針對(duì)中國離散制造企業(yè)中車間數(shù)字設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀和特點(diǎn)，分析了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了將工業(yè)以太網(wǎng)直接應(yīng)用于車間數(shù)字設(shè)備智能控制的設(shè)計(jì)方案。

　
　　1 制造企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　為了應(yīng)對(duì)制造業(yè)日益激烈的全球化競(jìng)爭(zhēng)，離散制造企業(yè)必須大力開展企業(yè)內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制和管理。車間是制造企業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承擔(dān)著如何在現(xiàn)有車間數(shù)字設(shè)備資源的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車間資源的動(dòng)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(shí)時(shí)傳遞，是促進(jìn)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(dòng)化控制系統(tǒng)的形式主要有基于串口通信的計(jì)算機(jī)集中控制、分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是目前車間底層設(shè)備之間常用的通信網(wǎng)絡(luò)，為車間底層設(shè)備信息及生產(chǎn)過程信息集成提供了通信技術(shù)平臺(tái)。由于不同行業(yè)應(yīng)用派生出不同的總線系統(tǒng)，加之經(jīng)濟(jì)利益的沖突，各種不同現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之間的互不兼容嚴(yán)重束縛了不同廠商設(shè)備之間的互連，使得多現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用推廣受到限制。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)到控制系統(tǒng)底板設(shè)計(jì)均為主從方式，且不同層次的應(yīng)用層協(xié)議也不同，使得跨越不同層次的訪問會(huì)有一定的困難。

　　企業(yè)范圍的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)獲�。⊿upervisorControlandDataAcquisition，SCADA）和工廠現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備控制已成為企業(yè)信息化和工廠自動(dòng)化發(fā)展的瓶頸。針對(duì)這種情況，西門子公司采用基于組件技術(shù)的PROFINET自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)備服務(wù)器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有串行端口的工業(yè)設(shè)備與工業(yè)以太網(wǎng)的鏈接。國內(nèi)浙江大學(xué)、浙大中控、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶郵電學(xué)院等單位，在國家863計(jì)劃支持下，研究了以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量與控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的關(guān)鍵技術(shù)，并起草了 EPA（EthernetforP1antAutomation）國家標(biāo)準(zhǔn)1；上海大學(xué)的費(fèi)敏銳教授等研制了“支持工業(yè)以太網(wǎng)與多協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)的新型測(cè)控平臺(tái)”。這些研究主要是針對(duì)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(shè)備間的關(guān)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(shù)，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建車間數(shù)字設(shè)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(chǎng)設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，它不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域而且在工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)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(biāo)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(luò)的發(fā)展方向。工業(yè)以太網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過采用雙工通信、交換機(jī)、信息優(yōu)先級(jí)等技術(shù)，使有實(shí)時(shí)要求站點(diǎn)的通信通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)透明的轉(zhuǎn)發(fā)，不存在信道共享引起的競(jìng)爭(zhēng)問題，還可以方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)機(jī)制，使緊急信息的傳送達(dá)到最快。采用以太網(wǎng)集線器可使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間控制在200ms范圍之內(nèi)，并在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能，采用高速背板交換或微處理器交換，響應(yīng)時(shí)間是確定的，足以滿足2005／V大多數(shù)場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。工業(yè)以太網(wǎng)成本低，速度高達(dá)1Gb／s。因此，工業(yè)以太網(wǎng)將在車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制中發(fā)揮重要作用，對(duì)車間數(shù)字設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制模式產(chǎn)生很大的影響。

　　3 數(shù)字設(shè)備智能控制系統(tǒng)及其功能設(shè)計(jì)

