（机械设计及理论专业论文）基于工业以太网的车间数字设备集成控制的关键技术研究.pdf

中文摘要 目前，国内离散制造企业，尤其是中小型企业的数字设备普遍存在多种控 制系统并存、不能实现远程监控与维护、信息难以直接连通和集成控制等问题； 同时，生产现场信息不能被及时采集、处理和应用，现场控制层不能为企业信息 系统直接提供必须的生产现场的信息。这些己成为企业信息化深入发展的瓶颈。 籍此，本文提出一种基于工业以太网的车间数字设备集成控制方案。主要研究 其系统的关键技术，旨在提升车间生产与管理自动化水平，实现企业管理信息 系统与现场控制系统的有效集成。本文的主要研究工作如下： 1 针对离散制造企业车间数字设备的接口特性和控制模式，选择适合车间 数字设备集成控制的网络；建立具有不同接口的车间数字设备的网络连接方案； 分析车间数字设备集成控制系统的功能，提出基于工业以太网的车间数字设备 集成控制的网络结构；设计基于工业以太网的嵌入式网关，并对其进行实验研 究。 2 以o p n e tm o d e l e r 为基础，分析e p a 协议的体系结构、协议模型和功能 模块，开发专用于e p a 的仿真模块，建立车间数字设备集成控制网络的仿真模 型和基于“l 技术的仿真平台；通过对实例的仿真与分析，给出应用方法。 3 研究包含信息分类、采集和传输在内的基于工业以太网的车间数字设备 集成控制系统中信息处理技术。在分析总结信息特征的基础上，提出基于$ 9 5 的信息分类方法，并进行分类；研究总结适于车间数字设备集成控制系统的信 息采集方法；集成应用e p a 协议与o p c 技术，提出一种新的车间数字设备集成 控制信息传输策略；结合实例，给出实现方案。 4 在分析控制特性的基础上，利用功能块技术，提出基于工业以太网的车 间数字设备集成控制原型系统的开发方案；采用并行处理作为车间数字设备集 成控制的策略，通过时间特性分析，证明方案的有效性；提出车间数字设备集 成控制系统中的功能块构建方案，构建原型系统的体系结构；以工件表面热处 理的控制单元为例，提出集成应用u m l 和功能块技术开发基于工业以太网的车 间数字设备集成控制原型系统的方法。 5 在基于工业以太网的车间数字设备集成控制环境下，研究离散制造过程 中的工序质量动态控制的方法，提出控制系统的构建及工序质量控制的动态实 施策略，以此说明基于工业以太网的车间数字设备集成控制系统的应用。 关键词：工业以太网，数字设备，集成控制，e p a ，功能块，工序质量控制 a b s t r a c t a tp r e s e n t t h e r ea r em a n yp r o b l e m ss u c ha st h ec o e x i s t i n go fm a n yd i f f e r e n t k i n d so fc o n l r o is y s t e m s ，t h ed i s a b l ee x e c u t i o no fr e m o t em o n i t o r i n ga n dr e m o t e m a i n t e n a n c e ，t h ed i f f i c u l t i e so fd i r e c ti n f o r m a t i o ne x c h a n g i n ga n di n t e g r a t i o nw i t h i n d i s c r e t em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，e s p e c i a l l yt h o s em i d d l es i z eo rs m a l lo n e s ，a tt h e s a m et i m e ，t h ei n f o r m a t i o ni nf i e l da r e ac a n n o tb ec o l l e c t e d , p r o c e s s e da n da p p l i e di n r e a lt i m e ，w h i c hl e a d st ot h ei n c a p a b i l i t yo ff i e l dc o n t r o ll e v e lt op r o v i d en e c e s s a r y f i e l di n f o r m a t i o nf o rt h ei n f o r m a t i o ns y s t e m si n s i d ee n t e r p r i s e s t h ea b o v e p r o b l e m s l a a v ec a u s e dt h eb o t t l e - n e c kt oa d v a n c et h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m as o l u t i o n f o ri n t e g r a t e dc o n t r o lo f n u m e r i c a f lc o n l l o ld e v i c eo c n c d ) i n m a c h i n i