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針對中國離散制造企業(yè)中車間數(shù)字設備的應用現(xiàn)狀和特點，分析了生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字設備智能集中控制的功能需求，提出了一種開放式、模塊化、分布式的智能控制系統(tǒng)的拓撲結構，給出了將工業(yè)以太網(wǎng)直接應用于車間數(shù)字設備智能控制的設計方案。
1 制造企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的現(xiàn)狀
為了應對制造業(yè)日益激烈的全球化競爭，離散制造企業(yè)必須大力開展企業(yè)內(nèi)部控制網(wǎng)絡化建設，加強對生產(chǎn)系統(tǒng)的控制和管理。車間是制造企業(yè)網(wǎng)絡信息集成系統(tǒng)的基礎，承擔著如何在現(xiàn)有車間數(shù)字設備資源的基礎上，利用網(wǎng)絡技術實現(xiàn)車間資源的動態(tài)重組、集成以及傳遞各種管理信息和生產(chǎn)控制信息的實時傳遞，是促進企業(yè)信息化、提高企業(yè)生產(chǎn)力的重要環(huán)節(jié)。
由于發(fā)展速度不同，生產(chǎn)條件不一樣，目前車間自動化控制系統(tǒng)的形式主要有基于串口通信的計算機集中控制、分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）和現(xiàn)場總線（Fieldbus）是目前車間底層設備之間常用的通信網(wǎng)絡，為車間底層設備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術平臺。由于不同行業(yè)應用派生出不同的總線系統(tǒng)，加之經(jīng)濟利益的沖突，各種不同現(xiàn)場總線標準之間的互不兼容嚴重束縛了不同廠商設備之間的互連，使得多現(xiàn)場總線應用推廣受到限制。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)從網(wǎng)絡到控制系統(tǒng)底板設計均為主從方式，且不同層次的應用層協(xié)議也不同，使得跨越不同層次的訪問會有一定的困難。
企業(yè)范圍的遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)獲�。⊿upervisorControlandDataAcquisition，SCADA）和工廠現(xiàn)場的電子操作員界面也存在著開發(fā)軟件不統(tǒng)一以及上位和下位數(shù)據(jù)庫不統(tǒng)一的問題。因此，車間底層設備控制已成為企業(yè)信息化和工廠自動化發(fā)展的瓶頸。針對這種情況，西門子公司采用基于組件技術的PROFINET自動化總線標準，實現(xiàn)分布式現(xiàn)場設備通過PROFINET與工業(yè)以太網(wǎng)的透明鏈接；美國 DigiIntemational公司采用設備服務器技術，實現(xiàn)具有串行端口的工業(yè)設備與工業(yè)以太網(wǎng)的鏈接。國內(nèi)浙江大學、浙大中控、中科院沈陽自動化研究所、清華大學、大連理工大學、重慶郵電學院等單位，在國家863計劃支持下，研究了以太網(wǎng)技術應用于工業(yè)測量與控制現(xiàn)場設備間通信的關鍵技術，并起草了 EPA（EthernetforP1antAutomation）國家標準1；上海大學的費敏銳教授等研制了“支持工業(yè)以太網(wǎng)與多協(xié)議轉換技術的新型測控平臺”。這些研究主要是針對流程工業(yè)。
本文主要研究離散型制造企業(yè)中車間數(shù)字設備間的關聯(lián)信息，分析其分布式智能集中控制的功能需求，提出利用工業(yè)以太網(wǎng)技術，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡結構，構建車間數(shù)字設備智能集中控制系統(tǒng)。
2 工業(yè)以太網(wǎng)
