王劍波、王明哲
摘要： 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革。這篇文章分析了NetLinx的體系結(jié)構(gòu)，對其典型網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)）的特性進(jìn)行了介紹，詳細(xì)論述了基于NetLinx的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與ERP(企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)的集成應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò); 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu); 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)
一、引言
隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域正迅速覆蓋工廠的現(xiàn)場設(shè)備、控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)到整個世界的市場，從而逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。而現(xiàn)在多數(shù)工廠里不同廠家的產(chǎn)品、數(shù)種網(wǎng)絡(luò)并存，難以將這么多的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議整合運行，這就嚴(yán)重地降低了生產(chǎn)效率，增加了成本，降低了企業(yè)的快速反應(yīng)能力。面對企業(yè)從底層到頂層全方位自動化的要求，在自動化領(lǐng)域世界領(lǐng)先的羅克韋爾自動化推出了一種無縫集成的開放式結(jié)構(gòu)——NetLinx作為解決方案。
目前在世界范圍內(nèi)，工業(yè)特別是汽車制造業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。充分利用先進(jìn)的自動化技術(shù)和管理方式，可以增強(qiáng)生產(chǎn)運行的高效性，滿足市場需求，保持競爭的領(lǐng)先地位，并獲得最大利潤。湖南長豐汽車制造股份有限公司（以下簡稱長豐）是全國最大的輕型越野汽車生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)的獵豹汽車占據(jù)當(dāng)前全國越野車43%以上的市場份額。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在生產(chǎn)和物流管理方面存在的問題日益突出，已經(jīng)成為阻礙公司發(fā)展的瓶頸。我們采用成熟的NetLinx開放式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)設(shè)備和高層設(shè)備之間提供連接，將底層的現(xiàn)場設(shè)備的控制和信息采集、中間層的協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)的處理與通信以及上層監(jiān)控與管理整個結(jié)合起來，并且作為子網(wǎng)接入其它類型的系統(tǒng)中。實現(xiàn)生產(chǎn)一線的控制系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)中管理者決策信息交互，這將大大提高企業(yè)系統(tǒng)化管理水平，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭力。
二、NetLinx的體系結(jié)構(gòu)
NetLinx是羅克韋爾自動化利用開放式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)制定的從頂層到車間層的無縫集成策略，其主要思想是將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，用以監(jiān)控生產(chǎn)，將信息流擴(kuò)展至整個生產(chǎn)過程，以及利用企業(yè)的其他信息，將工廠各個車間連接成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)過程控制數(shù)據(jù)與信息方便可靠地在PLC(可編程控制器)、HMI（人機(jī)界面）、變頻器、FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）、DCS（分布式控制系統(tǒng)）之間進(jìn)行交換傳遞，從而建成一個透明的、開放式結(jié)構(gòu)體系的自動化系統(tǒng)。
NetLinx基于三級網(wǎng)絡(luò)層：信息層、控制層以及設(shè)備層。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各層網(wǎng)絡(luò)的功能非常明晰。
(1) 信息層。這一層采用符合標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它提供上層計算機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問車間級的數(shù)據(jù)，主要為全廠范圍控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、計算管理、統(tǒng)計、設(shè)備維護(hù)管理、生產(chǎn)流程以及物流跟蹤服務(wù)，同時可以使計算機(jī)訪問使用結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）的開放性數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)管理員可在這層網(wǎng)絡(luò)上對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對控制器中的程序進(jìn)行修改，使計算機(jī)系統(tǒng)存取生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)達(dá)到實時監(jiān)控的目標(biāo)，并對PLC提供支持。由于采用了TCP/IP協(xié)議，可以方便地將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)接入企業(yè)局域網(wǎng)（Intranet），實現(xiàn)控制系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的集成。
