詳解信息化工廠(chǎng)中的工業(yè)以太網(wǎng)

　　1、前言

　　以互聯(lián)網(wǎng)為基礎的信息化社會(huì )，對于我們已經(jīng)不是遙不可及，我們已是身臨其境?，F在我們已經(jīng)很難想想失去網(wǎng)絡(luò )和電腦后，工作、生活會(huì )變成什么樣。同樣信息化的浪潮也大大改變了生產(chǎn)、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(dòng)控制到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)、整個(gè)工廠(chǎng)的信息化，這場(chǎng)變革正在我們的身邊改變著(zhù)工廠(chǎng)的內涵。黨的十六大明確提出我國要走“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)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(wǎng)在信息化工廠(chǎng)中所起的作用。我們先來(lái)看看“信息化工廠(chǎng)”的定義：信息化工廠(chǎng)是指在工廠(chǎng)的生產(chǎn)、管理、經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，通過(guò)信息基礎設施，在集成平臺上，實(shí)現信息的采集（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(dòng)化、管理、經(jīng)營(yíng)等功能）等都是信息化的內容。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )就是生產(chǎn)中自動(dòng)化控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，負責工業(yè)現場(chǎng)與管理、經(jīng)營(yíng)層之間的數據傳輸。

　　ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，對于生產(chǎn)型企業(yè)起到減少內耗、增加活力，提高對市場(chǎng)的反應能力，提高工作效率的作用。已經(jīng)逐漸成為企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)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(lái)說(shuō)，是促進(jìn)還是自找麻煩。我只是想說(shuō)：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(jīng)通過(guò)信息化來(lái)大大提升了企業(yè)的效率。

　　2、信息化工廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )構成

　　ERP、MIS面向企業(yè)管理信息化。是企業(yè)管理、運營(yíng)的信息化，處于整個(gè)信息系統的頂部。DCS、SCADA和PLC是企業(yè)生產(chǎn)的信息化，是生產(chǎn)中的控制系統，控制著(zhù)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節，同時(shí)也是生產(chǎn)現場(chǎng)的數據采集系統。而工業(yè)以太網(wǎng)就是生產(chǎn)控制系統的主要數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。

　　圖1 信息處理示意圖

　　圖2 網(wǎng)絡(luò )示意圖

　　信息處理系統大都基于網(wǎng)絡(luò )和數據庫技術(shù)。ERP、MIS、DCS、SCADA等系統也不例外，ERP、MIS基于關(guān)系數據庫和商用以太網(wǎng)，而DCS、SCADA等基于工業(yè)以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)數據庫。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)都來(lái)源于成熟的商業(yè)以太網(wǎng)，但是為了使以太網(wǎng)適合在工業(yè)現場(chǎng)惡劣的環(huán)境中保證數據的正常傳輸，工業(yè)以太網(wǎng)有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

　　1.高確定性。由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò )上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò )負荷過(guò)大時(shí)，更加明顯。對于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，如果存在著(zhù)大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數據，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中為了改善以太網(wǎng)負載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò )擁塞問(wèn)題，使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機（switch(＄148.3200)）。它采用將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個(gè)沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來(lái)的沖突問(wèn)題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統的確定性，但也提高了系統的成本。