工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設備的控制網(wǎng)絡平臺，它不僅在辦公自動化領域而且在工業(yè)自動化場合得到了廣泛應用，許多如控制器、PLC、智能儀表、執(zhí)行器以及DCS系統(tǒng)已經(jīng)帶有以太網(wǎng)接口，這些都標志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為真正開放互連的工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展方向。工業(yè)以太網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術的基礎上，通過采用雙工通信、交換機、信息優(yōu)先級等技術，使有實時要求站點的通信通過交換機實現(xiàn)透明的轉發(fā)，不存在信道共享引起的競爭問題，還可以方便地實現(xiàn)優(yōu)先級排隊機制，使緊急信息的傳送達到最快。采用以太網(wǎng)集線器可使實時數(shù)據(jù)的延遲時間控制在200ms范圍之內(nèi)，并在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能，采用高速背板交換或微處理器交換，響應時間是確定的，足以滿足2005／V大多數(shù)場合的實時控制要求。工業(yè)以太網(wǎng)成本低，速度高達1Gb／s。因此，工業(yè)以太網(wǎng)將在車間現(xiàn)場設備控制中發(fā)揮重要作用，對車間數(shù)字設備的網(wǎng)絡化控制模式產(chǎn)生很大的影響。
3 數(shù)字設備智能控制系統(tǒng)及其功能設計
車間數(shù)字設備是指在離散型制造企業(yè)中使用具有數(shù)字控制功能的裝備或儀器，如數(shù)控機床、三坐標測量儀、可編程序控制器、智能儀器和智能執(zhí)行器（工業(yè)機器人）等。目前，中國離散制造企業(yè)數(shù)字設備的使用具有如下特點：存在不同生產(chǎn)廠家、不同生產(chǎn)時間或不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字設備；多數(shù)企業(yè)的數(shù)控設備采用的是依據(jù)加工對象不同進行在線編程的方法；單臺設備采用集中控制，自動化程度較高；設備之間大多沒有實現(xiàn)集中控制，彼此之間信息傳遞較少；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是目前車間數(shù)字設備分布式控制所采用的主要方式。隨著現(xiàn)代化管理的需要，車間數(shù)字設備與控制系統(tǒng)間需要交換的數(shù)據(jù)越來越多，如：過程測量與控制數(shù)據(jù)的上載傳輸，報警信息的上傳，組態(tài)信息的下載傳輸，修改后的控制參量數(shù)據(jù)的下載傳輸?shù)�，這就需要運用智能理論與智能感測技術來獲取信息，將其存儲于動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中，利用相關的智能調(diào)度和控制策略，分析、處理、優(yōu)化和控制數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)車間數(shù)字設備協(xié)調(diào)統(tǒng)一的管理和控制，達到優(yōu)化生產(chǎn)過程的目的。而采用完全的局部控制和完全的全局控制都不能達到最優(yōu)。按照集中管理分散控制的原則，對車間數(shù)字設備須采用分布式集中智能控制方式，其主要模塊及功胄色女口下。
�。�1）設備配置和狀態(tài)管理包括車間設備檔案管理與查詢；車間生產(chǎn)設備運行數(shù)據(jù)采集與設備運行統(tǒng)計查詢；基于任務的（設備）資源動態(tài)組合：根據(jù)生產(chǎn)任務、加工工件和其它變化，重新分配和組合設備；設備命令協(xié)議的定制功能：針對監(jiān)控對象的不同屬性，對設備協(xié)議進行定制，保證控制臺和設備協(xié)議的一致性，保證控制命令的正確解釋與執(zhí)行。
�。�2）智能維護管理建立數(shù)字設備信息庫和備品備件庫，對各種數(shù)字設備的運行質(zhì)量進行記錄，為生產(chǎn)提供預測維修信息，支持預測維修計劃，避免非計劃停機，進行安全管理和故障分析，跟蹤和指導設備與工具維護的活動來保證生產(chǎn)和調(diào)度的進程，也提供緊急問題的反映，如報警，并維護歷史信息以支持問題的診斷。
�。�3）過程管理主要包括對數(shù)字設備資源跟蹤（訪問設備資源庫，對設備狀態(tài)信息進行查詢和跟蹤），生產(chǎn)進程跟蹤（包括工件工序進程跟蹤、零件質(zhì)量信息跟蹤和零件完工件數(shù)跟蹤），質(zhì)量監(jiān)控（包括零件質(zhì)量統(tǒng)計分析、關鍵件質(zhì)量跟蹤）。
