（控制科学与工程专业论文）基于以太网的数控车间测控网络系统的研究与应用.pdf

摘要 本文针对目前国内外数控车间内的数字设备管理相对较落后的 现状，研究开发了基于工业以太网的数控车间测控网络系统，用于车 间数字设备的集成管理与分布式控制，为企业管理决策提供科学数 据，对加快制造车间信息化具有重要的现实意义。 文章首先分析了当前系统存在的问题，结合湖南机油泵公司的系 统需求，提出了一种全新的基于工业以太网的设计方案。 其次，针对工业以太网应用于车间现场的关键问题进行了研究。 提出了采用全双工交换技术与虚拟局域网技术来改善以太网通信实 时性的解决方案；针对工业控制对可靠性的要求，对网络结构进行了 冗余设计；最后通过分析，采用二级防火墙技术保证了网络的安全性。 然后，按照工业以太网的设计原则，重点阐述了硬件与软件的具 体实现过程。硬件方面，系统核心层与应用层的传输设备分别采用了 二层与三层交换机；采用串口服务器实现车间工控机与数控机床的网 络连接。软件方面，基于d e l p h i7 0 编程环境开发了上位机监控软件， 实现了车间数字设备的实时监控、数据显示、结果统计以及报表打印 等功能。 最后，对网络诱导时延的组成及影响时延的主要因素进行了分 析，在此基础上，采用o p n e t 网络仿真软件对车间局域网进行了仿 真，仿真结果证明采用了交换式以太网及虚拟局域网技术的车间测控 网络系统符合现场对实时性的要求，验证了本文提出的方案的有效 性。 关键词：工业以太网，测控网络，数控机床，实时性，o p n e t 仿真 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c ha n dd e v e l o pt h es h o pf l o o rn e t w o r kc o n t r o l s y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e t ；w i t ht h es t a t u st h a tt h em a n a g e m e n t o ft h ec n c s h o ph e t e r o g e n e o u sm a c h i n e sa n dt h ed i g i t a le q u i p m e n t s a re b a c k w a r d t h es y s t e mi su s e do nt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n d d i s t r i b u t e dc o n t r o lo ft h ew o r k s h o pe q u i p m e n t s ；p r o v i d es c i e n t i f i cd a t a f o rt h em a n a g e m e n ta n dd e c i s i o no fe n t e r p r i s ea n di ti sb e n e f i to n s p e e d i n gu p t h ei n f o r m a t i o np r o c e s so ft h em a n u f a c t u r ep l a n t f i r s t l y , t h e a r t i c l ea n a l y z e st h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n ts y s t e m ， c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fh u n a nj iy o ub e n gc o m p a n y , p r o p o s e san e wd e s i g nb a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e t s e c o n d l y , t h i sa r t i c l es t u d i e st h em a i ni s s u e so fu s a g eo fi n d u s t r i a l e t h e m e to nt h ew o r kp l a n t 。i nt h ea s p e c to fr e a l t i m e ，w ep r o p o s e f u l l d u p l e xs w i t c h i n gt e c h n o l o g y ；i nt h ea s p e c to fr e l i a b i l i t y , w ed e s i g n t h en e t w o r ks t r u c t u r ew i t hr e d u n d a n c y ；i nt h ea s p e c to fs a f e t y , w eu s et w o l e v e lf i r e w a l lt e c h n o l o g i e st og u a r a n t e et h es a f e t yo ft h en e t ，w i