基于工业以太网的车间数字设备智能控制系统设计
摘要：针对中国离散制造企业中车间数字设备的应用现状和特点，分析了生产现场数字设备智能集中控制的功能需求，提出了一种开放式、模块化、分布式的智能控制系统的拓扑结构，给出了将工业以太网直接应用于车间数字设备智能控制的设计方案。
关键词：工业以太网 数字设备 智能控制
1 制造企业网络信息集成系统的现状
为了应对制造业日益激烈的全球化竞争，离散制造企业必须大力开展企业内部控制网络化建设，加强对生产系统的控制和管理。车间是制造企业网络信息集成系统的基础，承担着如何在现有车间数字设备资源的基础上，利用网络技术实现车间资源的动态重组、集成以及传递各种管理信息和生产控制信息的实时传递，是促进企业信息化、提高企业生产力的重要环节。
由于发展速度不同，生产条件不一样，目前车间自动化控制系统的形式主要有基于串口通信的计算机集中控制、分布式控制系统（DistributedControlSystem，DCS）和现场总线（Fieldbus）是目前车间底层设备之间常用的通信网络，为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台。由于不同行业应用派生出不同的总线系统，加之经济利益的冲突，各种不同现场总线标准之间的互不兼容严重束缚了不同厂商设备之间的互连，使得多现场总线应用推广受到限制。传统的控制系统从网络到控制系统底板设计均为主从方式，且不同层次的应用层协议也不同，使得跨越不同层次的访问会有一定的困难。
企业范围的远程监控与数据获取（SupervisorControlandDataAcquisition，SCADA）和工厂现场的电子操作员界面也存在着开发软件不统一以及上位和下位数据库不统一的问题。因此，车间底层设备控制已成为企业信息化和工厂自动化发展的瓶颈。针对这种情况，西门子公司采用基于组件技术的PROFINET自动化总线标准，实现分布式现场设备通过PROFINET与工业以太网的透明链接；美国 DigiIntemational公司采用设备服务器技术，实现具有串行端口的工业设备与工业以太网的链接。国内浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家863计划支持下，研究了以太网技术应用于工业测量与控制现场设备间通信的关键技术，并起草了 EPA（EthernetforP1antAutomation）国家标准1；上海大学的费敏锐教授等研制了“支持工业以太网与多协议转换技术的新型测控平台”。这些研究主要是针对流程工业。
本文主要研究离散型制造企业中车间数字设备间的关联信息，分析其分布式智能集中控制的功能需求，提出利用工业以太网技术，采用统一的网络结构，构建车间数字设备智能集中控制系统。
2 工业以太网
工业以太网是将以太网作为现场设备的控制网络平台，它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场合得到了广泛应用，许多如控制器、PLC、智能仪表、执行器以及DCS系统已经带有以太网接口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向。工业以太网在传统以太网技术的基础上，通过采用双工通信、交换机、信息优先级等技术，使有实时要求站点的通信通过交换机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题，还可以方便地实现优先级排队机制，使紧急信息的传送达到最快。采用以太网集线器可使实时数据的延迟时间控制在200ms范围之内，并在以太网的协议中加入实时功能，采用高速背板交换或微处理器交换，响应时间是确定的，足以满足2005／V大多数场合的实时控制要求。工业以太网成本低，速度高达1Gb／s。因此，工业以太网将在车间现场设备控制中发挥重要作用，对车间数字设备的网络化控制模式产生很大的影响。
3 数字设备智能控制系统及其功能设计
车间数字设备是指在离散型制造企业中使用具有数字控制功能的装备或仪器，如数控机床、三坐标测量仪、可编程序控制器、智能仪器和智能执行器（工业机器人）等。目前，中国离散制造企业数字设备的使用具有如下特点：存在不同生产厂家、不同生产时间或不同数控系统的数字设备；多数企业的数控设备采用的是依据加工对象不同进行在线编程的方法；单台设备采用集中控制，自动化程度较高；设备之间大多没有实现集中控制，彼此之间信息传递较少；现场总线控制系统（FCS）是目前车间数字设备分布式控制所采用的主要方式。随着现代化管理的需要，车间数字设备与控制系统间需要交换的数据越来越多，如：过程测量与控制数据的上载传输，报警信息的上传，组态信息的下载传输，修改后的控制参量数据的下载传输等，这就需要运用智能理论与智能感测技术来获取信息，将其存储于动态和静态数据库中，利用相关的智能调度和控制策略，分析、处理、优化和控制数据信息，实现车间数字设备协调统一的管理和控制，达到优化生产过程的目的。而采用完全的局部控制和完全的全局控制都不能达到最优。按照集中管理分散控制的原则，对车间数字设备须采用分布式集中智能控制方式，其主要模块及功胄色女口下。
