雷云濤，趙振海，鐘 平

（1.天津職業(yè)技術師范大學 工程實訓中心，天津 300222；2.天津市源峰科技發(fā)展有限責任公司，天津 300222）

當前，自動化技術和通信技術的融合已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。隨著現(xiàn)代化企業(yè)規(guī)模越來越大、自動化程度越來越高，企業(yè)對于網(wǎng)絡通信技術的依賴和要求也越來越高，傳統(tǒng)的組網(wǎng)技術和信息系統(tǒng)已經(jīng)很難適合現(xiàn)代化企業(yè)的要求［1］。通過對廣西制糖廠、首都鋼鐵公司冶煉廠等多家企業(yè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，許多企業(yè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡和信息化技術水平已經(jīng)大大落后于企業(yè)發(fā)展的需求，目前迫切需要設計出新型的組網(wǎng)技術和信息化系統(tǒng)以適應現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)展。對此，本文提出一種全新的理念，即將集成網(wǎng)絡系統(tǒng)和集成信息系統(tǒng)融合，以提高工廠信息化水平及運行的可靠性，保證系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。

1 系統(tǒng)架構設計

過程控制教學工廠以集成網(wǎng)絡系統(tǒng)作為信息系統(tǒng)的承載層，其架構主要由多種通信冗余技術和控制系統(tǒng)的冗余技術構成，采用了新型的信息安全技術進行設計，包括訪問控制技術、防火墻技術和質(zhì)量保證技術［2］。集成信息系統(tǒng)可以提供生產(chǎn)過程中關鍵控制參數(shù)、視頻監(jiān)控和VOIP等信息［3］。采用三網(wǎng)（電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)）融合技術，在同一個集成網(wǎng)絡平臺上通過控制數(shù)據(jù)、語音和視頻等方式實現(xiàn)與教學工廠的控制和管理有關的全部業(yè)務，以控制數(shù)據(jù)、曲線、語音和視頻等形式，完成與教學工廠控制和管理有關的全部業(yè)務，實現(xiàn)管控一體化。教學工廠整體網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 教學工廠整體網(wǎng)絡架構圖

在網(wǎng)絡層次上可分為實時控制層網(wǎng)絡、車間層網(wǎng)絡和管理層網(wǎng)絡［4］。在信息系統(tǒng)上，包括了實時控制系統(tǒng)、控制監(jiān)控信息系統(tǒng)、大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控信息系統(tǒng)、語音通信系統(tǒng)、MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)［5］。

2 系統(tǒng)核心功能模塊設計

2.1 集成網(wǎng)絡系統(tǒng)模塊設計

集成網(wǎng)絡系統(tǒng)由實時控制層網(wǎng)絡、車間層網(wǎng)絡、管理層網(wǎng)絡3個模塊組成。

2.1.1 實時控制層網(wǎng)絡

實時控制層網(wǎng)絡負責各個控制單元與中央控制室的通信，采用了高可靠性的冗余容錯光纖環(huán)網(wǎng)，可提供高達1 000MB的帶寬，可同時承載高速的控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控及語音電話信息；由于采用了QoS（Quality of Service）技術，在非實時數(shù)據(jù)為總帶寬的50%時，高達30臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機互聯(lián)的網(wǎng)絡，在最惡劣情況下的最大延遲時間只有7.4ms［6］；光纖介質(zhì)保證了在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠的遠距離傳輸，環(huán)網(wǎng)保證了在即使光纖鏈路出現(xiàn)故障的情況下，所有網(wǎng)絡節(jié)點通信也不會出現(xiàn)問題；同時采用冗余容錯網(wǎng)絡光纖環(huán)網(wǎng)技術，保證了即使在任何一臺網(wǎng)絡設備發(fā)生故障的情況下，也不會出現(xiàn)無法通信的問題。實時控制網(wǎng)絡要求傳輸速度和故障恢復速度都可以達到10ms～100 ms的量級［7］。

2.1.2 車間層網(wǎng)絡

車間層網(wǎng)絡不采用環(huán)網(wǎng)技術，而是采用星形鏈接方式的冗余網(wǎng)絡，從而方便用戶使用，達到即插即用的效果，且便于擴展和維護。

網(wǎng)絡冗余技術的通信協(xié)議包含了生成樹協(xié)議、彈性分組環(huán)協(xié)議（Resilient Packet Ring，RPR）等。根據(jù)IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）制定的生成樹協(xié)議，消除了網(wǎng)絡回路，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中只有一條數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑?］，快速生成樹協(xié)議對生成樹協(xié)議進行了改進，縮短了網(wǎng)絡故障恢復時間［9］。彈性分組環(huán)協(xié)議采用逆向雙環(huán)結構，由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，數(shù)據(jù)沿外環(huán)或內(nèi)環(huán)在節(jié)點之間進行相互轉(zhuǎn)發(fā)［10］。該協(xié)議的另一個優(yōu)點就是空間重用［11］。

