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。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(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、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，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)。
