1、前言
以互聯(lián)網(wǎng)為基礎的信息化社會，對于我們已經(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)絡和電腦后，工作、生活會變成什么樣。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。從最初的單片機的使用到DCS、PLC的普及，從單臺設備的自動控制到整個生產(chǎn)線、整個工廠的信息化，這場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要走“以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化”的工業(yè)發(fā)展道路，因為它可極大的提升企業(yè)的競爭力。
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)營過程中，通過信息基礎設施，在集成平臺上，實現(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(計算機)以及信息的綜合應用(自動化、管理、經(jīng)營等功能)等都是信息化的內(nèi)容。工業(yè)以太網(wǎng)絡就是生產(chǎn)中自動化控制的神經(jīng)網(wǎng)絡，負責工業(yè)現(xiàn)場與管理、經(jīng)營層之間的數(shù)據(jù)傳輸。
ERP、MIS、DCS、SCADA和PLC的使用，對于生產(chǎn)型企業(yè)起到減少內(nèi)耗、增加活力，提高對市場的反應能力，提高工作效率的作用。已經(jīng)逐漸成為企業(yè)管理、經(jīng)營、生產(chǎn)不可缺少的部分。這里我不去討論ERP的運用與否對于企業(yè)來說，是促進還是自找麻煩。我只是想說：信息化對于企業(yè)的發(fā)展壯大是必要的，是大勢所趨。國內(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)通過信息化來大大提升了企業(yè)的效率。
2、信息化工廠的網(wǎng)絡構成
ERP、MIS面向企業(yè)管理信息化。是企業(yè)管理、運營的信息化，處于整個信息系統(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)，控制著自動化生產(chǎn)過程中的每一個環(huán)節(jié)，同時也是生產(chǎn)現(xiàn)場的數(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。
圖1 信息處理示意圖
圖2 網(wǎng)絡示意圖
信息處理系統(tǒng)大都基于網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術。ERP、MIS、DCS、SCADA等系統(tǒng)也不例外，ERP、MIS基于關系數(shù)據(jù)庫和商用以太網(wǎng)，而DCS、SCADA等基于工業(yè)以太網(wǎng)和實時數(shù)據(jù)庫。工業(yè)以太網(wǎng)技術都來源于成熟的商業(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)有以下幾個主要特點：
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)絡上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡，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)絡中為了改善以太網(wǎng)負載較重時的網(wǎng)絡擁塞問題，使用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(switch($148.3200))。它采用將共享的局域網(wǎng)進行有效的沖突域劃分技術。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。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.高實時性。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實時可定義為系統(tǒng)對某事件的反應時間的可測性。也就是說，在一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個可以準確預見的時間范圍內(nèi)做出反映。然而，工業(yè)上對數(shù)據(jù)的傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據(jù)的更新是在ms級的時間內(nèi)完成的。而同樣由于以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當發(fā)生沖突的時候，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制是以付出時間為代價的。而且一但出現(xiàn)掉線，那怕是僅僅幾秒種的時間，就有可能造成整個生產(chǎn)的停止甚至是設備，人身安全事故。工業(yè)以太網(wǎng)采用高速以太網(wǎng)方式。當網(wǎng)絡中的負載越大的時候，發(fā)生沖突的慨率也就越大。當一個網(wǎng)絡的負菏低于36%時，基本上不會發(fā)生沖突，在負荷為10%以下時，10M以太網(wǎng)沖突機率為每五年一次。100M以太網(wǎng)沖突機率為每15年一次。但超過36%后隨著負荷的增加發(fā)生沖突的慨率是以幾何級數(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)絡的負荷。幸運的是現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)通信速率達100M/S，1G/S的高速以太網(wǎng)，在加上細致全面的設計及對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡結點的數(shù)量和通信流量進行控制，完全可以采用以太網(wǎng)作為工業(yè)網(wǎng)絡。同時 工業(yè)以太網(wǎng)采用IEEE1588對時機制，IEEE1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡中，與網(wǎng)絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協(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，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網(wǎng)絡通信時同步控制信號產(chǎn)生一定的波動時，它所達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)。通過采用這種技術，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(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)絡技術有著巨大的優(yōu)勢。
