信息化工廠中的工業(yè)以太網

1、前言

以互聯(lián)網為基礎的信息化社會，對于我們已經不是遙不可及，我們已是身臨其境?，F(xiàn)在我們已經很難想想失去網絡和電腦后，工作、生活會變成什么樣。同樣信息化的浪潮也大大改變了生產、制造業(yè)的內涵。從最初的單片機的使用到DCS、PLC的普及，從單臺設備的自動控制到整個生產線、整個工廠的信息化，這場變革正在我們的身邊改變著工廠的內涵。黨的十六大明確提出我國要走“以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化”的工業(yè)發(fā)展道路，因為它可極大的提升企業(yè)的競爭力。

本文主要介紹工業(yè)以太網在信息化工廠中所起的作用。我們先來看看“信息化工廠”的定義：信息化工廠是指在工廠的生產、管理、經營過程中，通過信息基礎設施，在集成平臺上，實現(xiàn)信息的采集（傳感器及儀器儀表）、信息的傳輸（通信）、信息的處理（計算機）以及信息的綜合應用（自動化、管理、經營等功能）等都是信息化的內容。工業(yè)以太網絡就是生產中自動化控制的神經網絡，負責工業(yè)現(xiàn)場與管理、經營層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，對于生產型企業(yè)起到減少內耗、增加活力，提高對市場的反應能力，提高工作效率的作用。已經逐漸成為企業(yè)管理、經營、生產不可缺少的部分。這里我不去討論ERP的運用與否對于企業(yè)來說，是促進還是自找麻煩。我只是想說：信息化對于企業(yè)的發(fā)展壯大是必要的，是大勢所趨。國內許多企業(yè)已經通過信息化來大大提升了企業(yè)的效率。

2、信息化工廠的網絡構成

ERP、MIS面向企業(yè)管理信息化。是企業(yè)管理、運營的信息化，處于整個信息系統(tǒng)的頂部。DCS、SCADA和PLC是企業(yè)生產的信息化，是生產中的控制系統(tǒng)，控制著自動化生產過程中的每一個環(huán)節(jié)，同時也是生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而工業(yè)以太網就是生產控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)傳輸網絡。

圖1 信息處理示意圖

圖2 網絡示意圖

信息處理系統(tǒng)大都基于網絡和數(shù)據(jù)庫技術。ERP、MIS、DCS、SCADA等系統(tǒng)也不例外，ERP、MIS基于關系數(shù)據(jù)庫和商用以太網，而DCS、SCADA等基于工業(yè)以太網和實時數(shù)據(jù)庫。工業(yè)以太網技術都來源于成熟的商業(yè)以太網，但是為了使以太網適合在工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境中保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，工業(yè)以太網有以下幾個主要特點：

1. 高確定性。由于以太網的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網絡上存在沖突，特別是在網絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網絡中為了改善以太網負載較重時的網絡擁塞問題，使用工業(yè)以太網交換機（switch）。它采用將共享的局域網進行有效的沖突域劃分技術。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的確定性，但也提高了系統(tǒng)的成本。

2. 高實時性。在工業(yè)控制系統(tǒng)中,實時可定義為系統(tǒng)對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個可以準確預見的時間范圍內做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據(jù)的更新是在ms級的時間內完成的。而同樣由于以太網存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時候，就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。很明顯這種解決沖突的機制是以付出時間為代價的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產的停止甚至是設備，人身安全事故。工業(yè)以太網采用高速以太網方式。當網絡中的負載越大的時候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。當一個網絡的負菏低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時，10M以太網沖突機率為每五年一次。100M以太網沖突機率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數(shù)的速度增加的。顯然提高以太網的通信速度，就可以有效降低網絡的負荷。幸運的是現(xiàn)在以太網已經出現(xiàn)通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網，在加上細致全面的設計及對系統(tǒng)中的網絡結點的數(shù)量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網作為工業(yè)網絡。同時 工業(yè)以太網采用IEEE1588對時機制，IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協(xié)議（PTP）。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合于基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網絡通信時同步控制信號產生一定的波動時，它所達到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網的系統(tǒng)。通過采用這種技術，以太網TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網TCP/IP協(xié)議的網絡技術有著巨大的優(yōu)勢。