t hf u l l y a n a l y z e d a d d i t i o n a l ，t h i s a r t i c l ee l a b o r a t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s r e a l i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l eo f t h ei n d u s t r i a le t h e r n e t o nt h e h a r d w a r e sa s p e c t ，t h es y s t e m sk e r n e ll a y e ru s e st w ol a y e rs w i t c h e sa n d t h ea p p l i c a t i o nl a y e ru s e st h r e el a y e rs w i t c h ；a n di tu s e ss e r i a ls e r v e rt o r e a l i z et h en e t w o r kl i n kb e t w e e nt h ei p ca n dt h ec n cm a c h i n et 0 0 1 o n t h es o f t w a r e sa s p e c t t h ep cm o n i t o rs o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nt h e d e l p h i 7 0 p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，a n dr e a l i z e s t h ef u n c t i o no f r e a l t i m ec o n t r o l ，d a t ad i s p l a y , r e s u l tr e p o r ta n dp r i n t i n g a n dl a s t t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ec o m p o s i t i o no fn e t w o r k - i n d u c e d d e l a ya n dt h em a i nf a c t o r sw h o a f f e c td e l a y s ，s i m u l a t e st h ed e l a yo ft h e s t a rt o p o l o g ya n dt h et r e et o p o l o g yi no p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o n s o f t w a r e t h er e s u l ts h o w st h a tt h et r e et o p o l o g yi sb e t t e rf o rt h e r e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a le t h e m e tt h a nt h el i n et o p o l o g yw i t hs i m u l a t i o n ， a n dp r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea p p l i c a t i o nt h a tt h i sa r t i c l ep r o p o s e d 1 i k e yw o r d s ：i n d u s t r i a l e t h e r n e t ，m e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e m ， c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，r e a l t i m ec a p a c i t y ，o p n e ts i m u l a t i o n i 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论弟一早殖v 匕 “基于以太网的数控车间测控网络系统的研究与应用来源于湖南机油泵股 份有限公司与中南大学共同开发的项目“质量在线监控系统 。 1 2 课题研究背景 车间在制造领域起着支撑作用，制造车间作为整个制造过程的最终执行者和 实时信息的采集者，在制造系统中是一个非常重要的环节。以往的技术研究，更 多地把注意力放在工厂运行模式的研究上，近年来加强了对车间运行模式的研 究。因为车间运行模式直接面向生产任务、产品、加工设备、物料系统等。从管 理的角度出发，车间的管理涉及到：生产计划、调度管理；人员管理；工艺管理； 刀具管理；物资管理等诸多方面。实现车间级的信息集成，对制造业信息化的发 展起着重要的作用【。 数控机床是机械制造车间中使用最广泛的设备，具有加工精度高、生产效率 高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益好等优点【l l 。 