(2) 控制層。它在各個PLC之間及其與各種智能化控制設(shè)備之間進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的交換、控制的協(xié)調(diào)、網(wǎng)上編程和程序維護(hù)、遠(yuǎn)程設(shè)備的組態(tài)，編程和故障處理，也可以連接各種人機(jī)界面產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控。這一層上的網(wǎng)絡(luò)稱作控制網(wǎng)，采用CIP(Control and Information Protocol)協(xié)議和生產(chǎn)者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點同時從單個的數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)，并共享數(shù)據(jù)和信息。控制網(wǎng)主要完成智能化的高速實時控制和I/O數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸功能,它滿足連接PLC處理器、HMI以及其它智能化設(shè)備所需的實時、高信息吞吐量應(yīng)用的要求。
(3) 設(shè)備層。在設(shè)備層上采用的設(shè)備網(wǎng)，主要把底層的工業(yè)設(shè)備直接連接到車間控制器上，并對其進(jìn)行配置和監(jiān)視。這種連接無需通過I/O模塊，即可用方便而快速的實現(xiàn)與工業(yè)現(xiàn)場的大量設(shè)備的高速數(shù)據(jù)的采集，極大地減少了接線。設(shè)備網(wǎng)是一種柔性地、開放性的網(wǎng)絡(luò)，可與世界上150家以上的廠商提供的產(chǎn)品兼容。
NetLinx與其它工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相比，具有突出的優(yōu)點。它采用由Net (網(wǎng)絡(luò))和Linx (開放式接口)組成的結(jié)構(gòu)，能更有效地實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)采集和控制。其中Net是基于生產(chǎn)者/消費者的通信模型，定義了一系列超級服務(wù)協(xié)議；它支持多播式、事件觸發(fā)、周期性觸發(fā)等發(fā)送機(jī)制；它完全獨立于網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，可在不同網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)中組態(tài)。控制層/設(shè)備層利用現(xiàn)場總線技術(shù)把現(xiàn)場設(shè)備的信息作為整個企業(yè)信息網(wǎng)的基礎(chǔ)，提高了控制系統(tǒng)的信息處理能力和運行可靠性，方便了用戶對系統(tǒng)的組態(tài)、管理和維護(hù)。這種開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，集成了多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，采用通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和開放的軟件接口，保證了無縫的信息和控制數(shù)據(jù)流傳輸。
圖 1 NetLinx的體系結(jié)構(gòu)
可以方便地與Intranet、Internet連接起來，使得其本來就很強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能更加強(qiáng)大。
三、長豐的物流系統(tǒng)
長豐在過去的生產(chǎn)活動中出現(xiàn)的最大問題是生產(chǎn)信息的不透明，管理者難以獲知每個車間的生產(chǎn)情況，一旦某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，需要依靠各級管理者層層上報，經(jīng)過很長時間后才能夠得到處理，造成生產(chǎn)流水線上積壓或停工待料后果，整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏就被打亂，給企業(yè)帶來了相當(dāng)大的損失。因此現(xiàn)在我們嘗試把控制系統(tǒng)與長豐的 ERP系統(tǒng)（CF_C2I2）集成，把生產(chǎn)信息收集到管理系統(tǒng)中，使生產(chǎn)管理者能夠?qū)崟r地獲取每個生產(chǎn)階段的在制品的準(zhǔn)確數(shù)量和詳細(xì)的產(chǎn)品信息，一旦生產(chǎn)出現(xiàn)問題，可以及時處理。在整條生產(chǎn)線上實施電子看板管理，可以指導(dǎo)生產(chǎn)線上的裝配工作；并且通過Internet把供貨需求信息傳遞給供貨廠商。
看板管理是實施拉動式JIT(Just in Time，準(zhǔn)時化生產(chǎn))的一種非常有效的手段，它是把看板作為生產(chǎn)指令、取貨指令、運輸指令，用以控制生產(chǎn)和微調(diào)作業(yè)計劃，達(dá)到生產(chǎn)組織上高效率、高效能、高效益的科學(xué)管理方法。它是以需求作為整個企業(yè)生產(chǎn)的初始拉動點，按照需求的品種、數(shù)量、時間和地點來準(zhǔn)時地組織各環(huán)節(jié)生產(chǎn)，前工序僅生產(chǎn)后工序所取走的品種和數(shù)量，不進(jìn)行多余的生產(chǎn)，不設(shè)置多余的庫存，使企業(yè)形成一個逆向的、環(huán)環(huán)相扣的供應(yīng)鏈。電子看板是看板管理和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的一種信息載體，它將車間生產(chǎn)線的工藝流程直觀地反映在監(jiān)視屏幕上，管理人員可以通過與屏幕上工藝流程中各對象的交互，動態(tài)獲取所需的在制品實時信息，對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控。
長豐的生產(chǎn)過程分為沖壓、焊裝、涂裝、總裝、檢驗等環(huán)節(jié)，我們以長豐的總裝為拉動起點，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)都以取貨看板為指令，按照后工序的需要組織生產(chǎn)和配送；必要的信息通過網(wǎng)絡(luò)一直向上游延伸至原材料、外協(xié)件的供應(yīng)商處，供應(yīng)商按照用戶生產(chǎn)線需要的時間、數(shù)量和品種實施生產(chǎn)與運輸，所供應(yīng)的外協(xié)件不進(jìn)入用戶倉庫存儲，直送用戶生產(chǎn)線消耗點，從而降低各環(huán)節(jié)的庫存成本。同時通過發(fā)揮看板的現(xiàn)場自動微調(diào)功能，平順排產(chǎn)和物流作業(yè)，減低調(diào)度協(xié)調(diào)難度和工作量，提高系統(tǒng)化管理水平。開放的NetLinx網(wǎng)絡(luò)集成為實現(xiàn)JIT生產(chǎn)提供了最合適、最可靠的平臺。
四、管理與控制的系統(tǒng)整合
我們將連接長豐全廠的關(guān)鍵設(shè)備的自動化控制網(wǎng)絡(luò)并入管理子網(wǎng)，組成一個開放的互連、互通、互操作的管理與控制一體化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自控系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。
