詳解信息化工廠中的工業(yè)以太網(wǎng)

一、前言

　　以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息化社會，對于我們已經(jīng)不是遙不可及，我們已是身臨其境。現(xiàn)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(nèi)涵。從最初的單片機的使用到DCS、PLC的普及，從單臺設(shè)備的自動控制到整個生產(chǎn)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(nèi)涵。

　　本文主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)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(chǎn)、管理、經(jīng)營過程中，通過信息基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用(自動化、管理、經(jīng)營等功能)等都是信息化的內(nèi)容。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)就是生產(chǎn)中自動化控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場與管理、經(jīng)營層之間的數(shù)據(jù)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(nèi)耗、增加活力，提高對市場的反應(yīng)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、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(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)通過信息化來大大提升了企業(yè)的效率。

二、信息化工廠的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(chǎn)的信息化，是生產(chǎn)中的控制系統(tǒng)，控制著自動化生產(chǎn)過程中的每一個環(huán)節(jié)，同時也是生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而工業(yè)以太網(wǎng)就是生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

　　信息處理系統(tǒng)大都基于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。ERP、MIS、DCS、SCADA等系統(tǒng)也不例外，ERP、MIS基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫和商用以太網(wǎng)，而DCS、SCADA等基于工業(yè)以太網(wǎng)和實時數(shù)據(jù)庫。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)都來源于成熟的商業(yè)以太網(wǎng)，但是為了使以太網(wǎng)適合在工業(yè)現(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(wǎng)有以下幾個主要特點：

　　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(fù)荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，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(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(fù)載較重時的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(switch。它采用將共享的局域網(wǎng)進行有效的沖突域劃分技術(shù)。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(yīng)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(zhǔn)確預(yù)見的時間范圍內(nèi)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(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在ms級的時間內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當(dāng)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(chǎn)的停止甚至是設(shè)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載越大的時候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)菏低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突，在負(fù)荷為10%以下時，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36%后隨著負(fù)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(wǎng)的通信速度，就可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。幸運的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達(dá)100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細(xì)致全面的設(shè)計及對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的數(shù)量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。同時 工業(yè)以太網(wǎng)采用IEEE1588對時機制，IEEE1588定義了一個在測量和控制網(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(dá)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(wǎng)絡(luò)通信時同步控制信號產(chǎn)生一定的波動時，它所達(dá)到的精度仍可滿足要求。這使得它尤其適用于基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。通過采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達(dá)到的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wǎng)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢。

　　IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)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(dá)到了通信時間模式與應(yīng)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(wǎng)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當(dāng)中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計之初，并不是從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)的。當(dāng)它應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，面對惡劣的工況，嚴(yán)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(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，在幾百毫秒內(nèi)自愈；B、冗余電源；C、無風(fēng)扇的表皮散熱，即較少了故障點(風(fēng)扇)也增加了產(chǎn)品的防塵性能；D、通過EMC電磁兼容性測試，使工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備在可以抵抗工業(yè)現(xiàn)場電磁干擾的同時也不產(chǎn)生過多的電磁干擾；E、在電子元器件和產(chǎn)品設(shè)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(xí)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(fù)性，以及可維護性。即保證一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何少數(shù)、單一組件發(fā)生故障時，不會導(dǎo)致應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(nèi)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(jīng)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(jì)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(xué)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(yīng)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(guān)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(jì)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(guān)系數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是傳統(tǒng)型數(shù)據(jù)庫，多在商務(wù)及經(jīng)營管理事務(wù)中應(yīng)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(nèi)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(diào)維護數(shù)據(jù)的完整一致性，其性能指標(biāo)時要求系統(tǒng)由高的吞吐量和低的代價，并不考慮有關(guān)數(shù)據(jù)極其處理的現(xiàn)時要求。

　　企業(yè)經(jīng)營管理部門使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫可把反饋上來的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析判斷，然后下達(dá)指令去指揮生產(chǎn)或做出經(jīng)營決策。因此在二類數(shù)據(jù)庫的信息管理中構(gòu)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。

三、信息化工廠網(wǎng)絡(luò)的作用和建設(shè)

　　信息化工廠是構(gòu)架在一個快速、完整、高效、準(zhǔn)確、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)硬件平臺。通過這樣的一個網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，企業(yè)的經(jīng)營決策部門和經(jīng)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(yīng)狀況、資金狀況、人員狀況、生產(chǎn)狀況、產(chǎn)品質(zhì)量狀況、設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況、客戶的情況、供應(yīng)商的情況等企業(yè)運營信息，通過這種信息化工廠網(wǎng)絡(luò)實時地看到來自生產(chǎn)第一線的工況信息。

　　企業(yè)管理者和相關(guān)生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)，看到生產(chǎn)現(xiàn)場的實時運行狀況。并根據(jù)相應(yīng)的決策系統(tǒng)或相關(guān)的企業(yè)技術(shù)人員給出相應(yīng)的生產(chǎn)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(diào)整企業(yè)運營的決定。

企業(yè)的信息化系統(tǒng)的建設(shè)是一個復(fù)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(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的軟硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。總體建設(shè)規(guī)劃中應(yīng)充分考慮企業(yè)未來10～15年的發(fā)展需要。并根據(jù)技術(shù)成熟程度、企業(yè)資金情況及企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營需求情況，分階段逐步實施。

　　1.根據(jù)信息化系統(tǒng)建設(shè)的總體規(guī)劃，建設(shè)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(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(nèi)部骨干網(wǎng)即上層網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)， 同時進行基于企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)的各種信息管理系統(tǒng)、決策(支持)系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)的建設(shè)。在進行這些管理系統(tǒng)的建設(shè)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(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化資源配置、構(gòu)架信息通路提供初步的依據(jù)。

　　3.進行信息化網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)，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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的信息管理系統(tǒng)后，根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)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(shè)數(shù)字化透明工廠。

四、結(jié)束語

　　網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)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(yīng)，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(tǒng)的設(shè)計理念、控制方法相適應(yīng)。排除使用者的影響后，工業(yè)以太網(wǎng)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(zhì)量控制的實現(xiàn)；2、定單生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品零庫存；3、在線監(jiān)測實，合理安排大修；4、生產(chǎn)設(shè)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(wǎng)的使用解決了ERP等管理系統(tǒng)缺乏實生產(chǎn)現(xiàn)場時數(shù)據(jù)的問題，為企業(yè)的決策者提供了生產(chǎn)中的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，是信息化工廠中不可缺少的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。