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 现代网络制造技术

网络技术与制造业由上所述开放式CNC是基于个人计算机PC的数控系统，网络技术又被称为计算机发展史的第三个里程碑，人们称网络就是计算机，深刻地反映了网络在计算机发展史中极为重要的作用和影响。20世纪80年代随着徽机的发展而产生的局域网LAN以及全世界*大的国际互联网INTERNET的迅速发展，计算机已不再是一台台孤立的设备，它已成为连接整个社会的基础设备，并且以巨大的推动力在改变人们的生活和生产方式。由此网络进入制造业当属必然，它给制造业这一传统行业带来一个全新的发展，并且越来越显不出它的优越性。国外有称网络进入车间是“工厂进程的大” 因而现代制造技术典范的网络制造这一模式已越来越为制造业所看重并加以利用。网络制造在广义上表现为使用网络的企业和企业间可以跨地域的协同设计、协同制造、信息共享、远程监控及远程服务；企业与社会间的供应、销售、服务等内容。在狭义上表现为企业内部的网络化，将企业内部的管理部门(产、供、销、人、财、物等)、设计部门(/CAM/CAPP/CAE等)、生产部门(生产管理、生产监测、、夹、量、材料管理、设备管理等)在网络数据库支持下进行集成。这些技术的应用使得制造业的生产效率大为提高。如在2000年芝加哥国际机床展览会上所展示的采用了网络化技术的数控机床可将机床的利用率从25%提高到65%；如始建于2000年5月的宁夏小巨人机床有限公司(我国与日本山崎马扎克公司合资建立)采用了MAZAK智能网络制造模式，公司职员135人，年生产立式加工中心和数控机床420台，人均产值达160万人民币以上，这样高的生产效率主要得益于采用了智能网络制造系统。

开放式CNC与网络制造在现代网络制造环境中，机床(这里指数控机床、加工中心、柔制造单元等)已不再是孤立的加工设备，而是网络环境下与/CAM/CAPP/CAE工程设计系统MRP管理信息系统直接连接的一个有加工能力的结点，它要通过网络与管理信息系统、工程设计系统等相关外部环境连接通讯，必须实现相互之间的双向通讯。管理信息计算机可以给任意一台数控机床发送加工指令，又可实时查看各台机床的加工程序、加工状态、加工时间、故障信号等，同时各台机床也可向管理信息计算机汇报情况，例如加工的情况与结果，合格品及废品的个数，以便管理信息计算机分析问题、解决问题，实现动态重构加工路线。工程设计计算机用/CAPP/CAM技术生成CNC加工程序，通过网络传送到机床进行数控加工。实现无纸化制造。目前传统的 CNC系统一般都不具备直接联网功能，因此要先将数控系统通过点到点串行通讯线路与通用计算机连接(通常采用RS232或RS485等串行接口)，然后再将具有联网功能的PC联接到局域网上去，在这种方案中，虽然利用PC作为桥梁实现了CNC的联网，但CNC与PC之间的串行通信速度低，可靠性差，成为系统中信息传递的瓶颈。另一方面增加了PC，扩大了系统硬件规模，不仅提高了系统成本，而且增大了故障率，给系统的可靠性带来不利影响。基于PC的开放式数控系统，由于采用了标准PC的硬件及标准的操作系统，其本身就具有了直接组网的能力，它给网络制造系统提供了一个*好的平台，有了它才有真正意义的网络制造系统，正是珠联璧合。在基于PC的开放式CNC中，由于用硬盘作为加工代码的存储载体，使/CAM计算的加工程序可以通过标准的网络一次传输到CNC的硬盘上，标准的网络速度一般在几十Mbps(RS232,RS485等串行接口一般只有几十kbps)，使速度提高了几千倍，加工前一次传输保证了系统传输的可靠性。又由于硬盘的容量大，读写速度快，即使上百兆0.01mm长度空间直线段的代码，CNC在脉冲当量为1μ时的加工速度也能达到每分钟上百米。这是采用 RS232等串行接口的传统数控系统远不能达到的速度，这样就解决了大程序量的高速高精度的加工问题，同时也不必要用曲面和样条插补，减轻了 /CAM系统的负担。如果将分辨率提高到0.1μ时，CNC的加工速度也能达到每分钟十余米，大大平滑了机床的移动量，提高了加工表面光洁度，减少了加工表面的误差，实现厂高速高精加工。

网络制造系统在我国的发展及应用20世纪90年代以来，在网络技术的支持下，首先在美国而后在其他发达国家，网络制造系统敏捷制造企业发展迅猛，我国的高校和科研部门及企业也朝着这个方向发展，目前我国信息技术及网络在现代制造企业中应用处于以下4种发展模式：

单元技术的应用阶段 其特征为，计算机使用，软件使用，数控设备均为分散的，信息不直接交互的信息孤岛。具体表现为：管理部门按职能分别使用诸如财务、人事、营销、库房等专门软件；设计部门分别使用、CAPP、CAM等软件；在生产部门使用各种数控及自动化设备。处干这一模式的企业覆盖面很广，不少企业应用已有较长历史和一定的水平。

局部集成阶段 其特征为，建立局域网，将各个分散应用单位按部门进行集成，但仍然存在信息流通的隔离及信息瓶颈。具体表现为：管理部门与设计部门分别建立统一平台，数据库，分别采用商用集成化软件系统，所包含的功能可顶盖该部门;在生产部门表现为数控设备联网乃至车间级管理。这一类运用已逐渐为不少企业所认识和应用，但时间不长，为目前需求*多的一类。

企业内部的全面集成化 建立大型数据库，将各职能部门互联、信息共享。将原有金字塔管理模式进行扁平化，减少中间环节。目前国内能达到这一模式的企业极少，尚未达到成熟阶段。

