置成功后,更換板卡也不用再重新配置。 通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)端編程和監(jiān)控服務(wù),例如上傳、下載程序和監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)。使用標(biāo)準(zhǔn)S7-OPC接口,加裝軟件包SOFTNET-S7,計算機的應(yīng)用程序就能通過網(wǎng)路存取S7-200的數(shù)據(jù),這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、存檔或作進(jìn)一步處理,例如使用VB、VC應(yīng)用程序、WinCC進(jìn)行處理。
S7-200支持多種通信協(xié)議,各種協(xié)議同時運行不會干擾。例如點對點PPI、多點接口MPI和PROFIBUS。協(xié)議基于OSI通過一個令牌環(huán)網(wǎng)來實現(xiàn)。通信幀由起始和結(jié)束字符、源和目的站地址、幀長度和數(shù)據(jù)完整性偶校驗組成。主站向網(wǎng)絡(luò)中從站發(fā)出請求,從站只能作出響應(yīng)。一個網(wǎng)的127個地址最多可定義32個主站,各設(shè)備的地址不能重疊。運行 STEP 7-Micro/WIN的計算機的默認(rèn)地址為0,OP的地址為1, 主PLC的地址為2。上/下位機通訊程序中定義格式如圖3示出。F為幀標(biāo)志字段(8位),A為從站地址字段??刂谱侄蜟表示幀類型、編號、命令和控制信息,它將HDLC幀分為三種類型:信息幀(I)、監(jiān)控幀(S)和無編號幀(U)。信息幀用于應(yīng)用數(shù)據(jù)(Useful Data)的傳輸并捎帶應(yīng)答;監(jiān)控幀用于監(jiān)視鏈路上的正常操作,對鏈路狀態(tài)做出各種響應(yīng)(如認(rèn)可幀、請求重傳或暫停等);無編號幀(不含信息字段)用于傳輸各種元編號命令和響應(yīng),例如建立鏈路模式,釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由FKW+PZD的應(yīng)用數(shù)據(jù)構(gòu)成,F(xiàn)KW用于讀寫參數(shù)值,如寫入控制字或讀出狀態(tài)字等,一般為4Byte長,而PZD用于存放控制器的具體控制值,設(shè)置站點或狀態(tài)字的參數(shù),一般為2~10B長。
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圖3 上/下位機幀通訊格式[/align]
PLC作為一個節(jié)點連接在工控網(wǎng)上,方便地實現(xiàn)PLC與IPC的通訊。以下概述一下組態(tài)步驟:首先新建一工程,然后依次建立4個中型PLC網(wǎng)絡(luò),主控制設(shè)備稱PLC1、PLC2、PLC3、PLC4,下一步設(shè)置設(shè)備IP地址,格式為aaa.bbb.ccc.ddd:ppppp:t; aaa.bbb.ccc.ddd為地址,ppppp為端口號(范圍256-65535),t為連接超時時間(單位s),都是十進(jìn)制數(shù)。例如PLC1的IP地址為:192.168.1.1,端口號為:1000,連接超時時間3秒。PLC2、PLC3、PLC4控制設(shè)備建立和PLC1大同小異。所有PLC、IPC的IP地址、端口號都不能重復(fù)。在建立通訊連接的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行定義數(shù)據(jù)變量,設(shè)計畫面,開發(fā)數(shù)據(jù)庫等開發(fā)步驟。
5.3 電控構(gòu)造
企業(yè)共計貼膠、裁片、注液、卷繞、封口五個PLC車間接受聯(lián)網(wǎng)改進(jìn),每個車間現(xiàn)場設(shè)備最多能容納127臺機次,分布形態(tài)為小于6臺/分支。但是用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)方式最多只能直接連接8個S7-200PLC,故而解決辦法是將S7-200PLC作為PROFIBUS-DP從站同時又設(shè)置成下級網(wǎng)絡(luò)的控制主站,其余的PLC通過點對點通訊協(xié)議PPI網(wǎng)絡(luò)分別與S7-200連接,通過這個層間的主機完成數(shù)據(jù)交換??刂七^程中通過網(wǎng)絡(luò)讀寫指令來實現(xiàn)各級主站到IPC的通訊。S7-200PLC是可以獨立編程和完成設(shè)備控制的,Prifibus-DP子網(wǎng)將控制信號高速地傳送到線上的ET-200,使相應(yīng)繼電器動作。PROFIBUS-DP應(yīng)用的擴展見圖4。
PROFIBUS-DP擴展模塊EM277經(jīng)串行I/O總線連接到S7-200上。 S7-200邏輯連接數(shù)4個, 0、1端口分別為編程器和操作員面板留用。所有主站必須工作在相同的波特率下,可設(shè)定傳輸率為187.5Kbit/s。EM277可當(dāng)成一個DP主站的從站外, 還能當(dāng)成MPI從站,與同一網(wǎng)絡(luò)中的SIMATIC編程器或S7-400 / S7-200 CPU等其它主站進(jìn)行通信。
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圖4 PROFIBUS設(shè)備層[/align]
S7-400配置分為軟件和硬件兩部分。軟件部分通過STEP7編程軟件對CPU414-2DP進(jìn)行配置。SIMATIC STEP 7 工程軟件集成了組態(tài)和遠(yuǎn)端診斷功能。包括配置S7-200通信子網(wǎng)的速率,子站數(shù)量及站地址等。設(shè)置完成后,各接入的信號在CPU中的對應(yīng)地址將會自動生成。硬件配置時將各ET200M的接口模塊IM153上的地址撥碼開關(guān)設(shè)置成與軟件相同 。