n gc e l l ( m c ) b a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e t w a sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hf o c u so nt h ek e y t e c h n o l o g i e sa n da i m st op r o m o t em c sm a n u f a c t u r i n ga n dm a n a g e m e n ta u t o m a t i o n l e v e l ，a n dt or e a l i z ee f f i c i e n ti n t e g r a t i o no fm a n a g e m e n ts y s t e ma n df i e l de o n l a o l s y s t e mi n s i d e 缸e n t e r p r i s e t h em a i nr e s e a r e l aw o r k a n da c h i c v e m e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o na 船f o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n gt ot h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm o d e s ，t h ea p p r o p r i a t e n e t w o r kf o ri c n c di nm cw a f ts e l e c t e d , a sw e l l 勰t h e i ri n t e r - c o n n e c t i n gs o l u t i o n s t h ef t m e t i o mo fi c n c ds y s t e mi nm c 舭a n a l y z e r , a n dt h en e t w o r kf r a m e w o r ko f i c n c di nm cb a s e do i li n d u s t r i a le t h e m e tw a sp r o p o s e d t h ee m b e d d e dg a t e w a yo f i n d u s 伍a le t h e m e tw 船d e s i g n e da n dt e s t e d 。 2 t h ef l - a m e w o l r k ，p r o t o c o lm o d e la n df u n c t i o nb l o c ko fe p a ( r e a l - t i m e e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) p r o t o c o lw e r ea n a l y z e db a s e do no p n e tm o d e l e r t h es p e c i a l i z e ds i m u l a t i o nm o d e lo fe p aw a se x p l o i t e d ；t h es i m u l a t i o nm o d e lf o r i c n c ds y s t e mi nm ca n dt h es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do i lx m l ( e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e ) t e c h n i q u ea n do p n e tm o d e l e rw e i oe s t a b l i s h e d ；t h ea p p l y i n g m e t h o dw a sp r e s e n t e dt h r o u g hs i m u l a t i n ga n da n a l y z i n ga ni n s t a n 3 s o m er e s e a r c h e sw e r ed o n eo i lt h ei n f o r m a t i o np r o c e s st e c h n o l o g yo f i c n c d s y s t e mi nm c b a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e t , w h i c hi n c l u d e di n f o r m a t i o nc a t e g o r i z i n g ， c o l l e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n g b a s e do i la n a l y z eo fc h a r a c t e r i