1 第八課 工業以太網和工控系統的多網信息集成 2 10 工業以太網industrialethernet 為什么以前不用ethernet 3 ethernet簡介 ethernet產生于上個世紀七十年代為微型計算機網絡終端通信而設計采用星型或總線型結構傳輸速率當時僅為幾m 目前已達1000m甚至更高 傳輸介質 屏蔽 非屏蔽 雙絞線 光纖 同軸電纜 粗纜 細纜 csma cd 物理層和數據鏈路層協議 4 以太網存在所謂的 不確定性 ethernet的介質訪問控制協議 csma cd 先聽后說 邊聽邊說 負荷大時 網絡會發生碰撞響應時間無法預知 實時性得不到保證自1984年現場總線產生 2000年現場總線國際標準發布 國際上均沒有采用以太網作現場總線 因此以太網通信存在不確定性 在90年代中期之前 幾乎所有的控制系統均不選用以太網 而選用令牌總線或令牌環 其實問題并沒有那么嚴重 5 ethernet的特點 6 負荷越小 通信響應時間越短 以太網通信特性負荷越小 碰撞越少負荷在10 左右時 基本無碰撞負荷在25 以下時 以太網的通信響應時間明顯短于令牌網 7 工業控制網絡通信特點 傳輸的信息量少 信息長度都比較小周期性信息較多測量 控制信息非周期性信息較少用戶操作指令 組態信息 診斷信息等等報警等突發性事件信息網絡負荷較為平穩信息流向具有明顯的方向性節點數少 8 不確定性 不再是主要障礙 ethernet的通信速率的提高 使網絡符合相同的情況下 以太網絡上的碰撞機率大大下降以太網交換技術的應用 大大減少端口之間的碰撞全雙工通信允許同時接收和發送報文幀 也不會發生沖突報文優先級的處理 9 以太網完全能滿足工業控制網絡通信實時性要求以太網具有其它網絡所無法比擬的優勢 具有低成本高速度易于組網 易于和internet連接軟硬件資源包括人的資源極其豐富培訓 維護簡單 10 ethernet應用于工業自動化 國內外自上世紀九十代中后期開始已將以太網應用于工業自動化基于以太網的dcsfuji的openax 浙大中控的jx 300x fisher rosemount的delta v等基于以太網的plc與遠程i omodicon a b gefanuc等基于以太網的現場儀表和儀器hp 浙大中控 ni等 11 foundationfieldbushse ethernet ip profinet modbustcp p netonethernet interbusonethernet 12 ethernet應用于工業現場尚需解決的問題 13 主要問題 通信實時性服務質量 qos 總線供電技術互可操作技術網絡生存性技術本質安全技術遠距離傳輸技術網絡安全技術 14 e網到底的意義 15 什么是 e網到底 控制層網絡 管理層網絡 遠程節點 web服務器 操作站 工程師站 現場設備層網絡 ethernet不僅僅用作高層網絡 而且希望將它直接和現場設備連接 實現自下而上的ethernet集成 即所謂 一網到底 16 e網到底 能帶來什么好處 享受現場總線技術的一切好處包括全分散控制 互可操作 現場設備管理 自主的系統集成權等 具有很強的可持續發展力無需專門培訓 可利用以太網的大量現有技術無需大量專用軟件 可利用ie等通用瀏覽器遠程監視控制現場對用戶的技術要求降低 17 意義 e網到底 統一從現場設備層到控制層 管理層的網絡 實現從上到下各層次的信息無縫集成 推動企業綜合自動化 信息化進程 研究基于以太網的現場總線關鍵技術 推動現場總線技術發展 18 多網絡信息集成 19 工業綜合自動化系統和信息化前言 隨著工業自動化水平的迅速提高 人們對工業自動化的要求越來越高 提出了以信息化帶動工業化的口號 現狀 普遍均存在著能耗高 成本高 勞動生產率低 資源利用率低的特點 能耗普遍比國外先進水平高出30 勞動生產率只及國外的20 30 左右 生產成本普遍高出國外的1 2倍 美國60 的石化企業應用了先進控制技術 我國不到10 在線優化技術增加收益的典型值為裝置產值的3 5 我國不到1 如何來解決這些問題 信息化的關鍵就是實現企業的信息集成和數據交換 跨平臺訪問 信息綜合利用 20 什么是工業信息化 在工業的生產 管理 經營過程中 通過信息基礎設施 在集成平臺上 實現 工業信息化 