在我国，数控机床在实际生产中的应用越来越广泛，但在国内企业中，除了 少数机床以柔性线方式运行外，大多数都处于单机运行方式，使用水平和利用率 较低。而且许多机床仍然停留在在线编程或依靠软盘传输阶段，无法实现资源共 享，从而形成了信息化孤岛【2 1 。此外，由于历史和经济的原因，我国机械制造车 间普遍存在多种数控系统并存的情况，这些数控系统生产年代不一，生产厂家多， 品牌型号杂，档次差别大，给车间设备的信息集成造成一定的困难。 随着计算机网络技术的发展和车间制造自动化的需要，尤其是现场总线以及 工业以太网技术的发展，越来越多的企业把工业以太网技术应用在对车间级的信 息集成系统中，从而简化系统通讯结构、降低成本、提高系统的可靠性【2 1 。但是 国内大部分数控机床中，只具备串行接口，无法直接构建基于工业以太网的车间 测控网络系统。 1 3 课题研究目的和意义 本课题针对湖南机油泵股份有限公司现阶段只具备串行接口的数控机床，且 中南大学硕士学位论文第一章绪论 串行通讯协议多样的现状，以其精加工车间的生产现场为背景，采用基于工业以 太网的现场设备组网方式，对车间串行异构数控机床的测控系统进行了研究和实 现。其研究意义主要体现在： ( 1 ) 探索种符合机械制造车间特点的经济实用的网络通讯结构：为湖南机油 泵股份有限公司提供了一种合适的网络通讯结构，对车间自动化以及工厂自动化 都具有重要意义。充分利用了现有的数控机床和其它数字设备，具有投资小、见 效快、易于实现人机交互等优点。 ( 2 ) 解决车间目前存在的异构数控系统并存的集成问题：由于历史和经济的原 因，该车间存在着生产年代不一，档次差别大，品牌杂多的数控系统，而且系统 的通信接口不完全一样，给车间的数字设备集成造成非常大的困难。因而数控车 间测控网络系统的研究对车间异构数控设备的信息集成具有重要意义。 ( 3 ) 应用前景广阔：我国机械制造车间正面临着技术改造、结构重组等问题， 目前正在寻找能使企业、车间更加具有生命力、竞争力的运行模式。基于工业以 太网的数控车间测控网络系统是一个投资少、见效快的车间自动化模式，尤其适 用于小批量、多品种的制造车间，具有广阔的应用前景和很好的推广应用价值【3 1 。 1 4 国内外研究现状及发展趋势 1 4 1 以太网技术 为了使系统不局限于某一种传输介质，在2 0 世纪7 0 年代，d e c 、i n t e l 和 x e r o x3 家公司开发研制了以太网，以太网也因此而取名。以太网采用的是载波 监听冲突检测( c s m a c d ) 的多路访问控制协议1 4 1 。以太网技术( e t h e m e t ) 以 太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，在没有任何标准化组织支 持的情况下发展得非常迅速，基本垄断了商业领域的网络市场。随着控制技术与 信息技术的结合，以太网和t c p i p 逐渐进入到过程控制领域中逐渐。主要从以 下几个方面体现其优势【4 】： ( 1 ) 成本低，应用广泛：以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，已被 使用多年，有丰富的软、硬件支持，有大量从事开发和维护的技术人员；而且产 品价格相对低廉。 ( 2 ) 性能高，发展迅速：以太网的速度从1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 已发展到千兆。 以太网是理想的高性能网络载体，由于高速以太网的帧格式不变，使其升级成本 低，向下有很好的兼容性1 5 1 。 ( 3 ) 以太网使用了t c p i p ，真正实现网络的无缝连接：可以使测控网和信息 网统一起来，实现测控网络系统真正意义上的开放性和互操作性。 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 高速以太网和交换式以太网的结合使得其在实时性方面的性能大大提高。 1 4 2 从以太网到工业以太网 一般来讲，工业以太网，在技术上兼容商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 ) ，而在 产品设计时，需要从产品的强度、材质的选用、适用性等方面出发，满足工业现 场对实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等的要求【6 j 。 随着互联网技术的发展与普及推广，以太网传输速率得到了大大提高，另外， 以太网交换技术的迅速发展，给以太网通信非确定性问题的解决带来了希望。由 于工业自动化系统向分布式、智能化的实时控制方向发展，用户对统一的通信协 议和网络的要求日益迫切1 7 j 。这样，以太网逐渐从办公自动化走向工业自动化。 来自美国权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 的报告指出，商 业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，不仅将继续被以太网垄 断，以太网和t c p i p 将必将成为器件总线和现场总线的基础协议，领导未来现 场总线的发展。