s t i c so fi n f o r m a t i o n , t h e c a t e g o r ym e t h o db a s e do n $ 9 5w a sp r o p o s e da n dd o n e t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n m e t h o da d a p t e df o ri c n c di nm cw a si n v e s t i g a t e d i n t e g r a t i n ge p a p r o t o c o la n d o p ct e c h n o l o g y , an e wi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns t r a t e g yf o r1 c n c ds y s t e mi nm c i i w a sp r o p o s e d f i n a l l y , a ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fa ni n s t a n t ：ew a sp r e s e n t 4 n 圮s c h e m ef o rd e v e l o p i n gp r o w t y p cs y s t e mo fi c n c ds y s t e mi nm cb a s e o ni n d u s t r i a le t h e m e tw a sp r o p o s e db yu t i l i z i n gf u n c t i o nb l o c kt e c h n o l o g ya n d a n a l y z i n g c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s p a r a l l e lt r a n s a c t i o nw a s a d o p t e d f o r i n t e g r a t e d - c o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h es c h e m ew a sp r o v e dv a l i d l yt h r o u g ht h ea n a l y z i n g t i m ec h a r a c t e r i s t i c s 1 1 圮s c h e m ef o rc o n s t r u c t i o no ff u n c t i o nb l o c k so fi c n c d s y s t e mi nm cw a sp r o p o s e d , a n dt h ef r a m e w o r ko ft h ep r o t o t y p es y s t e mw a s c o n s u u c t e d ad e v e l o p m e n ta p p r o a c hf o ri c n c d s y s t e mi nm cb a s e do ni n d u s t r i a l e t h e m e tu t i l i z i n gu m la n df u n c t i o nb l o c kt e c h n o l o g yw a sp r e s e n t e d 5 n 圮d y n a m i cc o n t r o lm e t h o df o r t h eq u a i l t yc o n t r o lo fw o r k i n gp r o c e d u r eo f d i s c r e t e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d u n d e rt h ei n t e g r a t e dc o n t r o l c o n d i t i o nb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e t n 伦d y n a m i ci m p l e m e 埘n gs t r a t e g yf o rt h e q u a l i t yc o n t r o lo f w o r k i n gp r o c e d u r ei nd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a sp r o p o s e d ， w h i c ha i m st oe x p l a i nt h ea p p l i c a t i o no fi c n c ds y s t e mi nm cb a s e do i li n d u s t r i a l e t h e m e t k e y w o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t ；n u m e r i c a ld e v i c e ；i n t e g r a t e dc o n t r o l ；e p a ；f u n c t i o n b l o c k ；q u a l i t yc o n t r o lo f w o r k i n gp r o c e d u r e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研警名删帐幽p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：窆：丝导师( 签名)研究生( 签名) ：之、! ：! 