詳解信息化工廠中的工業(yè)以太網(wǎng)

　　1、前言

　　以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息化社會(huì)，對(duì)于我們已經(jīng)不是遙不可及，我們已是身臨其境?，F(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(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(nèi)涵。從最初的單片機(jī)的使用到DCS、PLC的普及，從單臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)控制到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)、整個(gè)工廠的信息化，這場(chǎng)變革正在我們的身邊改變著工廠的內(nèi)涵。黨的十六大明確提出我國(guó)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?yàn)樗蓸O大的提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　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(lái)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(yíng)過(guò)程中，通過(guò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，在集成平臺(tái)上，實(shí)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(jì)算機(jī)）以及信息的綜合應(yīng)用（自動(dòng)化、管理、經(jīng)營(yíng)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(dòng)化控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與管理、經(jīng)營(yíng)層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，對(duì)于生產(chǎn)型企業(yè)起到減少內(nèi)耗、增加活力，提高對(duì)市場(chǎng)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(yíng)、生產(chǎn)不可缺少的部分。這里我不去討論ERP的運(yùn)用與否對(duì)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(duì)于企業(yè)的發(fā)展壯大是必要的，是大勢(shì)所趨。國(guó)內(nèi)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(yùn)營(yíng)的信息化，處于整個(gè)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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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)。

　　圖1 信息處理示意圖

　　圖2 網(wǎng)絡(luò)示意圖

　　信息處理系統(tǒng)大都基于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(shù)據(jù)庫(kù)。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(xiàn)場(chǎng)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(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(fù)荷過(guò)大時(shí)，更加明顯。對(duì)于一個(gè)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(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（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(jī)連接，以減少CSMA/CD機(jī)制帶來(lái)的沖突問(wèn)題和錯(cuò)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(shí)時(shí)性。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)可定義為系統(tǒng)對(duì)某事件的反應(yīng)時(shí)間的可測(cè)性。也就是說(shuō)，在一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可以準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對(duì)數(shù)據(jù)的傳遞的實(shí)時(shí)性要求十分嚴(yán)格，往往數(shù)據(jù)的更新是在ms級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)發(fā)生沖突的時(shí)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(jī)制是以付出時(shí)間為代價(jià)的。而且一但出現(xiàn)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(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(shí)候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)菏低于36%時(shí)，基本上不會(huì)發(fā)生沖突，在負(fù)荷為10%以下時(shí)，10M以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機(jī)率為每15年一次。但超過(guò)36%后隨著負(fù)荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級(jí)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(yùn)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(jì)及對(duì)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的數(shù)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(duì)時(shí)機(jī)制，IEEE1588定義了一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對(duì)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(dá)微秒范圍。它使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機(jī)制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)同步控制信號(hào)產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達(dá)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(tǒng)。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(yùn)行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線(xiàn)中它所達(dá)到的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(shì)。

　　IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)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(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)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(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)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(jì)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(chǎng)，面對(duì)惡劣的工況，嚴(yán)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(nèi)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(cè)試，使工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備在可以抵抗工業(yè)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(hù)性。即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何少數(shù)、單一組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)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(kù)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(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是控制層的核心問(wèn)題之一。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本特性是它與時(shí)間的相關(guān)性，表現(xiàn)在所處理的事物與數(shù)據(jù)的定時(shí)限制性。這個(gè)特性也是它與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的不同點(diǎn)。例如：DCS是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在“內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)”里，將歷史數(shù)據(jù)存放在磁盤(pán)里，所以DCD的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)時(shí)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(jī)上的“黑匣子”。它可以按區(qū)域和單元紀(jì)錄工藝過(guò)程的操作參數(shù)及重要閥門(mén)的開(kāi)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(hù)及檢修計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可解決數(shù)據(jù)與時(shí)間的相關(guān)性和共享大量數(shù)據(jù)，使現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行紀(jì)錄，方便管理者們對(duì)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(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)就是傳統(tǒng)型數(shù)據(jù)庫(kù)，多在商務(wù)及經(jīng)營(yíng)管理事務(wù)中應(yīng)用。它與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由不同的特征。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)有很強(qiáng)的時(shí)效性，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成其數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)型數(shù)據(jù)庫(kù)旨在處理永久、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)維護(hù)數(shù)據(jù)的完整一致性，其性能指標(biāo)時(shí)要求系統(tǒng)由高的吞吐量和低的代價(jià)，并不考慮有關(guān)數(shù)據(jù)極其處理的現(xiàn)時(shí)要求。

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

　　3、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(gè)快速、完整、高效、準(zhǔn)確、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)。通過(guò)這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，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(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(yùn)轉(zhuǎn)狀況、客戶(hù)的情況、供應(yīng)商的情況等企業(yè)運(yùn)營(yíng)信息，通過(guò)這種信息化工廠網(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(yùn)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)信息化工廠的網(wǎng)絡(luò)，看到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)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(yùn)營(yíng)情況做出調(diào)整企業(yè)運(yùn)營(yíng)的決定。

　　企業(yè)的信息化系統(tǒng)的建設(shè)是一個(gè)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?？傮w建設(shè)規(guī)劃中應(yīng)充分考慮企業(yè)未來(lái)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(yíng)需求情況，分階段逐步實(shí)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(mǎn)足企業(yè)未來(lái)發(fā)展的需要。

　　2.進(jìn)行企業(yè)內(nèi)部骨干網(wǎng)即上層網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)， 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(tǒng)、決策（支持）系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)的建設(shè)。在進(jìn)行這些管理系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)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(gòu)架信息通路提供初步的依據(jù)。

　　3.進(jìn)行信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)，在這里要考慮到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的配置問(wèn)題，上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、下傳時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(xiàn)場(chǎng)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(shí)的技術(shù)條件，再進(jìn)行決策指令及下傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)集成，完成整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件集成，建成真正的設(shè)數(shù)字化透明工廠。

　　4、結(jié)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，這不可能是工廠信息化以后就會(huì)有立竿見(jiàn)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(jì)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(lái)以下效果：1、動(dòng)態(tài)成本及質(zhì)量控制的實(shí)現(xiàn)；2、定單生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零庫(kù)存；3、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)，合理安排大修；4、生產(chǎn)設(shè)備的在線(xiàn)管理實(shí)現(xiàn)備品備件的（零）微庫(kù)存；5、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)數(shù)據(jù)的問(wèn)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)。