4.1架構(gòu)管控一體化的網(wǎng)絡(luò)
按照NetLinx來架構(gòu)具有開放結(jié)構(gòu)自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它滿足全廠自控系統(tǒng)的擴(kuò)充需要，性能穩(wěn)定、可靠，易于并入管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三部分組成：在車間內(nèi)部，采用設(shè)備網(wǎng)連接現(xiàn)場底層設(shè)備，組成企業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)；控制網(wǎng)支持?jǐn)?shù)據(jù)實時傳輸，與各種設(shè)備連接，如PC，控制器，人機(jī)界面，拖動裝置以及其它與控制網(wǎng)相連接的設(shè)備；由以太網(wǎng)處理與管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接，它在復(fù)合型結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)路中作為管理子網(wǎng)，傳送生產(chǎn)管理信息。這三層網(wǎng)絡(luò)能在相互之間并與PC機(jī)通信，有利于設(shè)備的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。羅克韋爾自動化提供的工控設(shè)備具有高兼容性、標(biāo)準(zhǔn)接口和內(nèi)置的通訊功能，功能強(qiáng)大的軟件產(chǎn)品為應(yīng)用提供了極大地便捷；而且利用羅克韋爾自動化提供的ControlLogix控制平臺，它作為控制網(wǎng)、以太網(wǎng)和DH+網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋和路由，方便地將不同的通信協(xié)議、不同廠家的設(shè)備數(shù)據(jù)整合到同一平臺。
羅克韋爾自動化為用戶提供了友好、方便高效圖形化編程組態(tài)軟件，提供了簡捷、直觀的圖形符號以及注釋信息，以便用戶控制邏輯的表達(dá)更加直觀，操作和使用更加方便。使用RSLinx（建立工廠所有通信方案的工具）根據(jù)通信特征完成通信鏈路的選擇和配置，在車間級的PLC與設(shè)備與各種應(yīng)用軟件之間提供通信功能。
4.2監(jiān)控與管理功能的實現(xiàn)
軟件則是整個管理與控制系統(tǒng)的靈魂。
基于NT的HMI軟件——RSView32用來動態(tài)地監(jiān)視控制和管理信息。它將設(shè)備現(xiàn)場運行狀態(tài)以工藝流程圖、趨勢等顯示在屏幕上，使控制中心的操作人員動態(tài)監(jiān)控當(dāng)前現(xiàn)場的生產(chǎn)狀態(tài)和重要設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，涂裝車間生產(chǎn)線的工藝流程監(jiān)控如圖2所示。
圖 2 涂裝車間的生產(chǎn)流程
羅克韋爾自動化提供的功能強(qiáng)大的工業(yè)數(shù)據(jù)交割管理軟件RSSql，具有分布式數(shù)據(jù)采集、分布式數(shù)據(jù)庫存儲和集中交割管理的系統(tǒng)架構(gòu)，它還具有數(shù)據(jù)雙向傳遞的能力，不僅可以將控制層的數(shù)據(jù)按ERP系統(tǒng)要求的格式提交到企業(yè)級的數(shù)據(jù)庫中，方便地將工藝設(shè)備層的工藝數(shù)據(jù)、控制層的狀態(tài)信息無縫集成到企業(yè)信息層數(shù)據(jù)庫，供管理決策和信息發(fā)布；而且還可以從ERP的數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)下傳到控制系統(tǒng)的PLC和上位機(jī)。
建立控制與管理一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，既能利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的控制，人們可以在辦公室甚至在家里實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，及時準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)設(shè)備的運行情況，對生產(chǎn)過程進(jìn)行綜合的判斷，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制；又可利用現(xiàn)場自控系統(tǒng)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)為管理提供決策信息服務(wù)。對接收信息匯總分析評估后，通過ERP系統(tǒng)來制定生產(chǎn)調(diào)度計劃，修正生產(chǎn)管理控制目標(biāo)，縮短了生產(chǎn)信息的反饋周期，能夠有效地解決長豐目前存在的問題。
五、結(jié) 論
本文介紹了羅克韋爾自動化的NetLinx現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)集成應(yīng)用技術(shù)，它在同類的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中具有代表性，對于現(xiàn)代新型控制系統(tǒng)的設(shè)計也具有一定的參考價值，此類開放現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用將越來越廣泛，特別是在企業(yè)信息化過程中將成為首選。我們以NetLinx技術(shù)為核心，結(jié)合羅克韋爾自動化的軟、硬件，構(gòu)建了一套從生產(chǎn)設(shè)備層到企業(yè)管理層的集成系統(tǒng)，向下可獲取不同廠家、不同通信協(xié)議的智能設(shè)備數(shù)據(jù)，向上可與ERP系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。這種系統(tǒng)有以下優(yōu)點：屏蔽了不同網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議細(xì)節(jié)；編程工作量小，只需對協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊作相應(yīng)組態(tài)，操作方便靈活；系統(tǒng)可靠性較高，維護(hù)簡單。隨著而ERP的不斷推廣和深入，它的技術(shù)優(yōu)勢日益明顯，將有更廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn):
[1] 賈東耀，汪仁煌.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢[J] . 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2002(5):12-14
作者簡介：
王劍波（1978-），男，漢族，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向為管理與控制一體化。