鉴：导师( 签名)：盘】耋日期：龟宣坐口， 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 制造企业信息化与车间数字设备集成控制 1 1 1 制造企业信息化的发展与管控集成 制造企业信息化是指充分利用以现代信息技术为代表的高新技术对传统产 业的渗透以及信息技术与其它专业技术的融合，在产品全生命周期中，通过信 息技术的应用、信息资源的开发、利用、集成和共享，达到企业资源的优化配 置和高效运转，从而提高企业的经济效益和整体竞争力i i j 。企业信息化的实质是 增强企业的核心竞争力，通过实施信息化。加强技术创新和管理创新能力，使 企业及其产品获得市场竞争优势。随着各种先进的制造战略、制造模式和制造 技术引入，制造企业信息化逐渐表现出数字化、敏捷化、网络化、虚拟化、智 能化、绿色化、集成化以及客户为中心的服务化的发展趋判2 】。 制造企业信息化的关键就是建立企业的信息系统，包括管理信息系统和控 制信息系统两大部分，集成企业的数字化设计、数字化制造装备、数字化生产 过程和数字化管理等p 】。目前，制造企业信息系统大多可用基于功能逻辑划分的 三层体系结构表示，如图1 1 所示。 企业资源规划层 0 制造执行层 现场控制层 图1 1 制造企业信息系统的三层模型 从底层向上依次为：现场控制层、制造执行层和企业资源规划层。 ( 1 ) 现场控制层：主要是连接现场设备，如分散式i o 、传感器、驱动器、 执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备问连锁控制、数据采集等各 种功能。 ( 2 ) 制造执行层：这一层一般是由担任监控任务的工作站、p c 机或控制器 武汉理工大学博士学位论文 作为网络节点构成的局域网段，负责从现场设备中获取数据，完成各种控制、 运行参数的监测、报警和趋势分析等功能。制造执行层的功能一般由上位计算 机完成，同时还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。例如实时数据 库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等。 ( 3 ) 企业资源规划层：它是实现企业信息集成和管、控一体化的重要组成 部分。其网络节点主要有高性能计算机、工作站、p c 机等，包括各类计算用客 户机、服务器、数据库等。企业各个实体能够不受地域的限制进行监视与控制 企业局域网里的各种数据，并对这些数据进行进一步的分析和整理，为相关的 各种管理、经营决策提供支持。 随着制造业信息化的深入发展，要求更多的信息参与到企业管理和决策中 去，其中现场控制层和管理决策层的信息集成逐渐成为企业的优化控制和调度 决策的必需。通过现场控制层和管理决策层之间的信息集成，企业内部可以建 立起综合实时信息库、统一的分布式数据库，保证所有数据的完整性和互操作 性。现场控制层与管理决策层的信息集成主要是通过控制信息系统与管理信息 系统的互联实现的，这样可以使上层决策者通过信息网络随时随地了解生产情 况，同时也便于实现远程监控、诊断和维护等功能。 要解决现场控制层与管理决策层的信息集成问题，实际上也是解决控制信 息系统与管理信息系统的互联及信息交互问题，主要有以下三种途径： ( 1 ) 在控制信息系统和管理信息系统之间加入转换接口 即在底层控制网络和管理信息网络之间加入中继器、网桥、路由器等专门 的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以是 一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换：还 可以是一块智能接口网卡，实现现场智能设备与管理信息系统中的监控计算机 之间的数据通信。 ( 2 ) 在控制信息系统和管理信息系统之间采用o p c 技术 使用o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术可以方便地把由不同制造商提供 的驱动或服务程序与应用程序集成在一起。o p c 服务器中的数据来自现场设备， o p c 服务器是数据的供应方，负责为o p c 客户提供所需的数据；o p c 客户是数 据的使用方，处理o p c 服务器提供的数据。o p c 服务器与o p c 客户端通过网 络系统进行信息交互。 ( 3 ) 在控制信息系统和管理信息系统中采用统一的网络协议标准 这种方式将成为控制信息系统与管理信息系统完全集成的最终解决方案。 使用统一的协议标准，不仅确保信息准确、快速、完整的传输，还可极大地简 化系统设计。 