�。�4）工藝管理零件n-r-r藝信息維護，如加工工序步驟、加工工時等，自動修正工藝信息，以滿足車間生產(chǎn)和臨時工藝改變。工藝規(guī)劃與管理，主要包括資料管理、產(chǎn)品結構（BOM）管理、工藝規(guī)劃，其中，資料管理包括文檔接收、文檔更新、文檔借閱、文檔發(fā)放、文檔查詢和存根管理；產(chǎn)品結構管理中包括項目編碼定義、物料明細表管理與動態(tài)維護，例如生產(chǎn)作業(yè)完工登記，并根據(jù)零件的工藝信息，確定零件的下道工序走向，記錄到工藝信息表中，以便于跟蹤零件物流信息；工藝規(guī)劃包括交互式工藝設計、工藝查詢與檢索、工裝提出管理、工藝例外處理、加工過程卡片編制及臨時脫離工藝卡編制。
�。�5）數(shù)據(jù)收集／獲取與處理包括制造信息的描述模型，車間現(xiàn)場制造信息的獲取，并進行處理，考慮工藝流程，用于對后續(xù)工序加工參數(shù)的修正或對后續(xù)加工工序進行自動調(diào)整，從而在保證加工精度的前提下，提高加工效率。
（6）組件管理包括設備組件和控制組件模型描述、組件庫的建立與管理、組件的重構、組件檢入／檢出機制、組件的動態(tài)調(diào)度與組態(tài)
�。�7）SCADA功能SCADA包括通過各種通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，各種實時數(shù)據(jù)進行存儲、分類、綜合分析和顯示；對現(xiàn)場設備或控制器直接瀏覽和操作，而不必編寫專門的監(jiān)控軟件。對車間設備的運行進行實時監(jiān)測和狀態(tài)自動診斷，并可實現(xiàn)自動校正功能。
4 基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)的體系結構
基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)的拓撲結構如附圖所示，系統(tǒng)中各主要部分的功能如下。
�。�1）智能控制器完成對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字設備的程序管理與動態(tài)調(diào)度。獲取各控制設備的信息，并將組態(tài)信息下載到各數(shù)字設備中；接受各數(shù)字設備發(fā)出的周期性過程測量與控制數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場數(shù)字設備進行監(jiān)控，同時，這些數(shù)據(jù)也傳遞給數(shù)據(jù)庫服務器，建立實時數(shù)據(jù)庫；接受現(xiàn)場設備發(fā)出的報警信息，建立歷史報警信息文檔，并通過聲光報警提醒用戶及時處理。
�。�2）智能接口考慮到設備控制系統(tǒng)種類繁多，不同廠家都有自己的控制方式，而且以前出廠沒有聯(lián)網(wǎng)能力的設備仍然在大量使用。針對這種情況，采用智能接口完成對現(xiàn)場信息的提取以及對設備的控制，然后通過智能接口與智能控制器和數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)網(wǎng)通信以及數(shù)字設備之間的通信。實現(xiàn)多種協(xié)議間的轉換；將軟件組件或數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場數(shù)字設備；實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)的采集與處理，并與智能控制器實現(xiàn)控制信息、狀態(tài)信息、I／O數(shù)據(jù)的交換。
�。�3）web服務器將加工過程中的測量與控制信息用于刷新動態(tài)網(wǎng)頁，用戶可通過遠程IE、Netscape等通用瀏覽器（而無需專門的監(jiān)控軟件）x—J間生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。
（4）數(shù)據(jù)庫服務器包含動態(tài)數(shù)據(jù)庫服務器和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫服務器。實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的檢人、檢出、數(shù)據(jù)庫的建立與管理。
5 結束語
基于工業(yè)以太網(wǎng)的車間數(shù)字設備智能控制系統(tǒng)的研究是車間制造過程管理的一個重要方面，目的是實現(xiàn)從資源規(guī)劃到底層設備控制的透明通信，解決車間數(shù)字設備自治條件下的協(xié)調(diào)問題，對于提高我國制造業(yè)資源的利用率、提升企業(yè)的核心競爭力以及推動網(wǎng)絡化制造的發(fā)展與應用具有積極的意義和實用價值。
參考文獻：
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