雷云濤，趙振海，鐘 平

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222；2.天津市源峰科技發(fā)展有限責(zé)任公司，天津 300222）

當(dāng)前，自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的融合已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代化企業(yè)規(guī)模越來(lái)越大、自動(dòng)化程度越來(lái)越高，企業(yè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的依賴和要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)和信息系統(tǒng)已經(jīng)很難適合現(xiàn)代化企業(yè)的要求［1］。通過(guò)對(duì)廣西制糖廠、首都鋼鐵公司冶煉廠等多家企業(yè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，許多企業(yè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)水平已經(jīng)大大落后于企業(yè)發(fā)展的需求，目前迫切需要設(shè)計(jì)出新型的組網(wǎng)技術(shù)和信息化系統(tǒng)以適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)展。對(duì)此，本文提出一種全新的理念，即將集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和集成信息系統(tǒng)融合，以提高工廠信息化水平及運(yùn)行的可靠性，保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

過(guò)程控制教學(xué)工廠以集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為信息系統(tǒng)的承載層，其架構(gòu)主要由多種通信冗余技術(shù)和控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)構(gòu)成，采用了新型的信息安全技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括訪問(wèn)控制技術(shù)、防火墻技術(shù)和質(zhì)量保證技術(shù)［2］。集成信息系統(tǒng)可以提供生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵控制參數(shù)、視頻監(jiān)控和VOIP等信息［3］。采用三網(wǎng)（電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)）融合技術(shù)，在同一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上通過(guò)控制數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等方式實(shí)現(xiàn)與教學(xué)工廠的控制和管理有關(guān)的全部業(yè)務(wù)，以控制數(shù)據(jù)、曲線、語(yǔ)音和視頻等形式，完成與教學(xué)工廠控制和管理有關(guān)的全部業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)管控一體化。教學(xué)工廠整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 教學(xué)工廠整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在網(wǎng)絡(luò)層次上可分為實(shí)時(shí)控制層網(wǎng)絡(luò)、車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)和管理層網(wǎng)絡(luò)［4］。在信息系統(tǒng)上，包括了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、控制監(jiān)控信息系統(tǒng)、大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控信息系統(tǒng)、語(yǔ)音通信系統(tǒng)、MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)［5］。

2 系統(tǒng)核心功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由實(shí)時(shí)控制層網(wǎng)絡(luò)、車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)、管理層網(wǎng)絡(luò)3個(gè)模塊組成。

2.1.1 實(shí)時(shí)控制層網(wǎng)絡(luò)

實(shí)時(shí)控制層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)各個(gè)控制單元與中央控制室的通信，采用了高可靠性的冗余容錯(cuò)光纖環(huán)網(wǎng)，可提供高達(dá)1 000MB的帶寬，可同時(shí)承載高速的控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控及語(yǔ)音電話信息；由于采用了QoS（Quality of Service）技術(shù)，在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為總帶寬的50%時(shí)，高達(dá)30臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，在最惡劣情況下的最大延遲時(shí)間只有7.4ms［6］；光纖介質(zhì)保證了在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠的遠(yuǎn)距離傳輸，環(huán)網(wǎng)保證了在即使光纖鏈路出現(xiàn)故障的情況下，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信也不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題；同時(shí)采用冗余容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)，保證了即使在任何一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法通信的問(wèn)題。實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)要求傳輸速度和故障恢復(fù)速度都可以達(dá)到10ms～100 ms的量級(jí)［7］。

2.1.2 車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)

車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)不采用環(huán)網(wǎng)技術(shù)，而是采用星形鏈接方式的冗余網(wǎng)絡(luò)，從而方便用戶使用，達(dá)到即插即用的效果，且便于擴(kuò)展和維護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)的通信協(xié)議包含了生成樹(shù)協(xié)議、彈性分組環(huán)協(xié)議（Resilient Packet Ring，RPR）等。根據(jù)IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）制定的生成樹(shù)協(xié)議，消除了網(wǎng)絡(luò)回路，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中只有一條數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑?］，快速生成樹(shù)協(xié)議對(duì)生成樹(shù)協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，縮短了網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間［9］。彈性分組環(huán)協(xié)議采用逆向雙環(huán)結(jié)構(gòu)，由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，數(shù)據(jù)沿外環(huán)或內(nèi)環(huán)在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)發(fā)［10］。該協(xié)議的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是空間重用［11］。

除了IO服務(wù)器要不斷從控制網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)外，生產(chǎn)過(guò)程中的信息（例如報(bào)警、記錄等）都在車(chē)間網(wǎng)絡(luò)層流通。車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)傳輸速度以及故障恢復(fù)速度可以達(dá)到500ms～1 000ms的量級(jí)。

車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)還具有REALMIS系統(tǒng)，為管理層提供MIS信息。車(chē)間層與管理層之間通過(guò)具有多功能的路由器進(jìn)行隔離，功能包括網(wǎng)段隔離功能、訪問(wèn)控制管理功能、基本的防火墻功能、出口NAT轉(zhuǎn)換功能等。

2.1.3 管理層網(wǎng)絡(luò)

管理層網(wǎng)絡(luò)用于整個(gè)教學(xué)工廠的區(qū)域管理，與車(chē)間層的網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)一臺(tái)或多臺(tái)路由器來(lái)連接，獲取現(xiàn)場(chǎng)的原料消耗、生產(chǎn)加工過(guò)程中的參數(shù)信息、生產(chǎn)產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量等信息的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而為采購(gòu)、銷售、質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)等提供參考。該網(wǎng)絡(luò)的速度和性能不像其他網(wǎng)絡(luò)層次要求那么高。此外為了方便與城域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)的互聯(lián)，還設(shè)有VPN防火墻，采用先進(jìn)、高效、穩(wěn)定的隔離控制技術(shù)，使得整個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)置于安全監(jiān)管之下。