武汉理工大学博士学位论文 目前车间存在大量的异构数字设备，要实现控制信息系统和管理信息系统 的有效集成，关键是要解决这些异构数字设备之间以及它们与上层管理信息系 统之间的信息交互与集成，即实现车间数字设备集成控制。 1 1 2 车间数字设备集成控制 1 车间数字设备集成控制与控制系统的概念 车间数字设备是指在制造企业的制造单元中使用的具有数字控制功能的各 类设备或仪器，如各种数控机床、可编程控制器、工业机器人、三坐标测量机、 智能仪器仪表和智能控制器与执行器等，它们的广泛使用为提高企业生产效益 和产品质量起到了重要作用。目前，国内制造企业车间数字设备大都采用了不 同的数字控制系统。在分布式的网络环境下，这些异构数字设备存在通信、操 控和数据交换等方面的困难，尤其是数字设备对复杂动态制造环境的主动感知 和自主适应问题更为突出。 车间数字设备集成控制是采用某种局域网络，通过专用接口( 或网关) ，将 企业特定制造单元中的数字设备连接，组成一个集成控制系统，实现信息的集 成控制。车间数字设备集成控制包含两层含义：。是设备集成，将具有高度自 治能力的各种数字设备通过网络构成整体，形成既能独立工作又能相互关联的 智能混合控制系统，能够根据任务的变化而动态构造逻辑制造单元，便于相互 间的通讯或信息传输以及上层管理系统对设备或底层控制系统的监控和信息的 获取；二是信息集成，采用功能块的设计思想，将数据采集与处理、设备监控、 工序质量控制、资源动态调配等功能进行规划和配置，构成具有独立控制功能 或其它处理功能的基本功能模块，各模块间采用规范的互联方式，基于功能驱 动，按特定的调度策略和控制模式来构造功能单元，完成要求的功能，从而达 到集成控制的目的。 车间数字设备集成控制系统是结合自动化技术、计算机技术和通信技术， 通过网络将车间生产活动中的数字设备信息与各分散的自动化系统有机地集成 起来，将所有车间数字设备集成控制，构成一个能适应车间生产环境不稳定性 与市场需求多变性的信息集成控制系统。车间数字设备集成控制系统位于企业 信息系统中的过程控制层与制造执行层之间。 2 车间数字设备集成控制系统的主要功能 ( 1 ) 通讯功能。通讯功能是车间数字设备集成控制系统的基本功能，主要 有：数控程序的双向传输、在线加工、数据共享和协议转换等。由于车间数字 武汉理工大学博士学位论文 设备并非全部具有工业以太网接口，为了这些设备能顺利接入控制网络，需要 采用协议转换器。 ( 2 ) 控制功能。系统能够根据生产要求，将各种数字设备通过网络组合构 成所需的各种形式的制造单元或制造系统，即系统的重构功能；能对车间的智 能i o 、智能执行器和智能控制器等进行直接的控制，便于构成分布式网络控制 系统；数字设备状态监控功能：该功能是获取设备运行状态的实时信息，以便 根据生产要求，如工序质量的动态控制、生产过程的二次调度等要求，对设备 运行状态进行在线实时调整；能够通过网络实时发布设备的状态信息，反映设 备的运行历史，统计设备的运行报告，同时记录到设备的运行历史数据库，实 现对设备全部生产时间的状态记载。 ( 3 ) 管理功能。系统的管理功能主要包括：数控程序的管理、设备管理、 生产过程管理等。其中，生产过程管理是指监控生产过程。自动修正生产中的错 误，提高加工效率和质量，或者向用户提供纠正错误并提高在制行为的决策支 持；提供工件在任意时刻的位置及其状态信息；提供按分钟级更新的实际制造 过程的结果报告，并将这些结果与过去的历史记录及所期望出现的经营目标进 行比较等。 3 车间数字设备集成控制系统组建的需求 ( 1 ) 异构性。车间数字设备集成控制系统一般由各种不同类型的数字设备 组成，需要多种多样的数字控制系统和通讯接口，分别支持不同的通讯协议， 并有多种信息采集与处理的方式。 ( 2 ) 复杂性。车间数字设备集成控制系统由多种具有独立控制功能的子系 统，如状态监控、质量控制、过程检测或数据采集系统等组成，各子系统间也 存在交叉和融合，对控制系统的性能要求存在较大的差异。 ( 3 ) 高柔性。系统应具有可重构、可裁剪、可扩展的特性，以便满足因生 产计划的变更、生产模式的改变等而引起的生产任务的不同要求。 ( 4 ) 实时性与交互性。系统应具有快速响应性能；系统间、设备间存在大 量信息交互。 ( 5 ) 自治性。车间数字设备本身就可构成具有独立性的智能控制单元。 从上述可知，车间数字设备集成控制的实质就是建立现场控制层信息集成 的软硬件平台，为企业现场控制层与管理决策层的信息集成奠定基础。 4 武汉理工大学博士学位论文 1 2 本文主要研究内容的国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 车间数字设备控制系统 分布式数字控制( d i s t r i b u t e d n u m e r i c a lc o n t r o l ，d n c ) 是实现车间数字设备 集成控制的一种典型形式。d n c 中应用的通信技术i 州主要有以下几种： ( 1 ) 串行通信方法。利用数控设备提供的r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 接口，采 用点对点或星形拓扑结构，实现串行通信。这种通信方法存在工控微机多、投 入成本高、管理和维护工作量大和易于出错等缺点。 ( 2 ) m a p 通信技术。m a p ( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是美国g m 公 司发起研究和开发的用于车间环境的通用网络通信标准。在实际开发上，复杂 程度高，开发费用大，新老设备用此技术实现d n c 几乎不可能。 ( 3 ) 现场总线技术。目前在d n c 通信中应用的现场总线主要有b i t b u s 、 c a n b u s 、p r o f i b u s 。 为解决车间设备的互连问题，陶桂宝博士研究了基于软插件的车问设备集 成系统，此系统采用了c a n 构建现场控制网络【7 j ；闫伟国博士研究了d n c 的若 干关键技术，提出了局域网式的d n c 通信结构，将集成d n c 系统模型分为用户 层、服务层、代理层、设备层【8 】。荣冈等人1 9 1 在分析流程工业综合自动化的信息 需求和基础数据的获取与存储方式的基础上，提出了以基础信息模型为核心的 统一基础数据平台。唐华等【1 0 1 采用d n c 网络系统j c s d n c 进行数控机床的联网， 构建了一个车间生产现场综合数据交换平台，采用r s 2 3 2 4 8 5 、e t h e m e t 联接车间 的数控设备，通过以太网与c a d c a m 、刀具管理系统和生产管理系统联接； j c s d n c 在传统的d n c 通信网络上增加了设备状态采集、车间工况数据采集和生 产数据交换等功能，其数据采集软件、工况数据采集器可以最大程度地采集满 足生产管理所需的工况数据，实现生产与管理所需的数据、工夹具等资源信息 的共享；文献 1 l 】研究了现场总线在柔性制造系统和网络数控中的应用，并建立 了基于现场总线的开放式数控平台。 由于车间数字设备通讯接口的多样性，构成车间数字设备控制网络时，必 然要考虑这些设备与各种通讯网络间的连接问题。郝永平等【l2 l 将接口标准分为 网络编程接口标准、数据库编程接口标准和产品信息接口标准，对比各类接口 形式的特点和相互关系，给出制造信息集成接口一般要求，提出了基于总线型 制造信息集成接口的框架结构和示例接口的表现形式。传统的车间设备主要采 用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 串行通信协议，与以太网的连接方式有 j 3 - 1 5 j ：多串口服务器方 式和单串口服务器方式。新型的车间数字设备大多带有以太网接口，可以直接 武汉理工大学博士学位论文 与以太网相连。如何集成多种通信协议，适应各种层次的车间设备，同时能够 实现信息交互过程中的动态处理，是车间数字设备集成控制的关键。市场上已 有的串口服务器n p o r t 、r e a l o n e 等可以实现多种串行通讯协议与以太网之间的 转换；文献【1 6 】研究了p r o f i b u s d p 与以太网协议转换原理，并设计了相应的 协议转换网关；在串行通讯协议与工业以太网通讯协议转换接口的研究方面， 文献【1 7 】基于l i n u 操作系统开发了遵从e p a 协议的串1 3 与以太网接口的通讯软 件，实现e p a 设备与以太网的直接连接，从而实现e p a 设备间的通讯。 由于传统的数字控制的局限性，开放式控制系统的研究已成为自动控制领 域的一个热门研究方向较著名的有美国的o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l s ) 、欧洲的o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 和日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ) 计划；文献【1 8 】 【1 9 】提出了一种将s t e p o n c 和功能块技术结合的数字设备集成控制方法，可以 提高系统的柔性、可重用性，加强c a d ，c a m 间的信息双向流动，有利于底层 控制系统的信息交互与集成。现在国内的研究主要集中在消化s t e p - n c 标准、 s t e p - n c 的数据模型、s t e p n c 编程方法以及a p 2 3 8 应用协议的实施方法这些 方面。有待于进一步研究的问题：标准的完善、不同应用协议之间的协调、知 识库、网络化和智能化。 ， 由上述可知，车间数字设备的研究和发展趋势主要集中在数字设备的网络 化、智能化、模块化和开放式数字控制系统等方面。 1 2 2 工业以太网 车间数字设备控制网络组网技术主要有现场总线、以太网和工业以太网。 现场总线控制是目前车间设备集成控制所采用的主要方式，它具有全数字 化、分散性、网络化和智能化等特点。现场总线技术的发展还存在诸多问题： 通信协议的不统一，有1 2 种现场总线国际标准，这些协议问又互不兼容，使得 现场总线的互操作性没有得到很好的实现；现场总线传输速率较低；不易与上 层网络进行信息集成。 以太网在离散制造企业的管理层和控制层等中上层网络通信中得到广泛应 用，并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势，成为近年来工业自 动化领域研究的热点。