（1）设备配置和状态管理包括车间设备档案管理与查询；车间生产设备运行数据采集与设备运行统计查询；基于任务的（设备）资源动态组合：根据生产任务、加工工件和其它变化，重新分配和组合设备；设备命令协议的定制功能：针对监控对象的不同属性，对设备协议进行定制，保证控制台和设备协议的一致性，保证控制命令的正确解释与执行。
（2）智能维护管理建立数字设备信息库和备品备件库，对各种数字设备的运行质量进行记录，为生产提供预测维修信息，支持预测维修计划，避免非计划停机，进行安全管理和故障分析，跟踪和指导设备与工具维护的活动来保证生产和调度的进程，也提供紧急问题的反映，如报警，并维护历史信息以支持问题的诊断。
（3）过程管理主要包括对数字设备资源跟踪（访问设备资源库，对设备状态信息进行查询和跟踪），生产进程跟踪（包括工件工序进程跟踪、零件质量信息跟踪和零件完工件数跟踪），质量监控（包括零件质量统计分析、关键件质量跟踪）。
（4）工艺管理零件n-r-r艺信息维护，如加工工序步骤、加工工时等，自动修正工艺信息，以满足车间生产和临时工艺改变。工艺规划与管理，主要包括资料管理、产品结构（BOM）管理、工艺规划，其中，资料管理包括文档接收、文档更新、文档借 阅、文档发放、文档查询和存根管理；产品结构管理中包括项目编码定义、物料明细表管理与动态维护，例如生产作业完工登记，并根据零件的工艺信息，确定零件的下道工序走向，记录到工艺信息表中，以便于跟踪零件物流信息；工艺规划包括交互式工艺设计、工艺查询与检索、工装提出管理、工艺例外处理、加工过程卡片编制及临时脱离工艺卡编制。
（5）数据收集／获取与处理包括制造信息的描述模型，车间现场制造信息的获取，并进行处理，考虑工艺流程，用于对后续工序加工参数的修正或对后续加工工序进行自动调整，从而在保证加工精度的前提下，提高加工效率。
（6）组件管理包括设备组件和控制组件模型描述、组件库的建立与管理、组件的重构、组件检入／检出机制、组件的动态调度与组态
（7）SCADA功能SCADA包括通过各种通信协议实现数据采集，各种实时数据进行存储、分类、综合分析和显示；对现场设备或控制器直接浏览和操作，而不必编写专门的监控软件。对车间设备的运行进行实时监测和状态自动诊断，并可实现自动校正功能。
4 基于工业以太网的智能控制系统的体系结构
基于工业以太网的智能控制系统的拓扑结构如附图所示，系统中各主要部分的功能如下。
（1）智能控制器完成对生产现场数字设备的程序管理与动态调度。获取各控制设备的信息，并将组态信息下载到各数字设备中；接受各数字设备发出的周期性过程测量与控制数据，对现场数字设备进行监控，同时，这些数据也传递给数据库服务器，建立实时数据库；接受现场设备发出的报警信息，建立历史报警信息文档，并通过声光报警提醒用户及时处理。
（2）智能接口考虑到设备控制系统种类繁多，不同厂家都有自己的控制方式，而且以前出厂没有联网能力的设备仍然在大量使用。针对这种情况，采用智能接口完成对现场信息的提取以及对设备的控制，然后通过智能接口与智能控制器和数据库进行联网通信以及数字设备之间的通信。实现多种协议间的转换；将软件组件或数据下载到现场数字设备；实现对现场设备的工作参数、状态参数的采集与处理，并与智能控制器实现控制信息、状态信息、I／O数据的交换。
（3）web服务器将加工过程中的测量与控制信息用于刷新动态网页，用户可通过远程IE、Netscape等通用浏览器（而无需专门的监控软件）x—J间生产现场进行实时监控。
（4）数据库服务器包含动态数据库服务器和静态数据库服务器。实现各种数据的检人、检出、数据库的建立与管理。
5 结束语
基于工业以太网的车间数字设备智能控制系统的研究是车间制造过程管理的一个重要方面，目的是实现从资源规划到底层设备控制的透明通信，解决车间数字设备自治条件下的协调问题，对于提高我国制造业资源的利用率、提升企业的核心竞争力以及推动网络化制造的发展与应用具有积极的意义和实用价值。
参考文献：