IEEE1588所定義的精確網絡同步協(xié)議實現(xiàn)了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數(shù)據(jù)傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優(yōu)點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現(xiàn)在已經有許多控制系統(tǒng)的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。

3. 高可靠性。由于以太網在設計之初，并不是從工業(yè)網應用出發(fā)的。當它應用到工業(yè)現(xiàn)場，面對惡劣的工況，嚴重的線間干擾等，這些都必然會引起其可靠性降低。A、在工業(yè)以太網中采用了環(huán)形冗余網絡，保障了網路在發(fā)生故障時，在幾百毫秒內自愈；B、冗余電源；C、無風扇的表皮散熱，即較少了故障點（風扇）也增加了產品的防塵性能；D、通過EMC電磁兼容性測試，使工業(yè)以太網設備在可以抵抗工業(yè)現(xiàn)場電磁干擾的同時也不產生過多的電磁干擾；E、在電子元器件和產品設計上，都保證產品在溫度、濕度方面都有很好的適用性；F、在產品的安裝和使用上都符合工業(yè)產品的使用習慣。

以上這些都是在工業(yè)網絡生產環(huán)境中具備較好的可靠性，可恢復性，以及可維護性。即保證一個網絡系統(tǒng)中任何少數(shù)、單一組件發(fā)生故障時，不會導致應用程序，操作系統(tǒng)，甚至網絡系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

在數(shù)據(jù)庫的使用上，控制層與管理層也有所不同?？刂茖硬捎玫氖菍崟r數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫是控制層的核心問題之一。實時數(shù)據(jù)庫的基本特性是它與時間的相關性，表現(xiàn)在所處理的事物與數(shù)據(jù)的定時限制性。這個特性也是它與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的不同點。例如：DCS是將實時數(shù)據(jù)存放在“內存數(shù)據(jù)庫”里，將歷史數(shù)據(jù)存放在磁盤里，所以DCD的實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)時經常用到的有力工具。這些歷史數(shù)據(jù)的記載很像飛機上的“黑匣子”。它可以按區(qū)域和單元紀錄工藝過程的操作參數(shù)及重要閥門的開啟、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。所有這些都可科學的決定維護及檢修計劃的編制和執(zhí)行，做到在故障前的正確判斷和相應的措施，防患于未然。由于實時數(shù)據(jù)庫可解決數(shù)據(jù)與時間的相關性和共享大量數(shù)據(jù)，使現(xiàn)場過程中發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)進行紀錄，方便管理者們對其進行歷史查詢和事后的事故分析。而在管理層使用的是關系數(shù)據(jù)庫，關系數(shù)據(jù)庫就是傳統(tǒng)型數(shù)據(jù)庫，多在商務及經營管理事務中應用。它與實時數(shù)據(jù)由不同的特征。實時數(shù)據(jù)庫有很強的時效性，必須在規(guī)定時間內完成其數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)型數(shù)據(jù)庫旨在處理永久、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，強調維護數(shù)據(jù)的完整一致性，其性能指標時要求系統(tǒng)由高的吞吐量和低的代價，并不考慮有關數(shù)據(jù)極其處理的現(xiàn)時要求。

企業(yè)經營管理部門使用關系數(shù)據(jù)庫可把反饋上來的生產經營數(shù)據(jù)，經過分析判斷，然后下達指令去指揮生產或做出經營決策。因此在二類數(shù)據(jù)庫的信息管理中構造一個統(tǒng)一的DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）來進行有效的管理是十分必要的。

