發布日期：2022-07-14 點擊率：52
1、前言
以互聯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。現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“以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化”的工業發展道路，因為它可極大的提升企業的競爭力。
本文主要介紹工業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。工業以太網絡就是生產中自動化控制的神經網絡，負責工業現場與管理、經營層之間的數據傳輸。
ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，對于生產型企業起到減少內耗、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來說，是促進還是自找麻煩。我只是想說：信息化對于企業的發展壯大是必要的，是大勢所趨。國內許多企業已經通過信息化來大大提升了企業的效率。
2、信息化工廠的網絡構成
ERP、MIS面向企業管理信息化。是企業管理、運營的信息化，處于整個信息系統的頂部。DCS、SCADA和PLC是企業生產的信息化，是生產中的控制系統，控制著自動化生產過程中的每一個環節，同時也是生產現場的數據采集系統。而工業以太網就是生產控制系統的主要數據傳輸網絡。
圖1 信息處理示意圖
圖2 網絡示意圖
信息處理系統大都基于網絡和數據庫技術。ERP、MIS、DCS、SCADA等系統也不例外，ERP、MIS基于關系數據庫和商用以太網，而DCS、SCADA等基于工業以太網和實時數據庫。工業以太網技術都來源于成熟的商業以太網，但是為了使以太網適合在工業現場惡劣的環境中保證數據的正常傳輸，工業以太網有以下幾個主要特點：
1.高確定性。由于以太網的MAC層協議是CSMA/CD，該協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。對于一個工業網絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發數據，使得網間通信的不確定性大大增加。在工業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生，提高系統的確定性，但也提高了系統的成本。
2.高實時性。在工業控制系統中，實時可定義為系統對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發生后，系統必須在一個可以準確預見的時間范圍內做出反映。然而，工業上對數據的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數據的更新是在ms級的時間內完成的。而同樣由于以太網存在的CSMA/CD機制，當發生沖突的時候，就得重發數據，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間為代價的。而且一但出現掉線，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。顯然提高以太網的通信速度，就可以有效降低網絡的負荷。幸運的是現在以太網已經出現通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網，在加上細致全面的設計及對系統中的網絡結點的數量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網作為工業網絡。同時 工業以太網采用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議(PTP)。此協議并不是排外的，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。通過采用這種技術，以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。此外，在企業的各層次中使用基于以太網TCP/IP協議的網絡技術有著巨大的優勢。
IEEE1588所定義的精確網絡同步協議實現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據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，現在已經有許多控制系統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，并不是從工業網應用出發的。當它應用到工業現場，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、在工業以太網中采用了環形冗余網絡，保障了網路在發生故障時，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，使工業以太網設備在可以抵抗工業現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產品的使用習慣。
以上這些都是在工業網絡生產環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中任何少數、單一組件發生故障時，不會導致應用程序，操作系統，甚至網絡系統的崩潰和癱瘓。
在數據庫的使用上，控制層與管理層也有所不同。控制層采用的是實時數據庫。實時數據庫是控制層的核心問題之一。實時數據庫的基本特性是它與時間的相關性，表現在所處理的事物與數據的定時限制性。這個特性也是它與傳統數據庫的不同點。例如：DCS是將實時數據存放在“內存數據庫”里，將歷史數據存放在磁盤里，所以DCD的實時數據庫是組態時經常用到的有力工具。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程的操作參數及重要閥門的開啟、安全聯鎖系統的狀態數據。所有這些都可科學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。由于實時數據庫可解決數據與時間的相關性和共享大量數據，使現場過程中發生的歷史數據進行紀錄，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據庫，關系數據庫就是傳統型數據庫，多在商務及經營管理事務中應用。它與實時數據由不同的特征。實時數據庫有很強的時效性，必須在規定時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，其性能指標時要求系統由高的吞吐量和低的代價，并不考慮有關數據極其處理的現時要求。
企業經營管理部門使用關系數據庫可把反饋上來的生產經營數據，經過分析判斷，然后下達指令去指揮生產或做出經營決策。因此在二類數據庫的信息管理中構造一個統一的DBMS(數據庫管理系統)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，企業的經營決策部門和經營決策者可以在第一時間了解企業的營銷狀況、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，看到生產現場的實時運行狀況。并根據相應的決策系統或相關的企業技術人員給出相應的生產決策指令。企業決策者也可根據企業整體的運營情況做出調整企業運營的決定。
企業的信息化系統的建設是一個復雜的高科技的系統工程，首先要根據企業的具體情況，做出企業信息化系統的總體規劃，并制定出網絡接口標準及相應的軟硬件技術標準和規范。總體建設規劃中應充分考慮企業未來10～15年的發展需要。并根據技術成熟程度、企業資金情況及企業生產經營需求情況，分階段逐步實施。
1.根據信息化系統建設的總體規劃，建設企業的信息化網絡。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，以滿足企業未來發展的需要。
2.進行企業內部骨干網即上層網絡的建設， 同時進行基于企業上層網絡的各種信息管理系統、決策(支持)系統、生產控制系統的建設。在進行這些管理系統的建設時，要充分考慮系統的信息來源及信息目的地，以便為總體網絡的優化資源配置、構架信息通路提供初步的依據。
3.進行信息化網絡平臺的建設，在這里要考慮到實時數據庫的配置問題，上傳實時數據、下傳時時數據以及非實時數據的信息通路的優化問題。
信息化網絡建成后，首先進行現場數據上傳的系統集成;在完善基于企業上層網絡的信息管理系統后，根據當時的技術條件，再進行決策指令及下傳實時數據的系統集成，完成整個系統的軟硬件集成，建成真正的設數字化透明工廠。
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的設計理念、控制方法相適應。
排除使用者的影響后，工業以太網同管理系統的使用，可以給企業帶來以下效果：
1、動態成本及質量控制的實現;
2、定單生產，實現產品零庫存;
3、在線監測實，合理安排大修;
4、生產設備的在線管理實現備品備件的(零)微庫存;
5、工業現場實時數據的采集。也就是工業以太網的使用解決了ERP等管理系統缺乏實生產現場時數據的問題，為企業的決策者提供了生產中的第一手數據，是信息化工廠中不可缺少的網絡基礎。
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