基于三层网的电子制造系统

　　东北大学 信息科学与工程学院 刘志刚 薛延波 汪晋宽

　　摘要： 首先提出一个基本的电子制造模型，并采用Rockwell产品建立了一个基于三层网络的电子制造系统，实验结果验证了系统在工业现场的可行性。

　　关键词： 电子制造 企业资源计划 设备技师系统 电子设计系统

　　现代通信技术和网络技术的高速发展使工业控制系统的分散化、网络化、分层化、智能化成为可能，随着电子商务的发展，网络电子制造应运而生。由于网络电子制造系统能有效地收集、传送和管理生产数据，合理安排生产，所以不仅可优化资源的配置，降低生产成本，还可以缩短产品生产周期和更新时间，便于实现产品的个性化。因此研究适合我国国情的电子制造模式具有重要的学术价值和应用价值。

　　

　　图1 工业供应链

　　电子商务的出现，利用Internet、Intranet、Extranet以及相关的通信技术来解决商品交易问题，缩短了商品供应链的供应和销售环节，提高了消费者的信息反馈速度，同时也对生产环节提出更高要求。传统的生产模式效率低下、缺乏创新机制，已不能适应现代全球性工业的发展，迫切需要对落后的生产模式进行改进。如图1，电子制造作为一种全新的生产模式，与电子商务相匹配，适应了生产力的发展；它作为整个供应链中心环节，可以极大地缩短生产厂商与顾客之间的距离，实现按需生产，节约资源和能源等。

　　如图2所示，电子制造模型[1]可分为两部分：产品计划和生产控制系统、制造和监视系统。产品计划和生产控制系统，也称为公司应用程序集成环境（EAI），包括企业资源计划（ERP）、供应链管理（SCM）、配方管理系统（RMS）、制造执行系统（MES）、产出管理系统（YMS）、研发系统（EDS）和设备技师系统（EES）。而制造和监视系统则指工业现场中监视、测量和执行的设备统称。设备技师系统（EES）是由高级过程控制（APC）、错误监测和分类（FDC）、所有设备效能（OEE）和电子诊断（e-diagnostics）四部分组成的软件系统。高级过程控制（APC）软件功能是采用高级的算法，优化过程控制；错误监测和分类（FDC）软件分析设备的数据信息，并对故障进行监视和分类；电子诊断（e-diagnostics）是一种远程的设备诊断修复软件；所有设备效能（OEE）则用来评定所有设备工作效率。在通常的工业生产中，OEE仅有43%；这意味着设备绝大部分时间没有花费产品生产上，而是花费在设备的无任务工作、设备启动、产品测试以及设备安装上。设备技师系统（EES）则可以降低上述因素的影响，因为它有一个数据库，用来存储来自设备和模型的不同的数量很大的数据，通过分析设备的过程数据和工作状态数据，优化过程控制。它有四个方面的优点：提高设备的性能，降低无任务停顿的时间，减少产品测试的次数，缩短设备启动时间和安装时间。

　　图2 一般的电子制造模型

　　电子设计系统（EDS）指企业的技术人员利用计算机辅助设计（CAD）等各种软件，设计和仿真产品的系统。它可以根据市场的需求和预测，快速地开发产品，缩短研发周期，节约开发投资。另一方面，通过对顾客的技术服务，接受用户的反馈信息，对产品配方进行改进，以满足消费者的需要。只有企业电子设计系统（EDS）不断地完善，企业产品逐级地更新，才能根据市场需求，灵活地组织生产。

　　考虑网络电子制造系统具有高效的、开放式的网络结构，本文采用了罗可韦尔产品[2]-[5]，设计了三层网络电子制造系统，系统结构如图3所示。上层信息网采用以太网（EtherNet），用于企业的数据收集、分析、处理以及程序维护；中层自动化和控制网采用控制网（ControlNet）、DH＋、DH485和远程I/O网络，实现实时I/O的控制、控制器的互锁和报文的传送；底层设备网采用设备网，用于底层设备的低成本、高效率的信息集成。