將信息技術用于企業產品設計 制造 管理和銷售的全過程 以提高企業的市場應變能力和競爭能力 這是企業信息化的主要內容和目標 數據采集 數據加工 信息傳輸 信息處理 信息綜合應用 21 2 信息化與自動化的關系 廣義自動化是指實現經營管理 計劃調度 成本核算 生產監控 故障診斷 自動控制等更大范圍內的自動化 又稱之為 綜合自動化 或稱 流程工業cims 自動化往往是指包括檢測 控制和繼電保護等常規自動化的概念 22 目前存在的三大問題 1 自動化程度不夠高 該問題日漸好轉 2 信息集成能力普遍不高 該問題日益得到重視和發展 3 信息的綜合利用率很低 這是一個很有發展潛力的方向 23 典型的工廠綜合自動化總體結構 可以分成三層結構 1 pcs processcontrolsystem 過程控制系統 2 mes manufacturingexecutionsystem 生產過程制造執行系統 3 erp enterpriseresourceplanning 企業資源管理 24 1 pcs 過程控制系統 為代表的基礎自動化層 在pcs層 以作為主要的支撐基礎 技術內容主要包括 ddc dcs plc fcs 先進控制技術 軟測量技術 傳感器技術 實時優化技術 rto real timeoptimization 實時數據庫技術 可靠性技術 數據融合與數據處理技術 多總線網絡化控制系統 基于高速以太網和無線技術的現場控制設備 25 2 mes 生產過程制造執行系統 為代表的生產過程運行優化層 主要以為主要的數據支撐方式 主要技術內容 大型實時數據庫系統 先進建模與流程模擬技術amt advancedmodelingtechnologies 先進計劃與調度技術aps advancedplanningandscheduling 故障診斷與健康維護技術 數據挖掘與數據校正技術 動態質量控制與管理技術 動態成本控制與管理技術 26 3 以erp 企業資源管理 為代表的企業生產經營優化層 主要技術內容 企業資源管理erp enterpriseresourceplanning 供應鏈管理scm servicechainmanagement 客戶關系管理crm customerrelationshipmanagement 產品質量數據管理pqdm數據倉庫技術設備資源管理企業電子商務平臺 27 工業控制網絡互聯與系統集成 28 先進制造與信息 自動化技術發展戰略 先進制造技術的一種理解 吸收機械 信息 電子 材料 能源及現代管理等方面的最新技術成果 將其綜合應用于產品開發 設計 制造 檢測 管理及售后服務的制造全過程 實現優質 高效 低耗 清潔 敏捷制造 并取得理想技術經濟效果的前沿制造技術的總稱 先進制造技術的本質是傳統制造技術 信息技術 自動化技術和現代管理技術等的有機融合 29 先進制造是由傳統制造技術與以信息技術為核心的現代科學技術相結合的一個完整的高新技術群 五大技術群 1 系統總體技術群 包括與制造系統集成相關的總體技術 如柔性制造 計算機集成制造cim 敏捷制造 智能制造 綠色制造等 2 管理技術群 包括與生產經營和組織管理相關的各種技術 如計算機輔助生產管理 制造資源計劃mrpii 企業資源計劃erp 供應鏈管理 動態聯盟企業管理 全面質量管理 準時生產jit 精良生產 企業過程重組bpr等 3 設計制造一體化技術群 包括與產品設計 制造 檢測等制造過程相關的各種技術 如并行工程 cad capp cam cae 可靠性設計 智能優化設計 綠色設計 快速原型技術 數控技術 物料儲運控制 檢測監控 質量控制等等 4 制造工藝與裝備技術群 包括與制造工藝及裝備相關的各種技術 如精密超精密加工工藝及裝備 高速超高速加工工藝及裝備 特種加工工藝及裝備 特殊材料加工工藝 熱加工與成型工藝及裝備 表面工程 微機械系統等等 5 支撐技術群 包括上述制造技術的各種支撐技術 如計算機技術 數據庫技術 網絡通信技術 軟件工程 人工智能 虛擬現實 標準化技術 材料科學 人機工程學 環境科學等等 30 先進制造技術比較 國內起步晚 存在階段性差距 主要問題有 1 產品創新能力較差 開發周期較長 我國機械制造業的新產品貢獻率約為18 09 2000年 而美國已經達到52 