以太网具有许多优点，但也存在以下不足 2 0 1 2 1 1 ：网络负 荷较重时，网络通信具有不确定性，不能满足工业控制的实时性要求：以太网 抗干扰( e m i ) 性能较差；以太网不具备本安特性，同时以太网不具备通过信号 线向现场仪表供电的性能。 按照国际电工委员会s c 6 5 c 的定义，工业以太网是用于工业自动化环境、 6 武汉理工大学博士学位论文 符合i e e e8 0 2 3 标准、按照i e e e8 0 2 1 d 定义的媒体访问控制网桥规范和i e e e 8 0 2 1 q 局域网虚拟网桥规范、对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网。现 在应用的工业以太网通讯协议和企业信息网通讯协议相同，可以实现控制网络 和信息网络的无缝连接。 国内从2 0 世纪9 0 年代末就开始研究工业以太网技术，并成功应用于分布 式控制系统。随着现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 的发布，工业以太网技术开始向 现场设备层延伸，直接应用于工业现场设备间的通信1 2 2 1 2 3 1 。e p a ( e t h e r n e tf o r p l a n ta u t o m a t i o n ) 是由浙江大学等六所科研院所共同开发的实时以太网协议， 并首先在化工生产装置上得到成功验证应用。用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范已经成为我国第一个拥有自主知识产权的现场总线标准。 同时，该标准已成功进入正c 标准体系，发布为i e c p a s 6 2 4 0 9 标准化文件，正 式作为第1 4 类型写入实时以太网国际标准i e c 6 1 7 8 4 - 2 。这是迄今为止，中国工 业自动化领域第一个被国际认可和接受的标准 2 4 - - 3 0 。 在应用方面，冯冬芹等p 1 1 1 3 2 基于e p a 标准，研究并实现了流程工业的网络 集成控制系统，并进行了基于e p a 的现场l ，o 的研究与开发。费敏锐等研究了 支持工业以太网与多协议转换技术的新型测控平台，开发了带有多现场总线接 口可选的现场设备智能单元，具有可选工业以太网、d e v ic e _ n e t 、f r o f i b u s 现场 总线的通用接口，并已用于电站、冶金和低压电器等行业【3 习2 0 0 5 年国家“8 6 3 ” 计划立项支持上海自动化仪表股份有限公司开展基于e p a 标准的现场变送器研 究与开发。西北工业大学康军等】对工业以太网远程监控系统进行了研究，提 出一种基于i n t e r n e t 的工业以太网远程监控系统的设计方法、体系结构，应用 基于u m l 的建模工具r o s e 建立了系统模型；张建新对工业以太网进入染色 设备监控领域的技术背景及可行性进行了探讨，利用以太网模块a d a m 5 0 0 0 实 现了该监控网络，开发了基于工业以太网的染色设备监控系统的染色过程控制 软件以及生产管理软件。江南大学的易吉良、冯军等研究了以太网在油田中的 应用，建立了基于工业以太网的远程监控与数据采集系统，并成功应用于油田 实际。此外，工业以太网还被用于电网监控、发动机监控、高炉监控等。大连 理工大学、沈阳工业大学等【3 5 1 1 3 6 提出了一种基于以太网的数控机床通信系统的 网络技术方案、拓扑结构及通信系统功能的软件实现，使用单板机作为串口服 务器，实现了数控机床与以太网的联接。 现有l o 种实时以太网协议同时进入了实时以太网国际标准i e c 6 1 7 8 4 2 。这 些技术中，应用于运动控制的主要有：西门子的p 踟ti o 、德国倍福的 e t i l e 疋a t 、欧洲开放网络联合会的p o w e d i n k 、s e r c o si l l 等：应用于p l c 的主 要有：西门子的p r o n e ti ，o 、施耐德的m o d b u st c p ，i u p s 等；用于直接连接 7 武汉理工大学博士学位论文 设备的有e p a 。目前，己研制成功2 0 多种e p a 常用仪表、2 种基于e p a 的控 制系统，包括：压力变送器、温度变送器、流量变送器、物位变送器、电动执 行机构、气动执行机构、气体分析仪以及数据采集器等，并在流程工业的生产 装置上得到了成功应用。 与其它现场总线一样，e p a 还是个通信协议，其应用技术还有待完善；e p a 在制造业、运动控制、楼宇自动化方面的应用也需要研究；e p a 产品系列还有 待丰富。 e p a 在离散制造企业车间数字设备集成控制中的应用研究还未见报道。 1 2 3 控制网络仿真平台 利用o p n e t 、n s 2 、o m n e t + + 、c o m n e t 等仿真软件构建控制网络仿真平 台，通过建立虚拟的网络场景，模拟网络行为，从而获取特定的网络特性参数， 为分析复杂网络性能和控制系统构建提供了重要依据。 在网络仿真平台研究方面，文献【3 7 】提出了一种基于交换式以太网的网络控 制系统仿真平台，控制器和被控对象通过m a t l a b 仿真实现，两者的数据通信 通过高级程序语言v b 完成，v b 与m a t l a b 的数据交互通过a c t i v e x 自动化技术 解决。