集成网络和信息系统技术在过程控制教学工厂中的设计与应用

雷云涛，赵振海，钟 平

（1.天津职业技术师范大学 工程实训中心，天津 300222；2.天津市源峰科技发展有限责任公司，天津 300222）

当前，自动化技术和通信技术的融合已经成为现代工业发展的重要趋势。随着现代化企业规模越来越大、自动化程度越来越高，企业对于网络通信技术的依赖和要求也越来越高，传统的组网技术和信息系统已经很难适合现代化企业的要求［1］。通过对广西制糖厂、首都钢铁公司冶炼厂等多家企业调研后发现，许多企业现有的网络和信息化技术水平已经大大落后于企业发展的需求，目前迫切需要设计出新型的组网技术和信息化系统以适应现代化企业的发展。对此，本文提出一种全新的理念，即将集成网络系统和集成信息系统融合，以提高工厂信息化水平及运行的可靠性，保证系统的可扩展性和可维护性。

1 系统架构设计

过程控制教学工厂以集成网络系统作为信息系统的承载层，其架构主要由多种通信冗余技术和控制系统的冗余技术构成，采用了新型的信息安全技术进行设计，包括访问控制技术、防火墙技术和质量保证技术［2］。集成信息系统可以提供生产过程中关键控制参数、视频监控和VOIP等信息［3］。采用三网（电信网、广播电视网、互联网）融合技术，在同一个集成网络平台上通过控制数据、语音和视频等方式实现与教学工厂的控制和管理有关的全部业务，以控制数据、曲线、语音和视频等形式，完成与教学工厂控制和管理有关的全部业务，实现管控一体化。教学工厂整体网络架构如图1所示。

图1 教学工厂整体网络架构图

在网络层次上可分为实时控制层网络、车间层网络和管理层网络［4］。在信息系统上，包括了实时控制系统、控制监控信息系统、大屏幕监控系统、视频监控信息系统、语音通信系统、MES系统和ERP系统［5］。

2 系统核心功能模块设计

2.1 集成网络系统模块设计

集成网络系统由实时控制层网络、车间层网络、管理层网络3个模块组成。

2.1.1 实时控制层网络

实时控制层网络负责各个控制单元与中央控制室的通信，采用了高可靠性的冗余容错光纤环网，可提供高达1 000MB的带宽，可同时承载高速的控制系统和视频监控及语音电话信息；由于采用了QoS（Quality of Service）技术，在非实时数据为总带宽的50%时，高达30台工业以太网交换机互联的网络，在最恶劣情况下的最大延迟时间只有7.4ms［6］；光纤介质保证了在恶劣的工业环境中可靠的远距离传输，环网保证了在即使光纤链路出现故障的情况下，所有网络节点通信也不会出现问题；同时采用冗余容错网络光纤环网技术，保证了即使在任何一台网络设备发生故障的情况下，也不会出现无法通信的问题。实时控制网络要求传输速度和故障恢复速度都可以达到10ms～100 ms的量级［7］。

2.1.2 车间层网络

车间层网络不采用环网技术，而是采用星形链接方式的冗余网络，从而方便用户使用，达到即插即用的效果，且便于扩展和维护。

网络冗余技术的通信协议包含了生成树协议、弹性分组环协议（Resilient Packet Ring，RPR）等。根据IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）制定的生成树协议，消除了网络回路，可以实现网络中只有一条数据传输的路径［8］，快速生成树协议对生成树协议进行了改进，缩短了网络故障恢复时间［9］。弹性分组环协议采用逆向双环结构，由内环和外环组成，数据沿外环或内环在节点之间进行相互转发［10］。该协议的另一个优点就是空间重用［11］。

除了IO服务器要不断从控制网获取数据外，生产过程中的信息（例如报警、记录等）都在车间网络层流通。车间层网络传输速度以及故障恢复速度可以达到500ms～1 000ms的量级。

车间层网络还具有REALMIS系统，为管理层提供MIS信息。车间层与管理层之间通过具有多功能的路由器进行隔离，功能包括网段隔离功能、访问控制管理功能、基本的防火墙功能、出口NAT转换功能等。

2.1.3 管理层网络

管理层网络用于整个教学工厂的区域管理，与车间层的网络可通过一台或多台路由器来连接，获取现场的原料消耗、生产加工过程中的参数信息、生产产量和产品质量等信息的相关数据，从而为采购、销售、质量控制、产品检测和统计等提供参考。该网络的速度和性能不像其他网络层次要求那么高。此外为了方便与城域网或者广域网的互联，还设有VPN防火墙，采用先进、高效、稳定的隔离控制技术，使得整个工厂网络置于安全监管之下。

