網(wǎng)絡技術推動了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)結構的變革。這篇文章分析了NetLinx的體系結構，對其典型網(wǎng)絡(以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設備網(wǎng))的特性進行了介紹，詳細論述了基于NetLinx的工業(yè)控制網(wǎng)絡與ERP(企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)的集成應用。
一、引言
隨著計算機技術、通信技術、控制技術的發(fā)展，信息交換的領域正迅速覆蓋工廠的現(xiàn)場設備、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)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)。而現(xiàn)在多數(shù)工廠里不同廠家的產品、 數(shù)種網(wǎng)絡并存，難以將這么多的設備、網(wǎng)絡、協(xié)議整合運行，這就嚴重地降低了生產效率，增加了成本，降低了企業(yè)的快速反應能力。面對企業(yè)從底層到頂層全方位 自動化的要求，在自動化領域世界領先的羅克韋爾自動化推出了一種無縫集成的開放式結構——NetLinx作為解決方案。
目前在世界范圍內，工業(yè)特別是汽車制造業(yè)正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。充分利用先進的自動化技術和管理方式， 可以增強生產運行的高效性，滿足市場需求，保持競爭的領先地位，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 生產廠家，生產的獵豹汽車占據(jù)當前全國越野車43%以上的市場份額。但隨著生產規(guī)模的不斷擴大，在生產和物流管理方面存在的問題日益突出，已經成為阻礙公 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)絡在工業(yè)設備和高層設備之間提供連接，將底層的現(xiàn)場設備的控制和信息采集、中間層的協(xié)調控制 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，增強企業(yè)市場競爭力。
二、NetLinx的體系結構
NetLinx是羅克韋爾自動化利用開放式網(wǎng)絡技術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)絡系統(tǒng)與設備有機地結合在一起，用以監(jiān)控生產，將信息流擴展至整個生產過程，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，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))之間進行交換傳遞，從而 建成一個透明的、開放式結構體系的自動化系統(tǒng)。
NetLinx基于三級網(wǎng)絡層：信息層、控制層以及設備層。其系統(tǒng)結構如圖1所示，各層網(wǎng)絡的功能非常明晰。
信息層。這一層采用符合標準TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)結構，它提供上層計算機系統(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、設備維護管理、生產流程以及物流跟蹤服務，同時可以使計算機訪問使用結構化查詢語言(SQL)的開放性數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)管理員可在這層網(wǎng)絡上 對系統(tǒng)進行監(jiān)控，對控制器中的程序進行修改，使計算機系統(tǒng)存取生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)達到實時監(jiān)控的目標，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。
控制層。它在各個PLC之間及其與各種智能化控制設備之間進行控制數(shù)據(jù)的交換、控制的協(xié)調、網(wǎng)上編程和程序維護、遠程設備的組態(tài)，編程和故障處理，也可以 連接各種人機界面產品進行監(jiān)控。這一層上的網(wǎng)絡稱作控制網(wǎng)，采用CIP(Control and Information Protocol)協(xié)議和生產者/客戶(Producer/Consumer)模式，這種模式允許網(wǎng)絡上的所有節(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?？刂凭W(wǎng)主要完成智能化的高速實時控制和I/O數(shù)據(jù)網(wǎng)絡以及準確的數(shù)據(jù)傳輸功能,它滿足連接PLC處理器、HMI以及其它智能化設備所需的 實時、高信息吞吐量應用的要求。
設備層。在設備層上采用的設備網(wǎng)，主要把底層的工業(yè)設備直接連接到車間控制器上，并對其進行配置和監(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)場的大量設備的高速數(shù)據(jù)的采集，極大地減少了接線。設備網(wǎng)是一種柔性地、開放性的網(wǎng)絡，可與世界上150家以上的廠商提供的產品兼容。
NetLinx與其它工業(yè)控制網(wǎng)絡相比，具有突出的優(yōu)點。它采用由Net (網(wǎng)絡)和Linx (開放式接口)組成的結構，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是基于生產者/消費者的通信模型，定義了一系列超級服務協(xié)議;它支持多播 式、事件觸發(fā)、周期性觸發(fā)等發(fā)送機制;它完全獨立于網(wǎng)絡介質，可在不同網(wǎng)絡介質中組態(tài)?？刂茖?設備層利用現(xiàn)場總線技術把現(xiàn)場設備的信息作為整個企業(yè)信息 網(wǎng)的基礎，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。這種開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，集成了多種網(wǎng)絡服務，采用通用的網(wǎng) 絡協(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的體系結構
可以方便地與Intranet、Internet連接起來，使得其本來就很強大的網(wǎng)絡功能更加強大。
三、長豐的物流系統(tǒng)