该仿真平台可以根据网络中央节点设备的不同，分别在真实的以太网和 交换式以太网环境下，仿真不同网络负载时的网络控制系统。此方法可实现点 对点的网络通信仿真，但不适合于多任务并行的复杂控制网络的用户层仿真。 在网络仿真平台的开发方面，文献 3 8 1 开发了一种智能网络重构优化工具包 ( i n c 0 t ) ，可以利用各种网络仿真优化产品，如o p n e t 仿真工具，快速满足 用户的网络设计与开发的需要；文献 3 9 】提出了一种利用o p n e t 中的e m a 库生 成基于w e b 的分布式3 层仿真结构的方法，根据此结构，可以很容易地将建模和 仿真任务进行分解，也可获取任意位置处的系统功能，可以在大量的用户间共 享昂贵的仿真资源，包括o p n e t 仿真平台、硬件装置；采用x m l 来描述可自动 编译成仿真描述的网络仿真场景。这种方法尤其适用于大规模网络仿真。这些 研究是对网络仿真工具的功能的扩展，使其更易于满足用户的需求。 在对网络性能的研究方面，文献【4 0 】选用o p n e tm o d e l e r 来建立基于以太 网的某工程数据网络的模型，通过对数据网络信息流的仿真得到有关的网络性 能指标，应用层端到端延迟、以太网延迟、网络层平均流量、系统吞吐量、链 路利用率、基于交换机端口配置的虚拟网隔离广播包的个数；文献【4 l 】针对某羊 绒制品企业基于交换机结构的网络实施e r p 系统后出现的问题，采用o p n e t m o d e l e r 对网络系统的吞吐量和系统延迟进行了仿真分析，找出了系统存在的瓶 颈问题；文献 4 2 】构建了矿井下工业以太网的o p n e t 仿真模型，研究了不同负载 武汉理工大学博士学位论文 下网络的实时性与确定性传输性能，通过仿真，确定了只有采用1 0 0 0 m 骨干网络 才能满足系统的使用要求。文献【4 3 】通过o p n e t 仿真确定了以太网采用u d p 协议 时可以满足实时性应用需求的条件。 软件仿真是研究网络性能的重要手段。但目前不断扩大的网络规模，日趋 复杂的网络架构却使仿真建模的准确性和仿真结果可靠性验证越来越困难。解 决此问题的一个新途径是将不易准确建模的实物硬件与仿真软件结合；文献 4 4 】 提出了一种新的基于o p n e t 的网络半实物仿真模型h i o p ( h a r d w a r e i n - l o o p w i t ho p n e t ) ，使实际节点映射到虚拟仿真网络中，能将实际网络和o p n e t 虚 拟网络有效结合起来，既避免了建立复杂的实物测试平台，又提高了仿真的可 信度。 目前，网络仿真主要集中在对网络性能的仿真，对用户层仿真研究较少， 仅文献 4 5 1 介绍了利用o p n e t 仿真软件构建的基于功能块用户程序的仿真。考虑 离散制造企业控制网络的具体情况，利用网络仿真对其进行研究的也不多见， 基于e p a 的集成控制网络软件仿真平台还未见报道。 1 2 4 管控信息集成 管控信息集成是指企业根据需要在管理信息系统与生产控制系统内部及其 相互之间实现信息的有效交流和正确理解。即管理信息系统能够将生产计划和 指令正确下达给生产控制系统组织生产，生产控制系统能够将生产的现场信息 及时反馈给管理信息系统，以便管理层了解生产实际情况，做出合理判断与决 策。管控信息集成的内涵包括三个方面：信息内容的正确理解，实现信息传递 和信息集成的网络硬件平台，软件开发技术。 $ 9 5 标准的目标就是实现m e s 与上层管理信息系统及下层车间控制系统之 间的集成u l g l 。西门子公司遵照$ 9 5 标准，开发了实施m e s 的核心产品 s i m a l r i ci t p r o d u c t i o ns u i t c 。通用电气公司所开发的m e s 应用工具g e p r o f i e y ，从架构设计到应用模块均参照$ 9 5 标准。 在管控信息集成技术方面，文献【4 6 】分析了构成制造网络的相关协议和信息 共享种类，给出了实现信息共享的几种关键技术；文献【4 7 】建立了支持网络化制 造的信息参考模型，阐述了其主要内容和功能，研究了参考模型中相关的标准 协议集，给出了参考模型中协议集的实现技术，可以较好地解决网络化制造中 异构、分布式的信息交换和集成的部分问题；文献 4 8 1 针对异构分布环境下的信 息集成和共享及应用系统互操作问题进行研究，提出一种基于网络化制造的制造 信息交换模式。 9 武汉理工大学博士学位论文 利用o p c 技术，文献【4 9 】介绍了从p l c 控制的底层设备获取信息的方法； 文献【5 0 】中提出了一种将p r o f i b u s 总线与以太网进行系统集成的方案，实现网 络用户之间的交互操作；文献 5 h e 研究了o p c 技术在f f 总线系统中的应用， 在f f 总线网络上建立 o p c 服务器，以太网用户通过a p i 函数读取现场的实时 数据。但是采用o p c 技术实现信息集成只能在上位机中进行，因此将使系统复 杂化，降低数据的实时性，也不能确保数据的完整性。 在管控信息集成控制系统方面，文献【5 2 】 5 3 】介绍了北京和利时公司为企业 提供的“管控一体化”的完整解决方案- - r e a l m l s ( 实时信息系统) 和 h o l l i