IPC計算機采用的監(jiān)控軟件為PROTOOL/PRO V5.1。通過西門子CP5611網(wǎng)卡以TCP/IP協(xié)議聯(lián)機至工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò),同下位PLC設(shè)備群進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,包括采集和指令傳送。基于Browser/Server框架和Web Client和Terminal Server Client軟件,進(jìn)行遠(yuǎn)程實時生產(chǎn)過程監(jiān)控和在線檢測設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)可以實時地監(jiān)測并分辨當(dāng)前各生產(chǎn)設(shè)備所處的正常、停機、故障等各種狀態(tài),并在相應(yīng)工控機的相應(yīng)畫面上,以不同的符號、圖形、閃爍和顏色變化等形式顯示出來,以圖表或報表的形式打印和分析,幫助實現(xiàn)車間的測、控、管。有故障情況的PLC即刻進(jìn)入中斷服務(wù)程序。制作上位機監(jiān)控程序的方法也有很多種,可用VB,VC等調(diào)用MSCOMM控件或利用Windows API函數(shù)進(jìn)行上下位機串口通訊。監(jiān)控軟件能將主站PLC的已存儲數(shù)據(jù)按時間趨勢存放在數(shù)據(jù)文件里供調(diào)用、展示給管理人員,以便分析異常和改進(jìn)工藝。Windows動態(tài)數(shù)據(jù)交換功能還能把數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳送到Office Excel和Office Access文件,從而實現(xiàn)報表打印和數(shù)據(jù)查詢功能。
采購西門子TP170B(型號6AV6 545-0BB15-2AX0)藍(lán)色觸摸屏,使用RS485/RS232接口電纜與PLC連接,安裝上SIMATIC ProTool/Lite組態(tài)軟件。可移動的TP170B 操作面板可直聯(lián)到PROFIBUS 網(wǎng)上,調(diào)試人員直接在設(shè)備邊上進(jìn)行調(diào)試。主站為帶有網(wǎng)卡的PLC設(shè)備,從站是分布式的ET200M和S7-200子站,它們通過標(biāo)準(zhǔn)屏蔽雙絞線連接,距離過長則使用中繼器。掛接到Prifibus-DP現(xiàn)場總線的附加設(shè)備和子網(wǎng)主站的S7-200之間的通訊是S7協(xié)議。當(dāng)需要查看重要的物理參數(shù)時,信號被對應(yīng)的一次儀表傳感器或變送器檢測出來并變換為4-20mA電流信號,經(jīng)過屏蔽電纜送到各個子系統(tǒng)的PLC內(nèi),PLC通過各種接口模塊采樣??刂菩盘栍蒔LC發(fā)出后送到執(zhí)行機構(gòu),控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。對觸摸屏的整個組態(tài)工作主要包括“機組啟動”、“口令保護”、“系統(tǒng)定義”、“參數(shù)設(shè)置”、“系統(tǒng)控制”的操作界面,以及各種操作按鈕、顯示畫面和功能鍵等。對重要數(shù)值設(shè)定實行權(quán)限,防止非法操縱。假如要求擴展功能更齊全更可靠,將其置換為工業(yè)組態(tài)軟件。例如:Intouch、Fix、Citech、WinCC、Controx(開物)、Force control(力控)、組態(tài)王。工控組態(tài)軟件的功能包括數(shù)據(jù)庫生成、歷史庫生成、圖形生成、報表生成、順序控制功能、連續(xù)調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)開發(fā)人員只需通過可視化的組態(tài)方式,就可完成監(jiān)控程序設(shè)計,降低了監(jiān)控程序開發(fā)的難度。組態(tài)軟件具有良好的擴展性、兼容性,軟件結(jié)構(gòu)開放,可接受各種形式的數(shù)據(jù)格式,使用變得更簡單。
6. 結(jié)語
利用現(xiàn)代PLC提供的網(wǎng)絡(luò)支持功能,構(gòu)建工控機IPC與PLC的聯(lián)網(wǎng)控制,解決了整個系統(tǒng)實時集中監(jiān)控和各種數(shù)據(jù)在線綜合管理的問題,數(shù)字化的操作提高了控制過程的信息化水平。在制造企業(yè)裝調(diào)運行過程中,情況良好,減輕了人員的操作強度,實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動控制。實際應(yīng)用證明該遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有良好的可操控性和可擴展性,波特率達(dá)到設(shè)計要求,實時準(zhǔn)確性和運行穩(wěn)定性良好,既降低管理成本又體現(xiàn)出經(jīng)濟效益的提升。
本文作者創(chuàng)新觀點: 設(shè)計應(yīng)用高性能PLC 1:n模式逐級擴展控制眾多底層設(shè)備,組成現(xiàn)場總線與公司局域網(wǎng)內(nèi)的計算機聯(lián)接,通過電信平臺遠(yuǎn)程管控車間機器,解決工廠在線管理的問題。指明了一種現(xiàn)代企業(yè)的工業(yè)以太網(wǎng)方案。
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