　　信息网（EtherNet）处于体系结构的最上层，基于TCP/IP技术，采用介质访问控制协议（MAC）的通信标准，即载波监听多路访问/冲突检测协议（CSMA/CD）。当网上任一站点在传送数据前,先检测是否已有数据在介质上传送, 若有则等待对方送完后才能送出。数据送出后, 在传送的过程中不断检测是否与其他站点送出的数据发生碰撞,若发生碰撞,须等待一段时间后再重新发送。当在两个或更多的节点间检测到冲突时,发送节点就会停止传送并等待一个随机的时间后重新尝试传送。主要特点是：通信数据量大，通信的发生比较集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高。通信范围从车间级到全厂级甚至互联网范围，与数据库技术、网络技术、数据分析和处理技术紧密关联。采用信息网不仅大大降低系统成本，而且其开放、高速的网络特性能满足企业信息管理系统对底层通信的要求，易于构建一个开放式的平台。

　　

　　图3 基于三层网的电子制造模型

　　控制网（ControlNet）处于体系结构的中间层次，基于改进的CANBUS技术，采用了一种新颖的生产者/消费者通信模式，该模式允许网络上的所有节点同时存取同一个源数据，具有较高的网络通信效率；生产者/消费者模式还采用广播式信息发送方式，各个节点可以在同一时间接收到生产者所发送的数据，节点接受的信息精确同步；当网络连接更多的设备时，网络通信量不会增加。主要特点：支持主从通信，多主通信，对等通信或混合形式通信，对输入数据和对等通信数据实行广播，通信形式可以选择，应用更加灵活，网络可靠性提高；在传送对时间有苛刻要求的控制信息的同时，其它无时间苛求的信息也能传送，而对时间有苛求的信息，在每个网络刷新周期内，必定传输，控制的实时性和可靠性得以保证；冗余介质特性，能满足系统对于稳定性和安全性的要求；对于同一链路上的I/O，实时互锁，对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽。控制网是一种具有高速、高度确定性和可重复性的网络，特别适用于对时间有苛刻要求的复杂应用场合的信息传输；高吞吐量，组态和编程简单，支持冗余介质，体系结构灵活，易于工业控制现场安装，费用低。

　　设备网（DeviceNet）是一种基于CANBUS现场总线、为工业现场设备与高层设备互联而设计的低层网络，采用非破环性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而具有最高优先级的节点可不受影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况；还采用了先进的CSMA/NBA通信方式，即使以较低的速率进行传送，仍能实现高速应答。主要特点：采用适当的波特率和恰当的接线方式，能避开由于信号的反射及延迟而产生的影响，并且有很强的抗噪音性能；采用短帧结构，数据段长度最多为8个字节，传输时间短，受干扰概率低，可满足通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求；只需通过报文滤波即可实现点对点，一点对多点及广播发送等几种方式传送接收数据；多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能；可带电更换网络节点，在线修改网络配置。设备网不仅提高通信效率，而且能够增强设备级的诊断能力，而这些性能通过硬接线是难以实现的；既满足高速应答，又方便现场施工。

　　采用了罗可韦尔自动化产品，构成了基于三层网络电子制造系统模型，实现了工业现场几种常见的控制系统：电梯群控系统采用最小等待时间算法，为典型的可编程顺序控制系统；锅炉控制系统需要控制液位、流量和温度等参数，为典型多变量耦合控制系统；采用多个电阻炉的均热炉系统为典型的大滞后系统；软启动系统模拟了高楼供水系统；交直流调速控制系统可监控变频器等设备工作，计算工作效能。

　　运行结果表明了基于三层网络电子制造系统可以较好地适应工业现场。

　　设计了基于三层网络电子制造系统模型，提出了具有实用价值的电子制造系统，运行结果表明了该系统具有很好的应用前景。

　　参考文献

　　[3]Allen-Bradley Co Inc. Technical Introduction to ControlNet.1996.

　　[4]Allen-Bradley Co Inc. DeviceNet Adapter Module User Manual.

　　作者简介

　　刘志刚（1975-），在读研究生。

　　薛延波（1979-），在读研究生。

　　汪晋宽（1957-），教授，博士。