该调查报告还指出，随着e t h e m e t 的市场占有率的迅速增长，其 在工业控制领域中的应用将越来越广泛【8 】。 由于工业以太网可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为 是未来测控网络的最佳解决方案。工业以太网有“一网到底”的美景，已然成为现 场设备控制中的主流技术【9 】。 1 5 本课题的研究内容和论文结构 本论文以湖南机油泵股份有限公司加工中心的异构数字设备为背景，全面研 究了与测控网络系统有关的应用现状、系统架构以及构建该系统统所涉及的关键 技术，并在此基础上提出并设计了数控车间测控网络管理系统，最后对该系统的 时延进行了研究与仿真，证明本系统设计的可行性。本论文的结构如下： ( 1 ) 探讨了车间数字设备集成联网的紧迫性，从而明确研究的必要性，并对国 内测控网络系统的研究现状和发展趋势进行了评述和分析。 ( 2 ) 系统总体设计：分析湖南机油泵股份有限公司的加工中心在实际发展过程 中所遇到的问题，概括出车间的相应需求，结合企业现状，提出了一种适合企业 发展的系统总体框架，确定系统的功能与运行模式。 ( 3 ) 针对基于以太网的测控网络系统的相关关键技术进行了深入的研究，主要 包括交换式以太网技术、虚拟局域网、双机热备冗余、二级防火墙的设计。 ( 4 ) 系统的硬件实施方案：提出了系统的总体硬件结构组成，进行了系统硬件 配置及网络的构建，对车间现场的抗干扰能力进行了研究与设计。 ! 堡塑董塑坠蟹型塑堡墨一 苎二童堕笙一一 月 日 ( 5 ) 采用m i c r o s o f t 的a d o 数据库引擎技术，运用交互式和开放的数据存储技 术，采用模块化的设计思想，利用d e l p h i 软件开发了一个异构数字设备测控网 络管理系统，主要包括厂级管理级和车间通信级两大模块。 ( 6 ) 针对车间现场的实时性问题进行了深入的探讨，并采用o p n e t 对系统时 延进行仿真。 ( 7 ) 总结和展望，对本论文的研究成果进行简要的总结，并提出今后努力的 1 6 本章小结 本章简要概述了课题的来源、研究目的和意义，然后重点阐述了以太网应用 于车间现场的生产技术现状，以及测控网络系统中相关应用技术在国内外各领域 内的发展状况，最后提出了本课题研究的主要任务和内容。 4 中南火学硕上学位论文第二章系统方案分析与设计 第二章系统方案分析与设计 2 1 车间网络的需求分析 2 1 1 系统的现状以及当前存在的问题 湖南机油泵股份有限公司是中国目前最大的机油泵制造企业，主要产品有汽 油机、柴油机用机油泵、动力转向泵、输油泵、水泵和工程机械液压泵等动力配 套机械以及精密齿轮、黑色铸造件和有色金属压铸件等。由于该公司精加工车间 需要完成零件的精加工工序和复杂工序，所以该公司从八、九十年代起就购买了 许多数控设备，如f a n u co m 、f a n u co i 等数控系统，这些设备柔性好，加 工精度高，能满足制造过程中的需求。 在网络方面，湖南机油泵股份有限公司已经建立了自己的企业网，能够实现 厂级监控中心和各车间办公室之间的网络互联。但是，由于车间现场环境的限制， 加上对于车间现场安全问题的考虑，车间办公室与加工车间现场之间没有任何的 计算机网络。 数控设备方面，湖南机油泵股份有限公司主要为日本f a n u c 的传统封闭式 数控机床，自动化程度不高。其中，主要包括1 6 台数控机床，通信接口均为串 行r s 2 3 2 r s 2 3 2 c 接口。数控系统的操作面板上只有少数几个常用的字母和数 字，具有很大的使用局限性。另外，还有4 台性能测试台，均采用工控机作为直 接控制设备。 这些数控设备在精加工车间位置比较分散，最远的两台设备之间相隔1 0 0 多米，而且数控设备的强电控制柜较多，导致强烈的电磁干扰加上长距离的通信， 对车间内数据的传输造成很大的影响。 2 1 2 新系统的功能需求 针对加工车间的具体情况，湖南机油泵股份有限公司提出了构建基于工业以 太网的数控车间测控网络系统的需求，对新系统的功能提出了以下几点要求： ( 1 ) 异构性：由于加工中心车间内存在各种不同型号的数字设备，分别采用不 同通信协议，所以新系统必须支持多种通讯接口。 ( 2 ) 实时性：在车间现场，车间办公室系统与数控设备间存在大量信息交互， 基于工业过程中的实时性要求，系统必须应具有快速响应性能。 ( 3 ) 自治性：车间的每一台数字设备的本身就是一个独立的智能控制单元，需 中南大学硕士学位论文第二章系统方案分析与设计 要能够独立完成生产加工任务。 ( 4 ) 可扩展性：当生产计划发生或者生产模式的改变时，会导致生产任务的变 更，因此该系统应具备可重构、可裁剪与可扩展的特性。 2 2 系统总体结构 2 2 1 系统在整个企业信息系统中的定位与功能 由于车间测控网络系统的许多信息来源于企业管理上层信息系统，与之有着 密切的关系，所以在进行系统的总体结构设计之前，首先简要地介绍一下企业信 息系统的结构。企业的信息系统结构通常包括计划层、执行层和控制层三层。系 统模型如图2 1 所示u o l 。 图2 - 1 企业信息系统模型 企业规划层一般以交付订单信息为信息源头，通过生产计划的编制、分解、 生成车间的生产计划，通过对工厂的粗能力平衡和车间级能力平衡来确定该生产 计划的可行性。然后通过相应的数据接口将该计划下达至车间级。 