長豐在過去的生產活動中出現(xiàn)的最大問題是生產信息的不透明，管理者難以獲知每個車間的生產情況，一旦 某個生產環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，需要依靠各級管理者層層上報，經過很長時間后才能夠得到處理，造成生產流水線上積壓或停工待料后果，整條生產線的生產節(jié)奏就被打 亂，給企業(yè)帶來了相當大的損失。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，把生產信息收集到管理系統(tǒng)中，使生產管理者能夠實時地獲取每個生產階段的在制品的準確數(shù)量和詳細的產品信息，一旦生產 出現(xiàn)問題，可以及時處理。在整條生產線上實施電子看板管理，可以指導生產線上的裝配工作;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，準時化生產)的一種非常有效的手段，它是把看板作為生產指令、取貨指令、運輸指令，用以控制生產和微調作業(yè)計劃，達到生產組織上高效率、高效 能、高效益的科學管理方法。它是以需求作為整個企業(yè)生產的初始拉動點，按照需求的品種、數(shù)量、時間和地點來準時地組織各環(huán)節(jié)生產，前工序僅生產后工序所取 走的品種和數(shù)量，不進行多余的生產，不設置多余的庫存，使企業(yè)形成一個逆向的、環(huán)環(huán)相扣的供應鏈。電子看板是看板管理和網(wǎng)絡技術相結合的一種信息載體，它 將車間生產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，對生產現(xiàn)場進行監(jiān)控。
長豐的生產過程分為沖壓、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和配送;必要的信息通過網(wǎng)絡一直向上游延伸至原材料、外協(xié)件的供應商處，供應商按照用戶生產線需要的時間、數(shù) 量和品種實施生產與運輸，所供應的外協(xié)件不進入用戶倉庫存儲，直送用戶生產線消耗點，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)場自動微調功能，平 順排產和物流作業(yè)，減低調度協(xié)調難度和工作量，提高系統(tǒng)化管理水平。開放的NetLinx網(wǎng)絡集成為實現(xiàn)JIT生產提供了最合適、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鍵設備的自動化控制網(wǎng)絡并入管理子網(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，實現(xiàn)自控系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)進行信息交換。
4.1架構管控一體化的網(wǎng)絡
按照NetLinx來架構具有開放結構自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡，它滿足全廠自控系統(tǒng)的擴充需要，性能穩(wěn)定、可 靠，易于并入管理信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。網(wǎng)絡系統(tǒng)由三部分組成：在車間內部，采用設備網(wǎng)連接現(xiàn)場底層設備，組成企業(yè)底層控制網(wǎng)絡;控制網(wǎng)支持數(shù)據(jù)實時傳輸，與各種 設備連接，如PC，控制器，人機界面，拖動裝置以及其它與控制網(wǎng)相連接的設備;由以太網(wǎng)處理與管理信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的連接，它在復合型結構的通信網(wǎng)路中作為管 理子網(wǎng)，傳送生產管理信息。這三層網(wǎng)絡能在相互之間并與PC機通信，有利于設備的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。羅克韋爾自動化提供的工控設備具有高兼容性、標準接 口和內置的通訊功能，功能強大的軟件產品為應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與設備與各種應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?；贜T的HMI軟件——RSView32用來動態(tài)地監(jiān)視控制和管理信息。它將設備現(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)控當前現(xiàn)場的生產狀態(tài)和重要設備運轉情況，涂裝車間生產線的工藝流程監(jiān)控如圖2所示。
圖 2 涂裝車間的生產流程
羅克韋爾自動化提供的功能強大的工業(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，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。
建立控制與管理一體化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，既能利用網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場設備的控制，人們可以在辦公室甚至在家里實現(xiàn) 遠程控制，及時準確地了解生產設備的運行情況，對生產過程進行綜合的判斷，從而實現(xiàn)生產過程的最優(yōu)控制;又可利用現(xiàn)場自控系統(tǒng)設備收集的數(shù)據(jù)為管理提供決 策信息服務。對接收信息匯總分析評估后，通過ERP系統(tǒng)來制定生產調度計劃，修正生產管理控制目標，縮短了生產信息的反饋周期，能夠有效地解決長豐目前存 在的問題。
五、結 論
本文介紹了羅克韋爾自動化的NetLinx現(xiàn)場總線網(wǎng)絡集成應用技術，它在同類的工業(yè)控制網(wǎng)絡中具有 代表性，對于現(xiàn)代新型控制系統(tǒng)的設計也具有一定的參考價值，此類開放現(xiàn)場總線網(wǎng)絡在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中的應用將越來越廣泛，特別是在企業(yè)信息化過程中將成為首 選。我們以NetLinx技術為核心，結合羅克韋爾自動化的軟、硬件，構建了一套從生產設備層到企業(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)絡和通信協(xié)議細節(jié);編程工作量小，只需對協(xié)議轉換模塊作相應組態(tài)，操 作方便靈活;系統(tǒng)可靠性較高，維護簡單。隨著而ERP的不斷推廣和深入，它的技術優(yōu)勢日益明顯，將有更廣闊的應用前景。
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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。
王明哲(1950-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為管控一體化，復雜系統(tǒng)理論
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