详解信息化工厂中的工业以太网

　　1、前言

　　以互联网为基础的信息化社会，对于我们已经不是遥不可及，我们已是身临其境。现在我们已经很难想想失去网络和电脑后，工作、生活会变成什么样。同样信息化的浪潮也大大改变了生产、制造业的内涵。从最初的单片机的使用到DCS、PLC的普及，从单台设备的自动控制到整个生产线、整个工厂的信息化，这场变革正在我们的身边改变着工厂的内涵。党的十六大明确提出我国要走“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”的工业发展道路，因为它可极大的提升企业的竞争力。

　　本文主要介绍工业以太网在信息化工厂中所起的作用。我们先来看看“信息化工厂”的定义：信息化工厂是指在工厂的生产、管理、经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息的采集（传感器及仪器仪表）、信息的传输（通信）、信息的处理（计算机）以及信息的综合应用（自动化、管理、经营等功能）等都是信息化的内容。工业以太网络就是生产中自动化控制的神经网络，负责工业现场与管理、经营层之间的数据传输。

　　ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，对于生产型企业起到减少内耗、增加活力，提高对市场的反应能力，提高工作效率的作用。已经逐渐成为企业管理、经营、生产不可缺少的部分。这里我不去讨论ERP的运用与否对于企业来说，是促进还是自找麻烦。我只是想说：信息化对于企业的发展壮大是必要的，是大势所趋。国内许多企业已经通过信息化来大大提升了企业的效率。

　　2、信息化工厂的网络构成

　　ERP、MIS面向企业管理信息化。是企业管理、运营的信息化，处于整个信息系统的顶部。DCS、SCADA和PLC是企业生产的信息化，是生产中的控制系统，控制着自动化生产过程中的每一个环节，同时也是生产现场的数据采集系统。而工业以太网就是生产控制系统的主要数据传输网络。

　　图1 信息处理示意图

　　图2 网络示意图

　　信息处理系统大都基于网络和数据库技术。ERP、MIS、DCS、SCADA等系统也不例外，ERP、MIS基于关系数据库和商用以太网，而DCS、SCADA等基于工业以太网和实时数据库。工业以太网技术都来源于成熟的商业以太网，但是为了使以太网适合在工业现场恶劣的环境中保证数据的正常传输，工业以太网有以下几个主要特点：

　　1.高确定性。由于以太网的MAC层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，使用工业以太网交换机（switch）。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提高系统的确定性，但也提高了系统的成本。

　　2.高实时性。在工业控制系统中，实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在ms级的时间内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。工业以太网采用高速以太网方式。当网络中的负载越大的时候，发生冲突的慨率也就越大。当一个网络的负菏低于36%时，基本上不会发生冲突，在负荷为10%以下时，10M以太网冲突机率为每五年一次。100M以太网冲突机率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的慨率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已经出现通信速率达100M/S，1G/S的高速以太网，在加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。同时 工业以太网采用IEEE1588对时机制，IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议（PTP）。此协议并不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足要求。这使得它尤其适用于基于以太网的系统。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。在区域总线中它所达到的精度远远超过了现有各种系统。此外，在企业的各层次中使用基于以太网TCP/IP协议的网络技术有着巨大的优势。

　　IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，现在已经有许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准，这样他们的产品之间也可以保证很好的同步性。

　　3.高可靠性。由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。A、在工业以太网中采用了环形冗余网络，保障了网路在发生故障时，在几百毫秒内自愈；B、冗余电源；C、无风扇的表皮散热，即较少了故障点（风扇）也增加了产品的防尘性能；D、通过EMC电磁兼容性测试，使工业以太网设备在可以抵抗工业现场电磁干扰的同时也不产生过多的电磁干扰；E、在电子元器件和产品设计上，都保证产品在温度、湿度方面都有很好的适用性；F、在产品的安装和使用上都符合工业产品的使用习惯。

　　以上这些都是在工业网络生产环境中具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何少数、单一组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。