 自控水平
调度控制中心、中间各站场站控系统、现场仪表组成一个三级监测、控制管理的系统模式。
第一级：为就地仪表、手动和站场系统监控（站场仪表）。
第二级：实现站控系统值班控制室内的集中监视控制（站控系统）。
第三级：石家庄设调度控制中心集中远程监视控制（监控及数据采集系统即SA系统）。

4.3 控制方案
本工程仪表及自动化系统的设计、选型以技术先进、经济实用为原则，自控系统采用监控及数据采集系统（SA系统）。在石家庄末站设调度控制中心，首站、末站及各分输站均设站控系统监控全站。经过仔细的考察和比选，采用了罗克韦尔自动化ControlLogix 系列PLC构成集中监视、分散控制方案。ControlLogix 系列PLC是罗克韦尔自动化公司*新推出的、功能更强大的可编程逻辑控制器。它有以下特点：
模块化：ControlLogix系统的模块化的I/O、内存及通讯接口为用户提供了一种即可组态又便于扩展的系统。用户可以根据需要灵活配置所需的I/O数量，内存容量以及通讯网络。以后当用户需要进一步扩展系统时，可随时添加I/O，内存及通讯接口。*大I/O点数为128000。
带电插拔：ControlLogix允许用户带电插拔系统中的任何模块，而不会对模块造成损坏。这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换故障模块。
高分辩率I/O：*高16位，可选带自诊断功能模块，I/O故障报告。
高速传送：ControlLogix 所采用的PRODUCER/CONSUMER技术使得数据可以在网络之间，网络的链路之间以及通过背板的模块之间实现有效的高速传送。
高强度工业硬件平台：ControlLogix采用特殊设计的高强度工业硬件平台，从而可耐受振动，高温以及各种工业环境下的电器干扰。
分布式处理：通过Ethernet，ControlNet和DeviceNet网络将处理器连接起来，可以实现分布式处理。
IEC-1131-complaint操作系统：该操作系统提供了真正具有优先级的多任务环境，从而允许用户通过单独排定软件组件来满足自己的应用要求。这就大大提高了处理器的效率而且降低了成本，因为它可以减少用户整个控制系统的处理器数量。

4.4 系统组成及特点
本系统中冗余的ControlLogix 站控制系统由以下几个部分组成：
两个四槽框架：1756-A4；
两个处理器模块：1756-L55M13；
两个ControlNet模块：1756-CNB/D；
两个冗余模块：1757-SRM；
冗余模块连接电缆：1757-SRC1；
两个I/O框架：包括ControlNet模块，ENET模块，串口通讯模块1756-MVI，相应的I/O模块。用于连接超声波流量计、涡轮流量计、电动球阀和其它现场仪表设备。主要信号包括4～20mADC、开关信号、RS485接口信号等。
这个冗余系统的主要特点有：
控制系统高可靠性的*优化；
完全不需要用户编程；
保证在*高优先级任务逻辑控制下的输出的无扰动切换；
切换只需100ms；
支持Logix5555处理器及CNB（D系列以上）模块；
切换相对通过各种网络与冗余框架相连的其它设备来讲完全透明；
从主控制器到从控制器的程序装载过程完全透明；
对主控制器在线进行的设置/命令/编辑自动传递给从控制器；
用户可对切换进行“取消”或“恢复”操作。
ControlLogix 冗余系统与I/O框架用ControlNet连接，与上位机及调度中心通过以太网连接。
4.5 系统功能
站控制系统主要功能：
数据采集、数据处理；
站场设备控制；
现场设备远程控制；
站场正常关闭控制和紧急停车控制；
各系统数据通讯；
各系统时钟同步；
操作员权限控制：操作员身份确认，行为记录；
报警管理：显示所有存在的报警和所有返回到正常状态下没有经过确认的报警情况，显示报警时间；
趋势曲线管理：包括时实和历史趋势曲线；
监视控制画面：准确形象显示现场工艺流程，支持快捷键操作；
报表生成：定时打印生产报表、历史报表等。
上位软件使用了开放的面向工业应用的集成开发软件Citect。SA系统主通信手段为DDN，同时采用PSTN作为备用通道。调度控制中心的计算机硬件系统由服务器、操作员工作站、工程师工作站、经理终端及报警、报表打印机等组成。为提高系统的可靠性，服务器和局域网（LAN）采用冗余配置，操作员工作站、工程师工作站等均作为局域网上的一个节点，共享的资源。这样设计不仅技术先进、操作简单，且经过工业生产实践考验具有很高可靠性。软件的配置采用模块化，以便于版本修改和升级。

调度控制中心具备了以下多种功能：
全线工艺流程画面显示；
数据实时采集、显示和存储历史数据；
实时数据和历史数据搜索查阅；
流量计算数据表显示；
流量分析及计算；
贸易结算管理；
生产报表的生成和打印（日报、周报、月报等）；
报警、事件记录和打印、事故报警预报及追忆；
事故的远程站场紧急停车控制；
系统配置及总貌图显示；
生产运营和调度管理；
与陕—京线调度中心通信。

五、结束语
该工程于2001年6月18日开工，12月19日投产，何少存副省长及省各有关部门的领导参加了开工和投产仪式。该工程当年设计、当年施工、当年投产，创造了多项新业绩。建成投产后，可以调整河北省的能源结构，改善生态环境，提高城镇居民生活质量，同时带动和促进河北省国民经济的快速和健康发展，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益，对推动河北省的天然气事业的发展具有重大意义。罗克韦尔自动化ControlLogix 系列PLC在该工程中，经两年考验，具有运行稳定、可靠性高、程序修改灵活、操作方便等特点，为管线控制系统长周期运行起了非常重要的作用