　　2.高實(shí)時(shí)性。在工業(yè)控制系統中，實(shí)時(shí)可定義為系統對某事件的反應時(shí)間的可測性。也就是說(shuō)，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統必須在一個(gè)可以準確預見(jiàn)的時(shí)間范圍內做出反映。然而，工業(yè)上對數據的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴格，往往數據的更新是在ms級的時(shí)間內完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時(shí)候，就得重發(fā)數據，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(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現掉線(xiàn)，那怕是僅僅幾秒種的時(shí)間，就有可能造成整個(gè)生產(chǎn)的停止甚至是設備，人身安全事故。工業(yè)以太網(wǎng)采用高速以太網(wǎng)方式。當網(wǎng)絡(luò )中的負載越大的時(shí)候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。當一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的負菏低于36%時(shí)，基本上不會(huì )發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時(shí)，10M以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過(guò)36%后隨著(zhù)負荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數的速度增加的。顯然提高以太網(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò )的負荷。幸運的是現在以太網(wǎng)已經(jīng)出現通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細致全面的設計及對系統中的網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)的數量和通信流量進(jìn)行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。同時(shí) 工業(yè)以太網(wǎng)采用IEEE1588對時(shí)機制，IEEE1588定義了一個(gè)在測量和控制網(wǎng)絡(luò )中，與網(wǎng)絡(luò )交流、本地計算和分配對象有關(guān)的精確同步時(shí)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(wǎng)的技術(shù)，精度可達微秒范圍。它使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機制。即使在網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)同步控制信號產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達到的精度仍可滿(mǎn)足要求。這使得它尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統。通過(guò)采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò )控制系統之中。在區域總線(xiàn)中它所達到的精度遠遠超過(guò)了現有各種系統。此外，在企業(yè)的各層次中使用基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。

　　IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò )同步協(xié)議實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達到了通信時(shí)間模式與應用程序執行時(shí)間模式分開(kāi)的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數據傳輸時(shí)間波動(dòng)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(diǎn)是其標準非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，現在已經(jīng)有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。

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

　　以上這些都是在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )生產(chǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò )系統中任何少數、單一組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì )導致應用程序，操作系統，甚至網(wǎng)絡(luò )系統的崩潰和癱瘓。

　　在數據庫的使用上，控制層與管理層也有所不同?？刂茖硬捎玫氖菍?shí)時(shí)數據庫。實(shí)時(shí)數據庫是控制層的核心問(wèn)題之一。實(shí)時(shí)數據庫的基本特性是它與時(shí)間的相關(guān)性，表現在所處理的事物與數據的定時(shí)限制性。這個(gè)特性也是它與傳統數據庫的不同點(diǎn)。例如：DCS是將實(shí)時(shí)數據存放在“內存數據庫”里，將歷史數據存放在磁盤(pán)里，所以DCD的實(shí)時(shí)數據庫是組態(tài)時(shí)經(jīng)常用到的有力工具。這些歷史數據的記載很像飛機上的“黑匣子”。它可以按區域和單元紀錄工藝過(guò)程的操作參數及重要閥門(mén)的開(kāi)啟、安全聯(lián)鎖系統的狀態(tài)數據。所有這些都可科學(xué)的決定維護及檢修計劃的編制和執行，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(shí)時(shí)數據庫可解決數據與時(shí)間的相關(guān)性和共享大量數據，使現場(chǎng)過(guò)程中發(fā)生的歷史數據進(jìn)行紀錄，方便管理者們對其進(jìn)行歷史查詢(xún)和事后的事故分析。而在管理層使用的是關(guān)系數據庫，關(guān)系數據庫就是傳統型數據庫，多在商務(wù)及經(jīng)營(yíng)管理事務(wù)中應用。它與實(shí)時(shí)數據由不同的特征。實(shí)時(shí)數據庫有很強的時(shí)效性，必須在規定時(shí)間內完成其數據處理。傳統型數據庫旨在處理永久、穩定的數據，強調維護數據的完整一致性，其性能指標時(shí)要求系統由高的吞吐量和低的代價(jià)，并不考慮有關(guān)數據極其處理的現時(shí)要求。

　　企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理部門(mén)使用關(guān)系數據庫可把反饋上來(lái)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數據，經(jīng)過(guò)分析判斷，然后下達指令去指揮生產(chǎn)或做出經(jīng)營(yíng)決策。因此在二類(lèi)數據庫的信息管理中構造一個(gè)統一的DBMS（數據庫管理系統）來(lái)進(jìn)行有效的管理是十分必要的。