执行制造层强调的是计划的执行，它通过制造执行系统把企业上层与车间现 场控制部分有机的集成起来。 过程控制层强调对设备的控制，在本文中，该系统的设备控制层输出数控设 备的加工状态信息、当前加工坐标信息、以及当前数控程序等的相关信息，以及 与数控设备运行状态相关的报警信息等。 本系统涵盖了图2 1 模型中的执行层与控制层的部分功能。针对湖南机油泵 股份有限公司的精加工车间的实际应用，本章接下来的主要内容是对车间局域网 与设备控制网进行研究与设计。 2 2 2 车问局域网通信方案选择 本文提出的车间局域网采用基于t c p i p 协议的快速以太网，利用屏蔽双绞 6 中南人学硕- 上学位论文第二章系统方案分析与设计 线构建树型网络拓扑结构。同时，该局域网通过交换机等传输设备与企业网相连 以实现更广泛的信息集成，从而实现与厂级服务器、企业各个机构和各车间办公 室之间的网络互联，为将来跨车间运行奠定了基础。这种方式有利于实现车间局 域网与其它系统网络之间的通信与信息共享。 采用i n t r a n e t 技术，建立以客户服务器为核心的车间内部局域网，使各数控 设备能够独立工作的同时又可以通过车间局域网实现资源共享；同时，系统的可 扩展性能好，可根据车间需要增加或减少设备数量，并且对系统的其它部分几乎 没有影响；该车间网络提供高速的数据通讯，构建多用户的数据库，采用分布式 处理模式，保证了数据完整、安全。 2 2 3 设备网通信方案的选择 根据车间现场情况，设备网的通信问题，包括两个部分：数控机床与计算机 的通信、性能测试台与计算机的通信；由于性能测试台的控制设备为工控机，所 以性能测试台与车间计算机间的通信方式比较灵活，可以将两台p c 机的网口连 接，实现以太网通信。因此设备网的通信，在技术上要解决的核心问题就是数控 机床与计算机之间的信息交换与互联问题。因此本节首先将对数控机床的通信接 口进行研究与分析，并确定设备网的通信方案。 目前，在我国大多数企业中，存在多种档次的，不同类型的数控机床，常见 的数控机床通信接口有穿孔机输入接口、纸带阅读机输入接口、i t s 2 3 2 接口、 d n c 接口、网络接口等。 通常，低档数控机床无通信功能，而高档数控具有联网功能，有高性能的通 信接口如m a p ( m a n u f a c t u r ea u t o m a t i o np r o t o c o l ，制造自动化协议) 等。一般的中 档数控产品具有i t s 一2 3 2 c 或d n c 等接口i l l 】。湖南机油泵股份有限公司在购置数 控机床时出于应用实际和节约成本的考虑，且由于当时数控机床的发展水平限 制，购买的为仅具有r s 2 3 2 c 通信接口的传统封闭式数控机床。针对基于 r s 2 3 2 c 通信接口的数控机床联网方式，目前国内有如下三种典型的结构： 1 计算机直接控制 每台机床都直接与计算机连接，如图2 2 所示。 这种方式适合数控设备布置较为分散的企业，它的优点是方便直观、可靠且 技术要求不高，并且由于计算机一般离机床很近，可用于大数控程序的在线加工。 但是由于各台设备之间没有联系，不能实现多台设备的集中测控和管理。 7 中南大学硕士学位论文第二章系统方案分析与设计 图2 - 2 计算机直接控制 2 多串口组成的计算机集中控制 由计算机、多串口装置和光电隔离的长线电缆组成，该方案对于数控系统类 型较为单一的企业更为适合。系统结构如图2 3 所示。该方案的特点是可实现超 远程数据通信，但是由于计算机与机床相距较远，通信时需要技术人员在两边操 作，不方便。另外，也不便于进行大数控程序的在线加工。 图2 - 3 多串口装置组成的计算机集中控制系统 3 多串口装置和集成服务器的计算机集中控制 由一台计算机、多串口装置和集成服务器三部分组成，该方案构成一个功能 非常强大的现场设备数据交换平台，如图2 - 4 所示。 计算机ir s 2 3 2 集成服务器 一t 西夏 i i 坠兰! 兰 数控机床 多串口装置 r s 2 3 2 图2 4 多串口装置、服务器组成的计算机集中控制系统 中南大学硕士学位论文 第二章系统方案分析与设计 多串口服务器决定了一台计算机可控制的数控机床数量，特点是：允许多台 数控机床同时与计算机通信，同时，由于所有操作由现场人员在机床集成服务器 上进行，上位计算机可实现无人值守，该方法简便直观】。虽然该系统功能强 大，但整个系统设计对技术水平的要求很高，而且硬件需求量大，系统成本较高。 以上三种方案采用的都是串行通信网络，这也是目前在车间中应用最多的一 种通信方法，其通信速率一般在l1 0 9 6 0 0 b i t s 之间。这种通信方法存在许多缺 点：传输速率低、传输距离短且容易出错，抗干扰能力差，另外，由于所需工控 微机多，管理和维护工作量大，造成系统投入成本高。 鉴于串行通信网络中存在的问题，有些学者提出了采用现场总线的通讯方 法。 现场总线技术( f i e l db u s ) 是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初发展起来的，主要应 用在工业现场与微机化控制设备间的一种先进工业控制技术。现场总线技术能够 实现双向串行多节点数字通信。由于这种通信协议采用自己的专用协议，不同的 厂商与不同设备之间难以做到互操作，且必须要有相应的开发工具和开发平台， 导致价格比较昂贵【1 2 】。 