1 陈海松．PROnNEI．-一面向自动化未来的以太网现场总线解决方案[J]．现代制造，2004，（12）：34～37
2 美国Digi国际（香港）有限公司市场部．透过以太网管理传统的工业设备[J]．现代制造，2004，（22）：46～47
3 赵联祥．基于以太网的工业控制系统的研究与应用[D]．浙江大学，2004
关键词：工业以太网 数字设备 智能控制
1 制造企业网络信息集成系统的现状
为了应对制造业日益激烈的全球化竞争，离散制造企业必须大力开展企业内部控制网络化建设，加强对生产系统的控制和管理。车间是制造企业网络信息集成系统的基础，承担着如何在现有车间数字设备资源的基础上，利用网络技术实现车间资源的动态重组、集成以及传递各种管理信息和生产控制信息的实时传递，是促进企业信息化、提高企业生产力的重要环节。
由于发展速度不同，生产条件不一样，目前车间自动化控制系统的形式主要有基于串口通信的计算机集中控制、分布式控制系统（DistributedControlSystem，DCS）和现场总线（Fieldbus）是目前车间底层设备之间常用的通信网络，为车间底层设备信息及生产过程信息集成提供了通信技术平台。由于不同行业应用派生出不同的总线系统，加之经济利益的冲突，各种不同现场总线标准之间的互不兼容严重束缚了不同厂商设备之间的互连，使得多现场总线应用推广受到限制。传统的控制系统从网络到控制系统底板设计均为主从方式，且不同层次的应用层协议也不同，使得跨越不同层次的访问会有一定的困难。
企业范围的远程监控与数据获取（SupervisorControlandDataAcquisition，SCADA）和工厂现场的电子操作员界面也存在着开发软件不统一以及上位和下位数据库不统一的问题。因此，车间底层设备控制已成为企业信息化和工厂自动化发展的瓶颈。针对这种情况，西门子公司采用基于组件技术的PROFINET自动化总线标准，实现分布式现场设备通过PROFINET与工业以太网的透明链接；美国 DigiIntemational公司采用设备服务器技术，实现具有串行端口的工业设备与工业以太网的链接。国内浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家863计划支持下，研究了以太网技术应用于工业测量与控制现场设备间通信的关键技术，并起草了 EPA（EthernetforP1antAutomation）国家标准1；上海大学的费敏锐教授等研制了“支持工业以太网与多协议转换技术的新型测控平台”。这些研究主要是针对流程工业。
本文主要研究离散型制造企业中车间数字设备间的关联信息，分析其分布式智能集中控制的功能需求，提出利用工业以太网技术，采用统一的网络结构，构建车间数字设备智能集中控制系统。
2 工业以太网
工业以太网是将以太网作为现场设备的控制网络平台，它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场合得到了广泛应用，许多如控制器、PLC、智能仪表、执行器以及DCS系统已经带有以太网接口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向。工业以太网在传统以太网技术的基础上，通过采用双工通信、交换机、信息优先级等技术，使有实时要求站点的通信通过交换机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题，还可以方便地实现优先级排队机制，使紧急信息的传送达到最快。采用以太网集线器可使实时数据的延迟时间控制在200ms范围之内，并在以太网的协议中加入实时功能，采用高速背板交换或微处理器交换，响应时间是确定的，足以满足2005／V大多数场合的实时控制要求。工业以太网成本低，速度高达1Gb／s。因此，工业以太网将在车间现场设备控制中发挥重要作用，对车间数字设备的网络化控制模式产生很大的影响。
3 数字设备智能控制系统及其功能设计
车间数字设备是指在离散型制造企业中使用具有数字控制功能的装备或仪器，如数控机床、三坐标测量仪、可编程序控制器、智能仪器和智能执行器（工业机器人）等。目前，中国离散制造企业数字设备的使用具有如下特点：存在不同生产厂家、不同生产时间或不同数控系统的数字设备；多数企业的数控设备采用的是依据加工对象不同进行在线编程的方法；单台设备采用集中控制，自动化程度较高；设备之间大多没有实现集中控制，彼此之间信息传递较少；现场总线控制系统（FCS）是目前车间数字设备分布式控制所采用的主要方式。随着现代化管理的需要，车间数字设备与控制系统间需要交换的数据越来越多，如：过程测量与控制数据的上载传输，报警信息的上传，组态信息的下载传输，修改后的控制参量数据的下载传输等，这就需要运用智能理论与智能感测技术来获取信息，将其存储于动态和静态数据库中，利用相关的智能调度和控制策略，分析、处理、优化和控制数据信息，实现车间数字设备协调统一的管理和控制，达到优化生产过程的目的。而采用完全的局部控制和完全的全局控制都不能达到最优。按照集中管理分散控制的原则，对车间数字设备须采用分布式集中智能控制方式，其主要模块及功胄色女口下。