　　車間數(shù)字設(shè)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(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、可編程序控制器、智能儀器和智能執(zhí)行器（工業(yè)機(jī)器人）等。目前，中國離散制造企業(yè)數(shù)字設(shè)備的使用具有如下特點(diǎn)：存在不同生產(chǎn)廠家、不同生產(chǎn)時(shí)間或不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字設(shè)備；多數(shù)企業(yè)的數(shù)控設(shè)備采用的是依據(jù)加工對(duì)象不同進(jìn)行在線編程的方法；單臺(tái)設(shè)備采用集中控制，自動(dòng)化程度較高；設(shè)備之間大多沒有實(shí)現(xiàn)集中控制，彼此之間信息傳遞較少；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是目前車間數(shù)字設(shè)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(shè)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(cè)量與控制數(shù)據(jù)的上載傳輸，報(bào)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)龋�這就需要運(yùn)用智能理論與智能感測(cè)技術(shù)來獲取信息，將其存儲(chǔ)于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中，利用相關(guān)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(shí)現(xiàn)車間數(shù)字設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一的管理和控制，達(dá)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(dá)到最優(yōu)。按照集中管理分散控制的原則，對(duì)車間數(shù)字設(shè)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(shè)備配置和狀態(tài)管理包括車間設(shè)備檔案管理與查詢；車間生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)查詢；基于任務(wù)的（設(shè)備）資源動(dòng)態(tài)組合：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、加工工件和其它變化，重新分配和組合設(shè)備；設(shè)備命令協(xié)議的定制功能：針對(duì)監(jiān)控對(duì)象的不同屬性，對(duì)設(shè)備協(xié)議進(jìn)行定制，保證控制臺(tái)和設(shè)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(hù)管理建立數(shù)字設(shè)備信息庫和備品備件庫，對(duì)各種數(shù)字設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行記錄，為生產(chǎn)提供預(yù)測(cè)維修信息，支持預(yù)測(cè)維修計(jì)劃，避免非計(jì)劃停機(jī)，進(jìn)行安全管理和故障分析，跟蹤和指導(dǎo)設(shè)備與工具維護(hù)的活動(dòng)來保證生產(chǎn)和調(diào)度的進(jìn)程，也提供緊急問題的反映，如報(bào)警，并維護(hù)歷史信息以支持問題的診斷。

　　（3）過程管理主要包括對(duì)數(shù)字設(shè)備資源跟蹤（訪問設(shè)備資源庫，對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行查詢和跟蹤），生產(chǎn)進(jìn)程跟蹤（包括工件工序進(jìn)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(jì)分析、關(guān)鍵件質(zhì)量跟蹤）。

　�。�4）工藝管理零件n-r-r藝信息維護(hù)，如加工工序步驟、加工工時(shí)等，自動(dòng)修正工藝信息，以滿足車間生產(chǎn)和臨時(shí)工藝改變。工藝規(guī)劃與管理，主要包括資料管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)管理中包括項(xiàng)目編碼定義、物料明細(xì)表管理與動(dòng)態(tài)維護(hù)，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(shè)計(jì)、工藝查詢與檢索、工裝提出管理、工藝?yán)�外處理、加工過程卡片編制及臨時(shí)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(chǎng)制造信息的獲取，并進(jìn)行處理，考慮工藝流程，用于對(duì)后續(xù)工序加工參數(shù)的修正或?qū)�后續(xù)加工工序進(jìn)行自動(dòng)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(shè)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(gòu)、組件檢入／檢出機(jī)制、組件的動(dòng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分類、綜合分析和顯示；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(duì)車間設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)自動(dòng)診斷，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jié)構(gòu)

　　基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字設(shè)備的程序管理與動(dòng)態(tài)調(diào)度。獲取各控制設(shè)備的信息，并將組態(tài)信息下載到各數(shù)字設(shè)備中；接受各數(shù)字設(shè)備發(fā)出的周期性過程測(cè)量與控制數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，這些數(shù)據(jù)也傳遞給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；接受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)出的報(bào)警信息，建立歷史報(bào)警信息文檔，并通過聲光報(bào)警提醒用戶及時(shí)處理。

　�。�2）智能接口考慮到設(shè)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(shè)備仍然在大量使用。針對(duì)這種情況，采用智能接口完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的提取以及對(duì)設(shè)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(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信以及數(shù)字設(shè)備之間的通信。實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換；將軟件組件或數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字設(shè)備；實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shí)現(xiàn)控制信息、狀態(tài)信息、I／O數(shù)據(jù)的交換。

　　（3）web服務(wù)器將加工過程中的測(cè)量與控制信息用于刷新動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，用戶可通過遠(yuǎn)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(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　�。�4）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器包含動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。實(shí)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(jié)束語

　　基于工業(yè)以太網(wǎng)的車間數(shù)字設(shè)備智能控制系統(tǒng)的研究是車間制造過程管理的一個(gè)重要方面，目的是實(shí)現(xiàn)從資源規(guī)劃到底層設(shè)備控制的透明通信，解決車間數(shù)字設(shè)備自治條件下的協(xié)調(diào)問題，對(duì)于提高我國制造業(yè)資源的利用率、提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力以及推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化制造的發(fā)展與應(yīng)用具有積極的意義和實(shí)用價(jià)值。

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