为此，本文提出了一种新型的以太网式的车间测控网络系统结构。在该系统 中，把车间办公室的以太网直接延伸到数控机床与性能测试台设备，车间底层设 备通信网络选择工业以太网，实现“一网到底”。其网络拓扑如图2 5 所示。 l计算机卜一交换机 i 坠幽 l i r s 2 3 2 t c p l p 。- 。一 i 协议转换模块 i，一 l r $ 2 3 2 i t r s 2 3 2 _ _ _ 。- _ _ _ _ _ - 。- 。一 n 群数控机床 图2 - 5 基于串口服务器的数控系统结构 为了使这些数控设备顺利地接入测控网络，将仅带r s 2 3 2 通信接口的数控 机床连入车间局域网，本系统中采用了r s 2 3 2 与t c p i p 的通讯协议转换模块， 该方案中的协议转换模块采用串口服务器。机床与串口服务器之间采用的是串口 通信，而串口服务器与控制主机之间是通过以太网通信的，其协议为t c p i p 。 该系统相比于传统的串行通信网络与现场总线结构，有如下的优点： ( 1 ) 相比于串行通信的点对点式结构，该系统可大大减少了计算机的数量， 可减少企业的一次性投资，是一种简洁有效的方案。 9 中南大学硕士学位论文第二章系统方案分析与设计 ( 2 ) 无须像现场总线那样以数控计算机作为信息整合的接口，相比于现场总 线结构，减少了系统的复杂性。整个车间信息网与数控设备的通讯网络得以统一， 构建了一个完整、通透、一致的车间信息网络。 ( 3 ) 可以实现用户远程监控功能。在任何时候、任何地方，只要拥有权限， 用户可以实时监控机床的运转情况【1 3 】。 ( 4 ) 抗干扰能力强。由于采用的是屏蔽双绞线，相当于4 - 2 0 m a 模拟传输线路， 能够有效地在长距离与在高传输速度下，保持数据传输的稳定性。 ( 5 ) 为适应各种不同制造任务的需求，车间内的工控机、各c a d 、c a m 工作 站等和数控设备通过车间以太网实现资源的共享，任意一台数控设备可以实现与 工控机和工作站的通信。 ( 6 ) 通过在车间工控机端构建一个统一的信息平台，管理全部的数控设备， 实现异构数控设备的集成。针对不同类型的数控设备，可以开发不同的通讯程序， 然后建立通讯协议库，选择合适的通讯协议下载到车间工控机f 1 3 】。 2 3 基于工业以太网的系统通信结构 2 3 1 以太网用于车间底层网络的可行性 因为以太网最初的设计并没有考虑工业要求，因此存在着许多工业应用上的 缺陷。以太网采用c s m a c d 碰撞检测方式，是其在工业自动化领域应用受到限 制的重要原因。c s m a c d 存在着不确定性，不能满足工业控制的实时要求，尤 其是当在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时。以太网在车间底层网络中的应用是脆弱 的，缺乏确定性、鲁棒性等，且存在不可预见性【1 3 】。 其在过去的十几年中，在确定性、速度和信息优先级方面，以太网标准有了 许多进步，上述问题已经得到很好的解决。随着工业以太网的快速发展，工业自 动化通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。从嵌入式系统 到现场总线，以至于工业控制中的每一块领域，都意识到以太网和t c p i p 的重 要意义。 ( 1 ) 提高确定性的重要措施是减轻网络负荷。同样的通信量，通信速率的提 高意味着网络负荷的减轻，如今，以太网的通信速率不断在提高，从十兆到百兆， 甚至于目前的千兆以太网都开始在局域网、城域网中普遍应用。万兆以太网也正 加紧研制【1 4 】。 ( 2 ) 产生于1 9 9 2 年的交换技术避免了多个网上设备之间同时通信时的冲突发 生，它的快速发展已经消除了以太网应用于测控领域的障碍。 ( 3 ) 现代以太网采用屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 - - - 2 0 m a 模拟传输线相 1 0 中南大学硕士学位论文第二章系统方案分析与设计 当，如果采用光纤通讯，则可以具备更强的抗干扰能力。 采用工业以太网结构既可以利用原有的设备资源，减少投资，又可以实现企 业管理信息和加工信息的无缝连接。通过办公自动化网络与车间自动化数控设备 网络的直接连接，实现了全企业信息的完整性、通透性、一致性【1 5 】。因此，以 太网应用到车间底层网络系统中是可行的。 2 3 2 网络拓扑图以及车间结构运行模式 网络拓扑结构如图2 - 6 所示。数控机床通过串口服务器接入车间网络，性能 测试台直接连接通过车间交换机接入网络。 其中的车间服务器负责与数控设备的通信管理，主要完成数控机床的设备管 理、状态信息采集、和数控程序文件管理等功能。c a d 等车间工作站完成产品 工艺设计、数控程序生成和其它信息的管理等。这些车间工作站的实体与车间服 务器一样，都是采用的工控机，但是它们在车间测控网络中承担不同的责任。 乏，企业网 网络服务器c a d 工作站c a m 工作站其他工作站 车间局域网 ( i 车间服务器 l 群串【】服务器硝串口服务器n 撑串口服务器 l 撑数控机床l 撑数控机床n # 数控机床 图2 - 6 系统网络拓扑结构 车间结构运行模式如图2 7 所示，所有的车间工作站与数据库( 如c a d 、 c a m 数据库等等) 都挂在车间局域网上，可以方便地通过车间网络交换各种信 息：如数控设备信息、数控程序、状态信息、制造信息。