　　在数据库的使用上，控制层与管理层也有所不同。控制层采用的是实时数据库。实时数据库是控制层的核心问题之一。实时数据库的基本特性是它与时间的相关性，表现在所处理的事物与数据的定时限制性。这个特性也是它与传统数据库的不同点。例如：DCS是将实时数据存放在“内存数据库”里，将历史数据存放在磁盘里，所以DCD的实时数据库是组态时经常用到的有力工具。这些历史数据的记载很像飞机上的“黑匣子”。它可以按区域和单元纪录工艺过程的操作参数及重要阀门的开启、安全联锁系统的状态数据。所有这些都可科学的决定维护及检修计划的编制和执行，做到在故障前的正确判断和相应的措施，防患于未然。由于实时数据库可解决数据与时间的相关性和共享大量数据，使现场过程中发生的历史数据进行纪录，方便管理者们对其进行历史查询和事后的事故分析。而在管理层使用的是关系数据库，关系数据库就是传统型数据库，多在商务及经营管理事务中应用。它与实时数据由不同的特征。实时数据库有很强的时效性，必须在规定时间内完成其数据处理。传统型数据库旨在处理永久、稳定的数据，强调维护数据的完整一致性，其性能指标时要求系统由高的吞吐量和低的代价，并不考虑有关数据极其处理的现时要求。

　　企业经营管理部门使用关系数据库可把反馈上来的生产经营数据，经过分析判断，然后下达指令去指挥生产或做出经营决策。因此在二类数据库的信息管理中构造一个统一的DBMS（数据库管理系统）来进行有效的管理是十分必要的。

　　3、信息化工厂网络的作用和建设

　　信息化工厂是构架在一个快速、完整、高效、准确、安全可靠的网络硬件平台。通过这样的一个网络硬件平台，企业的经营决策部门和经营决策者可以在第一时间了解企业的营销状况、原料供应状况、资金状况、人员状况、生产状况、产品质量状况、设备的运转状况、客户的情况、供应商的情况等企业运营信息，通过这种信息化工厂网络实时地看到来自生产第一线的工况信息。

　　企业管理者和相关生产运营部门可以在第一时间上，在办公桌上的电脑里，通过信息化工厂的网络，看到生产现场的实时运行状况。并根据相应的决策系统或相关的企业技术人员给出相应的生产决策指令。企业决策者也可根据企业整体的运营情况做出调整企业运营的决定。

　　企业的信息化系统的建设是一个复杂的高科技的系统工程，首先要根据企业的具体情况，做出企业信息化系统的总体规划，并制定出网络接口标准及相应的软硬件技术标准和规范。总体建设规划中应充分考虑企业未来10～15年的发展需要。并根据技术成熟程度、企业资金情况及企业生产经营需求情况，分阶段逐步实施。

　　1.根据信息化系统建设的总体规划，建设企业的信息化网络。在软硬件的配置上要充分考虑到系统整体的需要，并要留有足够的余量，以满足企业未来发展的需要。

　　2.进行企业内部骨干网即上层网络的建设， 同时进行基于企业上层网络的各种信息管理系统、决策（支持）系统、生产控制系统的建设。在进行这些管理系统的建设时，要充分考虑系统的信息来源及信息目的地，以便为总体网络的优化资源配置、构架信息通路提供初步的依据。

　　3.进行信息化网络平台的建设，在这里要考虑到实时数据库的配置问题，上传实时数据、下传时时数据以及非实时数据的信息通路的优化问题。

　　信息化网络建成后，首先进行现场数据上传的系统集成；在完善基于企业上层网络的信息管理系统后，根据当时的技术条件，再进行决策指令及下传实时数据的系统集成，完成整个系统的软硬件集成，建成真正的设数字化透明工厂。

　　4、结束语

　　网络已经渗入我们工作、生活的方方面面，工厂信息化以后究竟能给企业带来怎样的效益，这不可能是工厂信息化以后就会有立竿见影的效应，同样重要的是使用者的管理理念、控制理论水平等人员素质，能不能够同信息化系统的设计理念、控制方法相适应。排除使用者的影响后，工业以太网同管理系统的使用，可以给企业带来以下效果：1、动态成本及质量控制的实现；2、定单生产，实现产品零库存；3、在线监测实，合理安排大修；4、生产设备的在线管理实现备品备件的（零）微库存；5、工业现场实时数据的采集。也就是工业以太网的使用解决了ERP等管理系统缺乏实生产现场时数据的问题，为企业的决策者提供了生产中的第一手数据，是信息化工厂中不可缺少的网络基础。