左右 1995年 我國大中型企業生產的2000多種主導產品的平均生命周期為10 5年 是美國同類產品生命周期的3 5倍 我國有80 以上的企業生產能力利用不足或嚴重不足 但同時每年還要進口數以千億美元國內短缺的產品 2 制造工藝裝備落后 成套能力不強 我國大多數企業目前還采用較落后的制造工藝與技術裝備進行生產 優質高效低耗工藝的普及率不足10 90 以上的高檔數控機床 100 的光纖制造裝備 85 的集成電路 ic 制造裝備 80 的石化裝備 70 的轎車工業裝備都依賴進口 3 生產自動化和優化水平不高 資源綜合利用率低 我國的能源綜合利用率僅為32 左右 比國外的先進水平低10多個百分點 我國每萬元gdp的能耗比發達國家高4倍多 工業排放的污染物超過發達國家10倍以上 31 4 企業管理粗放 協作能力較差 國際市場開拓能力弱 我國多數企業缺少現代化管理的概念 方法和手段 企業機構臃腫 我國機械工業的專業化水平僅為15 30 而發達國家的專業化水平已經達到75 95 高附加值和高技術含量的出口商品僅占我國出口商品總量的10 左右 5 戰略必爭裝備和競爭前核心技術的開發相對薄弱 戰略必爭裝備涉及國家安全和經濟命脈 對國民經濟有重大影響 競爭前核心技術在未來的國際競爭中有可能開拓新的廣闊市場或成為新的重大關鍵技術 例如 用于海洋資源開發等的大型裝備 用于高精尖設備制造的超精密加工裝備 面向it等產業的集成電路制造關鍵裝備 對未來許多行業將產生重大影響的微機電系統 mems 以及集高技術于一身的仿人形機器人等 由于國外的技術封鎖 這些裝備和技術是花錢也很難買到的 必須靠自己的力量加以解決 以上數據來自院士報告 32 國外動向 為了占領先進制造于自動化技術的制高點 許多國家提出了跨世紀的研究計劃 并把先進制造及信息技術列位重要的研究內容 例如 美國 美國國家關鍵技術 先進制造技術計劃 敏捷制造與制造技術計劃 和 下一代制造 ngm 等計劃 歐共體 尤里卡計劃 eureka 信息技術研究發展戰略計劃 esprit 和 第六屆框架研究計劃 德國 制造2000計劃 微系統2000計劃 等計劃 日本 智能制造系統計劃 極限作業機器人研究計劃 微機器研究計劃 等英國 國家納米技術計劃 nion 韓國 高級先進技術國家計劃 g7計劃 等 33 國內動向 有計劃地部署了一系列相關的重點科技項目 如 科技部組織實施的863計劃的cims技術主題 智能機器人技術主題 九五 國家科技攻關計劃的cad應用工程 精密制造技術開發與應用 數控技術與裝備 現場總線控制技術開發與應用 工業機器人應用 激光技術應用等重點項目 總裝備部在 九五 期間 組織實施了我國武器裝備先進制造技術的發展項目 航空 航天 兵器和機械等許多行業和部門在 九五 期間組織實施了行業先進制造技術項目 國家 十五 863計劃先進制造與自動化技術領域在制造業信息化工程關鍵技術的研究開發和集成應用 戰略必爭裝備和競爭前核心技術的研究開發 基礎制造裝備與成套裝備的研究開發 先進制造與自動化前沿創新技術的研究等四個方面 按照一個工程 制造業信息化工程 兩個主題 現代集成制造系統技術主題 機器人技術主題 四個專項 數據庫管理系統及其應用 微機電系統 mems 7000米深海載人潛器 集成電路制造裝備 的布局 組織開展了前沿創新技術研究 產品研發與產業化 集成應用示范工程三個層次的相關工作 34 網絡通信 信息集成和利用 前言 信息技術的飛速發展對工業控制和工業自動化提出兩方面的要求 1 利用現場總線技術 信息技術和通信技術的發展優勢 優化工業自動化的體系結構 增強系統的功能和效率 提高工廠自動化的整體性和穩定性等 2 擺脫信息孤島的問題 利用開放性技術完成企業各個層次的信息集成和信息共享 構架企業開放的信息平臺 實施企業信息化 企業信息化首先需要解決信息集成 它覆蓋現場檢測 控制 監視 過程管理 優化 調度 經營管理與決策等層次 涉及現場總線 網絡 數據庫 通信互聯 開放接口與標準等技術 35 工業通信網絡是工廠信息化體系的核心 工業通信網絡作為一種特定應用的網絡 具有自身的要求和特點 1 強實時性 不僅要求傳輸速度快 還要求響應快 通常為0 01 0 1s 2 高可靠性 由于直接面向生產過程 