随着车间需求的扩展， 未来可能会根据需要增加物料贮运工作站等，这些辅助设备都可以挂在局域网上 进行统一管理。 ! 壁堕羔塑翌苎丝塑垒墅一一 蔓三皇墨竺查塞坌堑皇丝盐 一一4 0 一十月、_ l j 术川1 ：，l 叫啦p l 企业网 2 4 本章小结 图2 - 7 车间运行模式 本章首先对湖南机油泵股份有限公司的企业生产现状进行了简介，尤其对精 加工车间的的现场情况与当前存在的问题进行了分析，针对企业提出的新系统需 求，明确了设计的目标，然后提出了基于工业以太网的车间测控网络系统的结构 模式，并研究了车间局域网与设备控制网的构建框架，以及车间的网络拓扑图与 运行模式。 1 2 中南大学硕士学位论文第三章以太网应用于数控车问测控网络中的关键问题研究 第三章以太网应用于数控车间测控网络中的关键问题研究 以太网是一种应用前景非常好的局域网协议，具有成本低、带宽高、开放性 和互联性好等优点，但以太网的许多标准都是基于办公环境制定的，主要用于商 业网络中。因此，将以太网应用于车f j n 控现场仍存在一些问题【1 6 1 。本章针对 车间测控网络系统，从系统的实时性、可靠性和安全性三个方面的问题进行研究。 3 1 实时性 3 1 1 车间测控网络系统对通信实时性的要求 不同的应用场合对通讯实时性的要求不同。在车间测控网络系统中，当进行 数控程序传输时，5 0 0 m s 的时延已经可以满足要求了，传输视频数据包时，这个 要求就变成了l o o m s 。但是当数控机床处于在线加工状态时，由于需要维持稳定 的机床数据采样率，保证足够大数据的刷新率、而且刀具轴的运动要求同步工作， 所以此时对实时性的要求则更加严格。一般来说，系统响应时间在2 3 m s 之间， 几乎可以满足各种测控系统的要求。 3 1 2 以太网通信的“不确定性 以太网m a c 层采用c s m a c d 协议，该协议决定了报文传输缺乏确定性， 成了以太网在工业控制领域应用的最大障碍之一【1 1 7 1 。 c s m a ( 载波监听多路访问，c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 是一种总线争用技 术，这种介质控制方式对任何节点都没有预约发送时间，节点发送是随机的( 或 是由事件触发的) ，当多个节点同时向总线发送数据时，就需要一个竞争的规则。 c s m a 规定任何要发送数据的节点首先监听总线是否空闲，如果空闲则可以发 送，如果总线忙，则需等待一段时间间隔后重发。在监听总线，决定是否发送时， 可以采用三种退避算法：( 1 ) 不坚持算法；( 2 ) 坚持算法；( 3 ) p 坚持算法。 传统共享式以太网采用的c s m a c d 总线仲裁方式，从c s m a c d 的工作机 制中可以看出，使用c s m a c d 的以太网从根本上是非实时的。各节点之间的信 道竞争使得网络时延具有随机时变性。很显然地可以看出，根据3 1 1 中分析中 的车间测控网络系统对实时性的要求，如果将商用以太网的模式直接照搬到车间 现场是行不通的，必须对车间现场以太网的使用采取一些方法措施。为了解决这 个问题，在本系统设计中主要采用全双工交换式以太网技术。 中南大学硕士学位论文第三章以太网应用于数控车间测控网络中的关键问题研究 3 1 3 全双工交换式以太网技术 交换技术在以太网中的引入为从本质上解决其通信的确定性提供了保证。当 采用全双工微网通信方式后，每个节点都具有独立的冲突域，不再受限于原有的 c s m a c d 工作方式，可以随时发送和接收数据，大大改进了以太网通信的实时 性，为以太网应用在工业控制现场提供了可能性。传统的以太网采用共享式集线 器，它将个端v i 接收的数据发送到其他所有端1 3 ，连接在其上的所有站点共享 一个带宽，并遵循c s m a c d 协议进行发送和接收数据。而交换式以太网采用的 交换机能同时连通许多对端口，每个端1 3 是一个冲突域，每个冲突域只包括一个 点对点的连接，进入的数据包在分析以后直接发送给目标站点，这就使得每一对 端口都能像独占通信媒体那样无冲突地传输数据【1 7 1 1 8 l 。传统以太网和交换式以 太网数据传输比较如图3 1 所示。 传统以太网交换式以太网 图3 1 传统以太网与交换式以太网数据传输比较 在采用以太网交换机之后，交换机通过检查报文的目的地址，只将报文转发 到其目的端口。如有设备采用全双工通讯模式，控制报文将在各自的闭环系统中 流通。采用这种方式使报文传输的实时性问题从根本上得到了解决，完全避免了 碰撞。由于工业以太网交换机具有较大的缓冲区，当网络中两个节点( d t c ) 同时 向同一个节点( g a c ) 发送数据的时候，将报文先存储在缓冲区内，然后当目的节 点数据输入线空闲时，再逐输入。这种方式下的排队延时的最大值是可以预测 和分析的1 1 9 1 ，并且是主要的延时来源，其数值相对碰撞延时而言小得多。 通过以上分析可以看出，交换式以太网的出现为数控车间测控网络系统的实 时性的实现提供了可能。因此，在系统的设计中，核心层与分布层将分别采用二 层交换机与三层交换机，该方案的详细研究与具体实施过程在4 2 1 中将做阐述。 