3、信息化工廠網絡的作用和建設

信息化工廠是構架在一個快速、完整、高效、準確、安全可靠的網絡硬件平臺。通過這樣的一個網絡硬件平臺，企業(yè)的經營決策部門和經營決策者可以在第一時間了解企業(yè)的營銷狀況、原料供應狀況、資金狀況、人員狀況、生產狀況、產品質量狀況、設備的運轉狀況、客戶的情況、供應商的情況等企業(yè)運營信息，通過這種信息化工廠網絡實時地看到來自生產第一線的工況信息。

企業(yè)管理者和相關生產運營部門可以在第一時間上，在辦公桌上的電腦里，通過信息化工廠的網絡，看到生產現(xiàn)場的實時運行狀況。并根據(jù)相應的決策系統(tǒng)或相關的企業(yè)技術人員給出相應的生產決策指令。企業(yè)決策者也可根據(jù)企業(yè)整體的運營情況做出調整企業(yè)運營的決定。

企業(yè)的信息化系統(tǒng)的建設是一個復雜的高科技的系統(tǒng)工程，首先要根據(jù)企業(yè)的具體情況，做出企業(yè)信息化系統(tǒng)的總體規(guī)劃，并制定出網絡接口標準及相應的軟硬件技術標準和規(guī)范?？傮w建設規(guī)劃中應充分考慮企業(yè)未來10～15年的發(fā)展需要。并根據(jù)技術成熟程度、企業(yè)資金情況及企業(yè)生產經營需求情況，分階段逐步實施。

1. 根據(jù)信息化系統(tǒng)建設的總體規(guī)劃，建設企業(yè)的信息化網絡。在軟硬件的配置上要充分考慮到系統(tǒng)整體的需要，并要留有足夠的余量，以滿足企業(yè)未來發(fā)展的需要。

2. 進行企業(yè)內部骨干網即上層網絡的建設， 同時進行基于企業(yè)上層網絡的各種信息管理系統(tǒng)、決策（支持）系統(tǒng)、生產控制系統(tǒng)的建設。在進行這些管理系統(tǒng)的建設時，要充分考慮系統(tǒng)的信息來源及信息目的地，以便為總體網絡的優(yōu)化資源配置、構架信息通路提供初步的依據(jù)。

3. 進行信息化網絡平臺的建設，在這里要考慮到實時數(shù)據(jù)庫的配置問題，上傳實時數(shù)據(jù)、下傳時時數(shù)據(jù)以及非實時數(shù)據(jù)的信息通路的優(yōu)化問題。

信息化網絡建成后，首先進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳的系統(tǒng)集成；在完善基于企業(yè)上層網絡的信息管理系統(tǒng)后，根據(jù)當時的技術條件，再進行決策指令及下傳實時數(shù)據(jù)的系統(tǒng)集成，完成整個系統(tǒng)的軟硬件集成，建成真正的設數(shù)字化透明工廠。

4、結束語

網絡已經滲入我們工作、生活的方方面面，工廠信息化以后究竟能給企業(yè)帶來怎樣的效益，這不可能是工廠信息化以后就會有立竿見影的效應，同樣重要的是使用者的管理理念、控制理論水平等人員素質，能不能夠同信息化系統(tǒng)的設計理念、控制方法相適應。排除使用者的影響后，工業(yè)以太網同管理系統(tǒng)的使用，可以給企業(yè)帶來以下效果：1、動態(tài)成本及質量控制的實現(xiàn)；2、定單生產，實現(xiàn)產品零庫存；3、在線監(jiān)測實，合理安排大修；4、生產設備的在線管理實現(xiàn)備品備件的（零）微庫存；5、工業(yè)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集。也就是工業(yè)以太網的使用解決了ERP等管理系統(tǒng)缺乏實生產現(xiàn)場時數(shù)據(jù)的問題，為企業(yè)的決策者提供了生產中的第一手數(shù)據(jù)，是信息化工廠中不可缺少的網絡基礎。