　　3、信息化工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的作用和建設

　　信息化工廠(chǎng)是構架在一個(gè)快速、完整、高效、準確、安全可靠的網(wǎng)絡(luò )硬件平臺。通過(guò)這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策部門(mén)和經(jīng)營(yíng)決策者可以在第一時(shí)間了解企業(yè)的營(yíng)銷(xiāo)狀況、原料供應狀況、資金狀況、人員狀況、生產(chǎn)狀況、產(chǎn)品質(zhì)量狀況、設備的運轉狀況、客戶(hù)的情況、供應商的情況等企業(yè)運營(yíng)信息，通過(guò)這種信息化工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)地看到來(lái)自生產(chǎn)第一線(xiàn)的工況信息。

　　企業(yè)管理者和相關(guān)生產(chǎn)運營(yíng)部門(mén)可以在第一時(shí)間上，在辦公桌上的電腦里，通過(guò)信息化工廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )，看到生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)運行狀況。并根據相應的決策系統或相關(guān)的企業(yè)技術(shù)人員給出相應的生產(chǎn)決策指令。企業(yè)決策者也可根據企業(yè)整體的運營(yíng)情況做出調整企業(yè)運營(yíng)的決定。

　　企業(yè)的信息化系統的建設是一個(gè)復雜的高科技的系統工程，首先要根據企業(yè)的具體情況，做出企業(yè)信息化系統的總體規劃，并制定出網(wǎng)絡(luò )接口標準及相應的軟硬件技術(shù)標準和規范?？傮w建設規劃中應充分考慮企業(yè)未來(lái)10～15年的發(fā)展需要。并根據技術(shù)成熟程度、企業(yè)資金情況及企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)需求情況，分階段逐步實(shí)施。

　　1.根據信息化系統建設的總體規劃，建設企業(yè)的信息化網(wǎng)絡(luò )。在軟硬件的配置上要充分考慮到系統整體的需要，并要留有足夠的余量，以滿(mǎn)足企業(yè)未來(lái)發(fā)展的需要。

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

　　3.進(jìn)行信息化網(wǎng)絡(luò )平臺的建設，在這里要考慮到實(shí)時(shí)數據庫的配置問(wèn)題，上傳實(shí)時(shí)數據、下傳時(shí)時(shí)數據以及非實(shí)時(shí)數據的信息通路的優(yōu)化問(wèn)題。

　　信息化網(wǎng)絡(luò )建成后，首先進(jìn)行現場(chǎng)數據上傳的系統集成；在完善基于企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò )的信息管理系統后，根據當時(shí)的技術(shù)條件，再進(jìn)行決策指令及下傳實(shí)時(shí)數據的系統集成，完成整個(gè)系統的軟硬件集成，建成真正的設數字化透明工廠(chǎng)。

　　4、結束語(yǔ)

　　網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)滲入我們工作、生活的方方面面，工廠(chǎng)信息化以后究竟能給企業(yè)帶來(lái)怎樣的效益，這不可能是工廠(chǎng)信息化以后就會(huì )有立竿見(jiàn)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(zhì)，能不能夠同信息化系統的設計理念、控制方法相適應。排除使用者的影響后，工業(yè)以太網(wǎng)同管理系統的使用，可以給企業(yè)帶來(lái)以下效果：1、動(dòng)態(tài)成本及質(zhì)量控制的實(shí)現；2、定單生產(chǎn)，實(shí)現產(chǎn)品零庫存；3、在線(xiàn)監測實(shí)，合理安排大修；4、生產(chǎn)設備的在線(xiàn)管理實(shí)現備品備件的（零）微庫存；5、工業(yè)現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據的采集。也就是工業(yè)以太網(wǎng)的使用解決了ERP等管理系統缺乏實(shí)生產(chǎn)現場(chǎng)時(shí)數據的問(wèn)題，為企業(yè)的決策者提供了生產(chǎn)中的第一手數據，是信息化工廠(chǎng)中不可缺少的網(wǎng)絡(luò )基礎。