集成網絡和信息系統技術在過程控制教學工廠中的設計與應用

雷云濤，趙振海，鐘 平

（1.天津職業技術師范大學 工程實訓中心，天津 300222；2.天津市源峰科技發展有限責任公司，天津 300222）

當前，自動化技術和通信技術的融合已經成為現代工業發展的重要趨勢。隨著現代化企業規模越來越大、自動化程度越來越高，企業對于網絡通信技術的依賴和要求也越來越高，傳統的組網技術和信息系統已經很難適合現代化企業的要求［1］。通過對廣西制糖廠、首都鋼鐵公司冶煉廠等多家企業調研后發現，許多企業現有的網絡和信息化技術水平已經大大落后于企業發展的需求，目前迫切需要設計出新型的組網技術和信息化系統以適應現代化企業的發展。對此，本文提出一種全新的理念，即將集成網絡系統和集成信息系統融合，以提高工廠信息化水平及運行的可靠性，保證系統的可擴展性和可維護性。

1 系統架構設計

過程控制教學工廠以集成網絡系統作為信息系統的承載層，其架構主要由多種通信冗余技術和控制系統的冗余技術構成，采用了新型的信息安全技術進行設計，包括訪問控制技術、防火墻技術和質量保證技術［2］。集成信息系統可以提供生產過程中關鍵控制參數、視頻監控和VOIP等信息［3］。采用三網（電信網、廣播電視網、互聯網）融合技術，在同一個集成網絡平臺上通過控制數據、語音和視頻等方式實現與教學工廠的控制和管理有關的全部業務，以控制數據、曲線、語音和視頻等形式，完成與教學工廠控制和管理有關的全部業務，實現管控一體化。教學工廠整體網絡架構如圖1所示。

圖1 教學工廠整體網絡架構圖

在網絡層次上可分為實時控制層網絡、車間層網絡和管理層網絡［4］。在信息系統上，包括了實時控制系統、控制監控信息系統、大屏幕監控系統、視頻監控信息系統、語音通信系統、MES系統和ERP系統［5］。

2 系統核心功能模塊設計

2.1 集成網絡系統模塊設計

集成網絡系統由實時控制層網絡、車間層網絡、管理層網絡3個模塊組成。

2.1.1 實時控制層網絡

實時控制層網絡負責各個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光纖環網，可提供高達1 000MB的帶寬，可同時承載高速的控制系統和視頻監控及語音電話信息；由于采用了QoS（Quality of Service）技術，在非實時數據為總帶寬的50%時，高達30臺工業以太網交換機互聯的網絡，在最惡劣情況下的最大延遲時間只有7.4ms［6］；光纖介質保證了在惡劣的工業環境中可靠的遠距離傳輸，環網保證了在即使光纖鏈路出現故障的情況下，所有網絡節點通信也不會出現問題；同時采用冗余容錯網絡光纖環網技術，保證了即使在任何一臺網絡設備發生故障的情況下，也不會出現無法通信的問題。實時控制網絡要求傳輸速度和故障恢復速度都可以達到10ms～100 ms的量級［7］。

2.1.2 車間層網絡

車間層網絡不采用環網技術，而是采用星形鏈接方式的冗余網絡，從而方便用戶使用，達到即插即用的效果，且便于擴展和維護。

網絡冗余技術的通信協議包含了生成樹協議、彈性分組環協議（Resilient Packet Ring，RPR）等。根據IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）制定的生成樹協議，消除了網絡回路，可以實現網絡中只有一條數據傳輸的路徑［8］，快速生成樹協議對生成樹協議進行了改進，縮短了網絡故障恢復時間［9］。彈性分組環協議采用逆向雙環結構，由內環和外環組成，數據沿外環或內環在節點之間進行相互轉發［10］。該協議的另一個優點就是空間重用［11］。

除了IO服務器要不斷從控制網獲取數據外，生產過程中的信息（例如報警、記錄等）都在車間網絡層流通。車間層網絡傳輸速度以及故障恢復速度可以達到500ms～1 000ms的量級。

車間層網絡還具有REALMIS系統，為管理層提供MIS信息。車間層與管理層之間通過具有多功能的路由器進行隔離，功能包括網段隔離功能、訪問控制管理功能、基本的防火墻功能、出口NAT轉換功能等。

2.1.3 管理層網絡

管理層網絡用于整個教學工廠的區域管理，與車間層的網絡可通過一臺或多臺路由器來連接，獲取現場的原料消耗、生產加工過程中的參數信息、生產產量和產品質量等信息的相關數據，從而為采購、銷售、質量控制、產品檢測和統計等提供參考。該網絡的速度和性能不像其他網絡層次要求那么高。此外為了方便與城域網或者廣域網的互聯，還設有VPN防火墻，采用先進、高效、穩定的隔離控制技術，使得整個工廠網絡置于安全監管之下。

2.2 集成信息系統模塊設計

工業時代的競爭是產品質量和生產成本的競爭，規模化大生產是降低生產成本的有效方式，生產過程的規范化、標準化是保證質量的根本，而快速響應則是滿足客戶個性化需求的保障。工廠規模擴大和生產快速響應使得原材料、生產、物流，以及資金流的綜合管理成為關鍵，全面信息化建設成為現代生產企業的迫切需求。物料需求計劃（MRP）、企業資源計劃系統（ERP）、制造執行系統（MES）等信息系統推進了管控一體化的發展。

采用分布式控制系統實現車間層管理控制的集中化，協調各個系統之間控制信息，并與車間層網絡上的監控系統實現信息的交互，冗余容錯光纖環網作為承載［12］實現集中化控制。此外，還具有融合通信功能。如果工廠廠區比較大，環境比較復雜時，采用高速的光纖環網來承載語音、視頻的信息是提高系統可靠性的重要措施，這些信息均可作為控制信息的組成部分。系統中采用QoS技術，保證了控制系統的帶寬和優先級，同時保證了系統的實時性。視頻和音頻的監控能實時全面掌握現場的狀況。而VOIP電話系統連接了整個工廠的電話網，并直接經過網關連接到PSTN公網。基于IP網絡的融合通信是近年來通信技術的發展熱點，得到了廣泛的應用，其價格也大大降低，使系統的設備簡化、實用，擴展維護方便。

大屏幕監控系統具有良好的影像視覺效果，可清晰地顯示視頻信息和現場參數，便于操作人員快速發現問題，及時反饋各種問題。

在管理層實現高度實時的企業信息化，將現場的原料消耗、成品生產、故障分析等信息，融合進企業的銷售、采購、質控，以及資金流體系中［13］。在本文所設計的系統中，開發出了REAL MIS系統，了解現場的生產、消耗以及故障；開發出的MES系統，能依據客戶對產品種類和數量的需求直接下單到生產線，立即進行生產模式的轉換，生產批量和產品需求的設定。此外系統還集成了國內著名的生產管理軟件，設計了ERP系統和ERP接口［14］。

3 結論

本文通過對國內大型企業的調研，分析了當前網絡和信息化技術的現狀和需求，對網絡和信息化進行了優化設計，建立了目前國內較為先進、可靠、維護方便的網絡和信息系統。2011年該系統在中國天津公共技能實訓中心建設的過程控制教學工廠中得到應用，并進行了實際運行、測試及鑒定，得到了專家的好評，收到了良好的效果。該系統設計簡化、可靠、穩定，具有較強的使用價值，在大型制糖、鋼鐵、化工等企業中有廣泛的實用和推廣價值。

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