發布日期：2022-04-18 點擊率：63
摘要：針對中國離散制造企業中車間數字設備的應用現狀和特點，分析了生產現場數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的拓撲結構，給出了將工業以太網直接應用于車間數字設備智能控制的設計方案。
關鍵詞：工業以太網 數字設備 智能控制
1 制造企業網絡信息集成系統的現狀
為了應對制造業日益激烈的全球化競爭，離散制造企業必須大力開展企業內部控制網絡化建設，加強對生產系統的控制和管理。車間是制造企業網絡信息集成系統的基礎，承擔著如何在現有車間數字設備資源的基礎上，利用網絡技術實現車間資源的動態重組、集成以及傳遞各種管理信息和生產控制信息的實時傳遞，是促進企業信息化、提高企業生產力的重要環節。
由于發展速度不同，生產條件不一樣，目前車間自動化控制系統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（DistributedControlSystem，DCS）和現場總線（Fieldbus）是目前車間底層設備之間常用的通信網絡，為車間底層設備信息及生產過程信息集成提供了通信技術平臺。由于不同行業應用派生出不同的總線系統，加之經濟利益的沖突，各種不同現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，使得多現場總線應用推廣受到限制。傳統的控制系統從網絡到控制系統底板設計均為主從方式，且不同層次的應用層協議也不同，使得跨越不同層次的訪問會有一定的困難。
企業范圍的遠程監控與數據獲取（SupervisorControlandDataAcquisition，SCADA）和工廠現場的電子操作員界面也存在著開發軟件不統一以及上位和下位數據庫不統一的問題。因此，車間底層設備控制已成為企業信息化和工廠自動化發展的瓶頸。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，實現分布式現場設備通過PROFINET與工業以太網的透明鏈接；美國 DigiIntemational公司采用設備服務器技術，實現具有串行端口的工業設備與工業以太網的鏈接。國內浙江大學、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，研究了以太網技術應用于工業測量與控制現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“支持工業以太網與多協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。
本文主要研究離散型制造企業中車間數字設備間的關聯信息，分析其分布式智能集中控制的功能需求，提出利用工業以太網技術，采用統一的網絡結構，構建車間數字設備智能集中控制系統。
2 工業以太網
工業以太網是將以太網作為現場設備的控制網絡平臺，它不僅在辦公自動化領域而且在工業自動化場合得到了廣泛應用，許多如控制器、PLC、智能儀表、執行器以及DCS系統已經帶有以太網接口，這些都標志著工業以太網已經成為真正開放互連的工業網絡的發展方向。工業以太網在傳統以太網技術的基礎上，通過采用雙工通信、交換機、信息優先級等技術，使有實時要求站點的通信通過交換機實現透明的轉發，不存在信道共享引起的競爭問題，還可以方便地實現優先級排隊機制，使緊急信息的傳送達到最快。采用以太網集線器可使實時數據的延遲時間控制在200ms范圍之內，并在以太網的協議中加入實時功能，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大多數場合的實時控制要求。工業以太網成本低，速度高達1Gb／s。因此，工業以太網將在車間現場設備控制中發揮重要作用，對車間數字設備的網絡化控制模式產生很大的影響。
3 數字設備智能控制系統及其功能設計
車間數字設備是指在離散型制造企業中使用具有數字控制功能的裝備或儀器，如數控機床、三坐標測量儀、可編程序控制器、智能儀器和智能執行器（工業機器人）等。目前，中國離散制造企業數字設備的使用具有如下特點：存在不同生產廠家、不同生產時間或不同數控系統的數字設備；多數企業的數控設備采用的是依據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集中控制，彼此之間信息傳遞較少；現場總線控制系統（FCS）是目前車間數字設備分布式控制所采用的主要方式。隨著現代化管理的需要，車間數字設備與控制系統間需要交換的數據越來越多，如：過程測量與控制數據的上載傳輸，報警信息的上傳，組態信息的下載傳輸，修改后的控制參量數據的下載傳輸等，這就需要運用智能理論與智能感測技術來獲取信息，將其存儲于動態和靜態數據庫中，利用相關的智能調度和控制策略，分析、處理、優化和控制數據信息，實現車間數字設備協調統一的管理和控制，達到優化生產過程的目的。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。按照集中管理分散控制的原則，對車間數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）設備配置和狀態管理包括車間設備檔案管理與查詢；車間生產設備運行數據采集與設備運行統計查詢；基于任務的（設備）資源動態組合：根據生產任務、加工工件和其它變化，重新分配和組合設備；設備命令協議的定制功能：針對監控對象的不同屬性，對設備協議進行定制，保證控制臺和設備協議的一致性，保證控制命令的正確解釋與執行。
（2）智能維護管理建立數字設備信息庫和備品備件庫，對各種數字設備的運行質量進行記錄，為生產提供預測維修信息，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和調度的進程，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字設備資源跟蹤（訪問設備資源庫，對設備狀態信息進行查詢和跟蹤），生產進程跟蹤（包括工件工序進程跟蹤、零件質量信息跟蹤和零件完工件數跟蹤），質量監控（包括零件質量統計分析、關鍵件質量跟蹤）。
（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，以滿足車間生產和臨時工藝改變。工藝規劃與管理，主要包括資料管理、產品結構（BOM）管理、工藝規劃，其中，資料管理包括文檔接收、文檔更新、文檔借 閱、文檔發放、文檔查詢和存根管理；產品結構管理中包括項目編碼定義、物料明細表管理與動態維護，例如生產作業完工登記，并根據零件的工藝信息，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）數據收集／獲取與處理包括制造信息的描述模型，車間現場制造信息的獲取，并進行處理，考慮工藝流程，用于對后續工序加工參數的修正或對后續加工工序進行自動調整，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、組件的動態調度與組態
（7）SCADA功能SCADA包括通過各種通信協議實現數據采集，各種實時數據進行存儲、分類、綜合分析和顯示；對現場設備或控制器直接瀏覽和操作，而不必編寫專門的監控軟件。對車間設備的運行進行實時監測和狀態自動診斷，并可實現自動校正功能。
4 基于工業以太網的智能控制系統的體系結構
基于工業以太網的智能控制系統的拓撲結構如附圖所示，系統中各主要部分的功能如下。
（2）智能接口考慮到設備控制系統種類繁多，不同廠家都有自己的控制方式，而且以前出廠沒有聯網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據庫進行聯網通信以及數字設備之間的通信。實現多種協議間的轉換；將軟件組件或數據下載到現場數字設備；實現對現場設備的工作參數、狀態參數的采集與處理，并與智能控制器實現控制信息、狀態信息、I／O數據的交換。
（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網頁，用戶可通過遠程IE、Netscape等通用瀏覽器（而無需專門的監控軟件）x—J間生產現場進行實時監控。
（4）數據庫服務器包含動態數據庫服務器和靜態數據庫服務器。實現各種數據的檢人、檢出、數據庫的建立與管理。
5 結束語
基于工業以太網的車間數字設備智能控制系統的研究是車間制造過程管理的一個重要方面，目的是實現從資源規劃到底層設備控制的透明通信，解決車間數字設備自治條件下的協調問題，對于提高我國制造業資源的利用率、提升企業的核心競爭力以及推動網絡化制造的發展與應用具有積極的意義和實用價值。
參考文獻：
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