除了IO服務器要不斷從控制網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)外，生產(chǎn)過程中的信息（例如報警、記錄等）都在車間網(wǎng)絡層流通。車間層網(wǎng)絡傳輸速度以及故障恢復速度可以達到500ms～1 000ms的量級。

車間層網(wǎng)絡還具有REALMIS系統(tǒng)，為管理層提供MIS信息。車間層與管理層之間通過具有多功能的路由器進行隔離，功能包括網(wǎng)段隔離功能、訪問控制管理功能、基本的防火墻功能、出口NAT轉(zhuǎn)換功能等。

2.1.3 管理層網(wǎng)絡

管理層網(wǎng)絡用于整個教學工廠的區(qū)域管理，與車間層的網(wǎng)絡可通過一臺或多臺路由器來連接，獲取現(xiàn)場的原料消耗、生產(chǎn)加工過程中的參數(shù)信息、生產(chǎn)產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量等信息的相關數(shù)據(jù)，從而為采購、銷售、質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢測和統(tǒng)計等提供參考。該網(wǎng)絡的速度和性能不像其他網(wǎng)絡層次要求那么高。此外為了方便與城域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)的互聯(lián)，還設有VPN防火墻，采用先進、高效、穩(wěn)定的隔離控制技術，使得整個工廠網(wǎng)絡置于安全監(jiān)管之下。

2.2 集成信息系統(tǒng)模塊設計

工業(yè)時代的競爭是產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的競爭，規(guī)?；笊a(chǎn)是降低生產(chǎn)成本的有效方式，生產(chǎn)過程的規(guī)范化、標準化是保證質(zhì)量的根本，而快速響應則是滿足客戶個性化需求的保障。工廠規(guī)模擴大和生產(chǎn)快速響應使得原材料、生產(chǎn)、物流，以及資金流的綜合管理成為關鍵，全面信息化建設成為現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的迫切需求。物料需求計劃（MRP）、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等信息系統(tǒng)推進了管控一體化的發(fā)展。

采用分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)車間層管理控制的集中化，協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)之間控制信息，并與車間層網(wǎng)絡上的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)信息的交互，冗余容錯光纖環(huán)網(wǎng)作為承載［12］實現(xiàn)集中化控制。此外，還具有融合通信功能。如果工廠廠區(qū)比較大，環(huán)境比較復雜時，采用高速的光纖環(huán)網(wǎng)來承載語音、視頻的信息是提高系統(tǒng)可靠性的重要措施，這些信息均可作為控制信息的組成部分。系統(tǒng)中采用QoS技術，保證了控制系統(tǒng)的帶寬和優(yōu)先級，同時保證了系統(tǒng)的實時性。視頻和音頻的監(jiān)控能實時全面掌握現(xiàn)場的狀況。而VOIP電話系統(tǒng)連接了整個工廠的電話網(wǎng)，并直接經(jīng)過網(wǎng)關連接到PSTN公網(wǎng)。基于IP網(wǎng)絡的融合通信是近年來通信技術的發(fā)展熱點，得到了廣泛的應用，其價格也大大降低，使系統(tǒng)的設備簡化、實用，擴展維護方便。

大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的影像視覺效果，可清晰地顯示視頻信息和現(xiàn)場參數(shù)，便于操作人員快速發(fā)現(xiàn)問題，及時反饋各種問題。

在管理層實現(xiàn)高度實時的企業(yè)信息化，將現(xiàn)場的原料消耗、成品生產(chǎn)、故障分析等信息，融合進企業(yè)的銷售、采購、質(zhì)控，以及資金流體系中［13］。在本文所設計的系統(tǒng)中，開發(fā)出了REAL MIS系統(tǒng)，了解現(xiàn)場的生產(chǎn)、消耗以及故障；開發(fā)出的MES系統(tǒng)，能依據(jù)客戶對產(chǎn)品種類和數(shù)量的需求直接下單到生產(chǎn)線，立即進行生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)批量和產(chǎn)品需求的設定。此外系統(tǒng)還集成了國內(nèi)著名的生產(chǎn)管理軟件，設計了ERP系統(tǒng)和ERP接口［14］。

3 結論

本文通過對國內(nèi)大型企業(yè)的調(diào)研，分析了當前網(wǎng)絡和信息化技術的現(xiàn)狀和需求，對網(wǎng)絡和信息化進行了優(yōu)化設計，建立了目前國內(nèi)較為先進、可靠、維護方便的網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)。2011年該系統(tǒng)在中國天津公共技能實訓中心建設的過程控制教學工廠中得到應用，并進行了實際運行、測試及鑒定，得到了專家的好評，收到了良好的效果。該系統(tǒng)設計簡化、可靠、穩(wěn)定，具有較強的使用價值，在大型制糖、鋼鐵、化工等企業(yè)中有廣泛的實用和推廣價值。

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