2.2 集成信息系统模块设计

工业时代的竞争是产品质量和生产成本的竞争，规模化大生产是降低生产成本的有效方式，生产过程的规范化、标准化是保证质量的根本，而快速响应则是满足客户个性化需求的保障。工厂规模扩大和生产快速响应使得原材料、生产、物流，以及资金流的综合管理成为关键，全面信息化建设成为现代生产企业的迫切需求。物料需求计划（MRP）、企业资源计划系统（ERP）、制造执行系统（MES）等信息系统推进了管控一体化的发展。

采用分布式控制系统实现车间层管理控制的集中化，协调各个系统之间控制信息，并与车间层网络上的监控系统实现信息的交互，冗余容错光纤环网作为承载［12］实现集中化控制。此外，还具有融合通信功能。如果工厂厂区比较大，环境比较复杂时，采用高速的光纤环网来承载语音、视频的信息是提高系统可靠性的重要措施，这些信息均可作为控制信息的组成部分。系统中采用QoS技术，保证了控制系统的带宽和优先级，同时保证了系统的实时性。视频和音频的监控能实时全面掌握现场的状况。而VOIP电话系统连接了整个工厂的电话网，并直接经过网关连接到PSTN公网。基于IP网络的融合通信是近年来通信技术的发展热点，得到了广泛的应用，其价格也大大降低，使系统的设备简化、实用，扩展维护方便。

大屏幕监控系统具有良好的影像视觉效果，可清晰地显示视频信息和现场参数，便于操作人员快速发现问题，及时反馈各种问题。

在管理层实现高度实时的企业信息化，将现场的原料消耗、成品生产、故障分析等信息，融合进企业的销售、采购、质控，以及资金流体系中［13］。在本文所设计的系统中，开发出了REAL MIS系统，了解现场的生产、消耗以及故障；开发出的MES系统，能依据客户对产品种类和数量的需求直接下单到生产线，立即进行生产模式的转换，生产批量和产品需求的设定。此外系统还集成了国内著名的生产管理软件，设计了ERP系统和ERP接口［14］。

3 结论

本文通过对国内大型企业的调研，分析了当前网络和信息化技术的现状和需求，对网络和信息化进行了优化设计，建立了目前国内较为先进、可靠、维护方便的网络和信息系统。2011年该系统在中国天津公共技能实训中心建设的过程控制教学工厂中得到应用，并进行了实际运行、测试及鉴定，得到了专家的好评，收到了良好的效果。该系统设计简化、可靠、稳定，具有较强的使用价值，在大型制糖、钢铁、化工等企业中有广泛的实用和推广价值。

（References）

［1］陈光.信息系统安全风险管理方法研究［D］.合肥：国防科学技术大学，2007.

［2］俞东慧，黄丽华.中国大陆信息管理研究现状评述［J］.科研管理，2004（3）：86－93.

［3］季高荣.中小企业管理信息系统建设研究［D］.合肥：安徽大学，2012.

［4］陈汇远.计算机信息系统安全技术的研究及其应用［D］.北京：铁道部科学研究院，2004.

［5］李一帆.数字矿山信息系统的研究及应用［D］.北京：中国科学院研究生院：武汉岩土力学研究所，2007.

［6］高强.工业以太网交换机在配网中的性能分析与应用［J］.电力系统通信，2009（9）：46－49.

［7］朱政红，王月娥.工业以太网在控制领域中的实时性技术［J］.低压电器，2010（7）：31－35.

［8］ANAI／IEEE Std 802.1D－1998，Part 3：Media Access Control（MAC）Bridges［S］.1998.

［9］GuNNAR Prytz.Network Recovery Time Measurements of RSTP in an Ethernet Ring Topology［C］／IEEE.ETFA 2007.Patras：IEEE Publication，2007：1247－1253.

［10］FreDRIK Davik，METE Yilmax，STEIN Fjessing，et al.IEEE 802.17Resilient Packet Ring Tutorial［J］.Communications Magazine，IEEE，2004，42（3）：112－118.

［11］毕汝超.以太网交换机EAPS系统的设计［D］.西安：西北工业大学，2007.

［12］马选.基于RFID的现代邮政物流仓储管理系统研究［D］.桂林：桂林电了科技大学，2007.

［13］刘渤海.企业质量管理信息系统的总体设计与研究［D］.合肥：合肥工业大学，2005.

［14］王文亚.制造业ERP应用模式的研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2006.