因此應滿足惡劣環境適應性 總線供電以及容錯能力等要求 3 力求簡潔 以降低設備成本 同時也可以提高系統的健壯性 4 開放性好 各廠商之間的產品可以相互兼容或互聯 5 增加用戶層 信息網絡通常采用iso osi的七層結構 而工業通信網絡要解決工業控制應用的問題 需要在第七層之上增加用戶層 現場總線和工業以太網是工業通信網絡發展過程中的兩個典型代表 從目前發展趨勢看 它們已經貫穿了整個企業自動化系統 36 多總線控制系統 20世紀80年代產生了現場總線技術 應該說是一個質的飛躍 它為工業自動化底層現場設備之間 現場設備與控制系統之間架起了信息化的網絡橋梁 但由于技術 經濟和政治等方面的原因 目前市場上的各種現場總線沒有統一到唯一的現場總線標準上來 如現場總線國際標準iec61158就包含了包括ff profibus hse epa等在內的十余種類型 而事實上總線標準有幾十種 而且還在不斷增加 因此出現了多種現場總線并存的局面 這些現場總線在技術上各有特色 目前它們還不能相互代替而應用到所有的領域 37 由于用戶在現場總線選型和分期投資等方面的原因 在同一個控制系統環境中 往往存在多種現場總線智能設備 在這種新形勢下 新一代分布式網絡控制系統需要考慮多種總線 多種設備的集成 如美國愛默生公司 原rosemount 的delta v系統 美國honeywell的pks系統 日本橫河的cs 3000系統 德國siemens的pcs7 abb公司的freelance 2000 浙大中控的webfieidecs 100等 都是具有與多種現場總線 如hart ff profibus hse等 接口的新型控制系統 使控制系統更具人性化 體現其先進性 通過網絡和現場總線使控制系統和被控設備組成了一個通過控制網絡體系構架的智能體 實現先進的現場總線技術與傳統控制系統有機地結合起來 多總線控制系統 38 系統信息集成 目的是解決 信息孤島 的問題 現狀 整體性原則得不到應有的發揮由于沒有統一的基礎自動化軟件平臺 各種自動化軟硬件資源 如dcs plc ipc fcs等 成為一個個 自動化孤島 效率只發揮不到40 資源浪費極大 系統信息集成的目的就是解決企業的全局優化問題 提高企業的綜合效益 要利用工業通信網絡 實時數據庫 開放接口與標準 系統集成等技術 構造企業整體自動化和信息化的解決方案 正如領導們所說的 以信息化帶動工業化 以工業化促進信息化 實現支柱產業的 信息化改造 2個層次 總線與控制網絡集成 控制網絡與信息網絡集成 39 fb并不是在所有場合都能發揮它的優點 如簡單的小規模數 模混合系統 空間分布集中的系統等等 這時采用一個 cpu 將比較方便 小系統 控制集中 的風險也不大 而現場總線的控制分散的特點需要幾種設備來實現 則顯得繁瑣 在當前和今后的一段時間內 必然存在現場總線與dcs等網絡共存的局面 因此 考慮如何實現控制網絡中異構網段情況下網絡集成的問題也是很現實的 與現場總線網絡集成通常有兩種不同的方案可供選擇 1 采用網關將dcs plc等專用網絡掛接在高速網絡上 2 使用特殊網關或通信控制器 將總線系統掛接在dcs plc網絡上 1 總線之間及其與其他類型控制系統的網絡集成 40 不同于以傳輸信息和資源共享為目的的信息網絡 控制網絡的最終目標是實現對被控對象中能量和物質轉移的有效控制 使系統安全穩定地運行 因此要求具有協議簡單 安全可靠 糾錯性好 成本低等特點 其網絡負載穩定 多為短幀傳輸 信息交換頻繁 實現控制網絡與信息網絡的緊密集成 為企業的優化控制 調度決策提供依據 可以建立統一的分布式數據庫 并保證其完整性和互操作性 便于實現遠程監控 診斷和維護功能 2 控制網絡與信息網絡的集成 41 控制網絡與信息網絡的集成可以通過以下幾種方式 1 在控制網絡和信息網絡之間加入轉換接口這種方式通過硬件來實現 即在底層網段與中間監控層之間加入中繼器 網橋 路由器等專門的硬件設備 使控制網絡作為信息網絡的擴展與之緊密集成 硬件設備可以是一臺專門的計算機 依靠其中運行的軟件完成數據包的識別 解釋和轉換 對于多網段的應用 它還可以在不同網段之間存儲轉發數據包 起到網橋的作用 硬件設備還可以是一塊智能接口網板 完成現場總線智能設備與監控計算機之間的數據通