（1）设备配置和状态管理包括车间设备档案管理与查询；车间生产设备运行数据采集与设备运行统计查询；基于任务的（设备）资源动态组合：根据生产任务、加工工件和其它变化，重新分配和组合设备；设备命令协议的定制功能：针对监控对象的不同属性，对设备协议进行定制，保证控制台和设备协议的一致性，保证控制命令的正确解释与执行。
（2）智能维护管理建立数字设备信息库和备品备件库，对各种数字设备的运行质量进行记录，为生产提供预测维修信息，支持预测维修计划，避免非计划停机，进行安全管理和故障分析，跟踪和指导设备与工具维护的活动来保证生产和调度的进程，也提供紧急问题的反映，如报警，并维护历史信息以支持问题的诊断。
（3）过程管理主要包括对数字设备资源跟踪（访问设备资源库，对设备状态信息进行查询和跟踪），生产进程跟踪（包括工件工序进程跟踪、零件质量信息跟踪和零件完工件数跟踪），质量监控（包括零件质量统计分析、关键件质量跟踪）。
（4）工艺管理零件n-r-r艺信息维护，如加工工序步骤、加工工时等，自动修正工艺信息，以满足车间生产和临时工艺改变。工艺规划与管理，主要包括资料管理、产品结构（BOM）管理、工艺规划，其中，资料管理包括文档接收、文档更新、文档借 阅、文档发放、文档查询和存根管理；产品结构管理中包括项目编码定义、物料明细表管理与动态维护，例如生产作业完工登记，并根据零件的工艺信息，确定零件的下道工序走向，记录到工艺信息表中，以便于跟踪零件物流信息；工艺规划包括交互式工艺设计、工艺查询与检索、工装提出管理、工艺例外处理、加工过程卡片编制及临时脱离工艺卡编制。
（5）数据收集／获取与处理包括制造信息的描述模型，车间现场制造信息的获取，并进行处理，考虑工艺流程，用于对后续工序加工参数的修正或对后续加工工序进行自动调整，从而在保证加工精度的前提下，提高加工效率。
（6）组件管理包括设备组件和控制组件模型描述、组件库的建立与管理、组件的重构、组件检入／检出机制、组件的动态调度与组态
（7）SCADA功能SCADA包括通过各种通信协议实现数据采集，各种实时数据进行存储、分类、综合分析和显示；对现场设备或控制器直接浏览和操作，而不必编写专门的监控软件。对车间设备的运行进行实时监测和状态自动诊断，并可实现自动校正功能。
4 基于工业以太网的智能控制系统的体系结构
基于工业以太网的智能控制系统的拓扑结构如附图所示，系统中各主要部分的功能如下。
（2）智能接口考虑到设备控制系统种类繁多，不同厂家都有自己的控制方式，而且以前出厂没有联网能力的设备仍然在大量使用。针对这种情况，采用智能接口完成对现场信息的提取以及对设备的控制，然后通过智能接口与智能控制器和数据库进行联网通信以及数字设备之间的通信。实现多种协议间的转换；将软件组件或数据下载到现场数字设备；实现对现场设备的工作参数、状态参数的采集与处理，并与智能控制器实现控制信息、状态信息、I／O数据的交换。
（3）web服务器将加工过程中的测量与控制信息用于刷新动态网页，用户可通过远程IE、Netscape等通用浏览器（而无需专门的监控软件）x—J间生产现场进行实时监控。
（4）数据库服务器包含动态数据库服务器和静态数据库服务器。实现各种数据的检人、检出、数据库的建立与管理。
5 结束语
基于工业以太网的车间数字设备智能控制系统的研究是车间制造过程管理的一个重要方面，目的是实现从资源规划到底层设备控制的透明通信，解决车间数字设备自治条件下的协调问题，对于提高我国制造业资源的利用率、提升企业的核心竞争力以及推动网络化制造的发展与应用具有积极的意义和实用价值。
参考文献：
1 陈海松．PROnNEI．-一面向自动化未来的以太网现场总线解决方案[J]．现代制造，2004，（12）：34～37
2 美国Digi国际（香港）有限公司市场部．透过以太网管理传统的工业设备[J]．现代制造，2004，（22）：46～47
3 赵联祥．基于以太网的工业控制系统的研究与应用[D]．浙江大学，2004
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