2.2 集成信息系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

工業(yè)時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)是產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的競(jìng)爭(zhēng)，規(guī)?；笊a(chǎn)是降低生產(chǎn)成本的有效方式，生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化是保證質(zhì)量的根本，而快速響應(yīng)則是滿足客戶個(gè)性化需求的保障。工廠規(guī)模擴(kuò)大和生產(chǎn)快速響應(yīng)使得原材料、生產(chǎn)、物流，以及資金流的綜合管理成為關(guān)鍵，全面信息化建設(shè)成為現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的迫切需求。物料需求計(jì)劃（MRP）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等信息系統(tǒng)推進(jìn)了管控一體化的發(fā)展。

采用分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)間層管理控制的集中化，協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)之間控制信息，并與車(chē)間層網(wǎng)絡(luò)上的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的交互，冗余容錯(cuò)光纖環(huán)網(wǎng)作為承載［12］實(shí)現(xiàn)集中化控制。此外，還具有融合通信功能。如果工廠廠區(qū)比較大，環(huán)境比較復(fù)雜時(shí)，采用高速的光纖環(huán)網(wǎng)來(lái)承載語(yǔ)音、視頻的信息是提高系統(tǒng)可靠性的重要措施，這些信息均可作為控制信息的組成部分。系統(tǒng)中采用QoS技術(shù)，保證了控制系統(tǒng)的帶寬和優(yōu)先級(jí)，同時(shí)保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。視頻和音頻的監(jiān)控能實(shí)時(shí)全面掌握現(xiàn)場(chǎng)的狀況。而VOIP電話系統(tǒng)連接了整個(gè)工廠的電話網(wǎng)，并直接經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到PSTN公網(wǎng)?；贗P網(wǎng)絡(luò)的融合通信是近年來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，其價(jià)格也大大降低，使系統(tǒng)的設(shè)備簡(jiǎn)化、實(shí)用，擴(kuò)展維護(hù)方便。

大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的影像視覺(jué)效果，可清晰地顯示視頻信息和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，便于操作人員快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)反饋各種問(wèn)題。

在管理層實(shí)現(xiàn)高度實(shí)時(shí)的企業(yè)信息化，將現(xiàn)場(chǎng)的原料消耗、成品生產(chǎn)、故障分析等信息，融合進(jìn)企業(yè)的銷售、采購(gòu)、質(zhì)控，以及資金流體系中［13］。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)出了REAL MIS系統(tǒng)，了解現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)、消耗以及故障；開(kāi)發(fā)出的MES系統(tǒng)，能依據(jù)客戶對(duì)產(chǎn)品種類和數(shù)量的需求直接下單到生產(chǎn)線，立即進(jìn)行生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)批量和產(chǎn)品需求的設(shè)定。此外系統(tǒng)還集成了國(guó)內(nèi)著名的生產(chǎn)管理軟件，設(shè)計(jì)了ERP系統(tǒng)和ERP接口［14］。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)大型企業(yè)的調(diào)研，分析了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)的現(xiàn)狀和需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和信息化進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)、可靠、維護(hù)方便的網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)。2011年該系統(tǒng)在中國(guó)天津公共技能實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)的過(guò)程控制教學(xué)工廠中得到應(yīng)用，并進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行、測(cè)試及鑒定，得到了專家的好評(píng)，收到了良好的效果。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、可靠、穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值，在大型制糖、鋼鐵、化工等企業(yè)中有廣泛的實(shí)用和推廣價(jià)值。

（References）

［1］陳光.信息系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)管理方法研究［D］.合肥：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

［2］俞東慧，黃麗華.中國(guó)大陸信息管理研究現(xiàn)狀評(píng)述［J］.科研管理，2004（3）：86－93.

［3］季高榮.中小企業(yè)管理信息系統(tǒng)建設(shè)研究［D］.合肥：安徽大學(xué)，2012.

［4］陳匯遠(yuǎn).計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全技術(shù)的研究及其應(yīng)用［D］.北京：鐵道部科學(xué)研究院，2004.

［5］李一帆.數(shù)字礦山信息系統(tǒng)的研究及應(yīng)用［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院：武漢巖土力學(xué)研究所，2007.

［6］高強(qiáng).工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在配網(wǎng)中的性能分析與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2009（9）：46－49.

［7］朱政紅，王月娥.工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域中的實(shí)時(shí)性技術(shù)［J］.低壓電器，2010（7）：31－35.

［8］ANAI／IEEE Std 802.1D－1998，Part 3：Media Access Control（MAC）Bridges［S］.1998.

［9］GuNNAR Prytz.Network Recovery Time Measurements of RSTP in an Ethernet Ring Topology［C］／IEEE.ETFA 2007.Patras：IEEE Publication，2007：1247－1253.

［10］FreDRIK Davik，METE Yilmax，STEIN Fjessing，et al.IEEE 802.17Resilient Packet Ring Tutorial［J］.Communications Magazine，IEEE，2004，42（3）：112－118.

［11］畢汝超.以太網(wǎng)交換機(jī)EAPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［12］馬選.基于RFID的現(xiàn)代郵政物流倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)研究［D］.桂林：桂林電了科技大學(xué)，2007.

［13］劉渤海.企業(yè)質(zhì)量管理信息系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

［14］王文亞.制造業(yè)ERP應(yīng)用模式的研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2006.