3 1 4 虚拟局域网技术 据3 1 3 节的分析可知道，车间测控网络采用交换式以太网，数据传输的碰 1 4 中南大学硕士学位论文第三章以太网应用于数控车间测控网络中的关键问题研究 撞问题得到了很好的解决；但由于系统中各个单元等仍属于同一局域网络，因此 这样存在广播风暴的隐患，而且有可能波及到车间现场数控设备单元，从而影响 工业控制现场的实时性。针对这种情况，本文采用了虚拟局域网技术，在车间测 控网络的开放平台上做逻辑分割，把原本的单个广播域分割成几个不同的部分， 克服物理位置的限制，更加合理地使用带宽，从而保证现场单元免遭广播风暴的 影响，确保现场单元的通信实时性以及现场的安全性。 如图3 2 所示为虚拟局域网的结构，隶属于不同交换机的计算机可以属于同 一虚拟子网v l a n ；同一个v l a n 中的两台计算机可以自由通信，但是v l a n l 中的广播不会发往v l a n 2 、3 中，如果v l a n l 中的计算机要与v l a n 2 中的计 算机通信，数据包要经过三层交换机路由。由此可以看出，每个v l a n 都是独 立的广播域【2 。两个二层交换机之间以1 0 0 m 的快速以太网链路作为主干，同时 传输各虚拟局域网的数据。 v l a n i v i , a n 2 图3 - 2v l a n 结构示意图 针对工业网络，通常可以采用静态端口分配、动态虚拟网和多虚拟网端口三 种方式来划分虚拟局域网。其中，静态端口分配的方法比较麻烦，但比较安全， 容易配置和维护，比较适用对安全要求高且结构变动小的工业环境；而动态虚拟 网比较灵活地，可以根据需要改变交换机端口；多虚拟端口配置支持一用户或一 端口可以同时访问多个虚拟网，这种方法更适合于监控计算机，可配置多个虚拟 网，同时监控不同现场控制单元，且彼此不会受影响。 结合上述三种划分方式，将整个车间网络划分为三个v l a n ：车间工作组 v l a n 、数控机床监控组v l a n 、性能测试台监控组v l a n 。车间工作组v l a n 由车间工控机组成，在本文配置交换机端口时采用动态虚拟网的配置方式，因为 1 5 中南大学硕士学位论文 第三章以太网应用予数控车间测控网络中的关键问题研究 这是一个信息访问量大、实时性要求不高的v l a n ；机床监控组v l a n 将精加 工车间的数控机床与车间服务器组合在一个v l a n 中，实现车间服务器对数控 机床的数据采集、实时监控、在线加工等功能，其中还包括厂级监控中心的服务 器。性能测试台组的v l a n 配置与数控机床组类似。后两组由于结构基本固定 不变，因此应采用静态端口分配方式配置交换机。 对于厂级监控中心的计算机，其对应的交换机端口配置均采用多虚拟网端口 配置以方便这些主机访问其他v l a n 中的主机。 由于虚拟局域网与外部通信必须通过路由选择，因此在车间测控网络系统 中，为保证不同v l a n 之间数据的快速传递，三层路由采用是将路由技术与交 换技术合二为一的三层交换机技术，消除了路由器进行路由选择而造成网络的延 迟，提高了数据包转发的效率。关于三层交换技术将在文4 1 2 中具体阐述。 3 2 可靠性 3 2 1 网络冗余设计 在车间现场网络中，网络通信服务中断将可能导致严重的后果，而将决定网 络可靠性的好坏有多个因素，包括设计方案的质量、连接器的选用、安装方式、 网络管理等；设计方案中的冗余设计是其中很重要的一剧2 1 】，根据车间现场的 需要，本文的冗余设计主要针对测控网络系统的核心层交换机。 1 冗余理论基础 为了保证系统可靠地工作，须在系统设计中增加多余的硬件设备，按冗余理 论分析，这就是冗余。按结构可分为工作冗余( 热备用) 、后备冗余( 冷备用) 和表 决系统三种【2 2 】。热备用冗余是使若干同样装置并联运行，只有当组成系统的并 联装置全部失效时系统才不工作。并联冗余网络如图3 3 所示。 ： ： 厂i 1 竺!r i 厂z 图3 - 3 并联冗余网络的逻辑图 假设由可靠度为0 8 0 的2 台装置组成并联系统，按并联系统的可靠度计算公 式可得： r = ( 1 一r 1 ) ( 1 一r 2 ) = o 9 6 ( 3 一1 ) 1 6 中南大学硕士学位论文第三章以太网应用于数控车间测控网络中的关键问题研究 并联系统的可靠度的时间函数式为足( t ) = e 一却+ p 一幻+ p 一( + 如) ， ( 3 2 ) 通过对系统可靠度r s ( t ) i - h0 到积分求得该并联系统的平均故障间隔时间： m t b f = 【r s ( t ) d t = 1 似+ 1 五+ 1 ( + 如) ( 3 3 ) 现在，辞辟名， 故m t b f = 5 1 2 t 。 、五分别为装置一、二的失效率，五为同类装置的失效率，从式3 3 中可 以看出，随着时间的推移，z 逐渐趋于稳定。 由此可见，与单装置相比，2 个装置组成的并联系统的平均故障间隔时间 m t b f 是原来的2 5 倍。所以，采用了冗余技术的控制网络的平均故障间隔时间 会大大减小圈。 2 车间测控网络冗余设计 除选用高可靠性的交换设备外，核心层设备必须配有冗余设备和链路。核心 层设备是整个车间测控网络的通信枢纽，一般采用两种方式实现冗余设计：双机 热备与冗余环【2 3 1 。 在本系统中，由于车间现场空间跨度较小，并且数控机床的位置地域跨度很 小，相对比较集中，因