工业以太网在MES系统中的应用（一）上

lihuolin958

   1.1 研究背景的提出
    随着企业计算机应用的不断推广，企业信息化应用水平逐渐提高，制造型企业越来越需要车间执行层的管理信息系统。因此，如何深刻理解MES 内涵，把握发展趋势，在我国企业中开发和应用好MES，对于提高企业竞争力，缩小与发达国家企业差距是迫在眉睫的事情，也是将企业信息化水平向深层次推进的需要。
    MES 是制造执行系统（ Manufacturer Execution System ） 的简称， MESAInternational（MES 国际联合会）对MES 的定义是：MES 能通过信息传递对从订单下达至产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES 能对其做出及时反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使MES 能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES 还能通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中，提供有关产品行为的关键任务信息。
    在MES 的应用中，由于一些国际厂商集中掌握了底层设备通信的主要专利，这样就使得后进入该领域的一些厂商和工厂十分的被动，一方面需要支付大量的专利费用，另一方面厂商选择的排他性也剥夺了企业择优选择的权利。如何利用现有的开放的协议，发出一套可以解决底层通信问题的协议框架，成为我国在这个领域首要解决的问题之一。
    1.2 国内外MES 发展情况
    20 世纪80 年代中期以后，伴随着客户对产品需求的多样化，制造企业的生产模式开始由大量的刚性生产向多品种少批量的柔性生产转变；伴随着计算机网络和大型数据库等信息技术的发展，企业的信息系统也开始从局部的、时段性处理方式转向全局的、实时处理方式。期间出现了精良生产、敏捷制造等新的理念和方法；在管理系统软件领域从MRP（Materials Requirements Planning，物料需求计划），到MRPⅡ（Manufacturing Resource Planning ，制造资源计划），直至ERP （ EnterpriseResource Planning，企业资源计划）系统的迅速普及；在过程控制领域，PLC（Programmable Logic Controllers，可编程逻辑控制器）、DCS（Distributed ControlSystem，分布式控制系统）得到广泛应用[1]。
    1.2.1 MES 历史
    MES 概念的明确提出是在1990 年，由AMR 组织(美国的咨询调查公司AdvancedManufacturing Research-AMR)首次提出并开始采用。但是在AMR 提出MES 概念之前，20 世纪70 年代后半期开始，就已经有了一些设备状态监控、工序数据采集的简单系统，这些系统通常只是单一功能的系统或者软件产品，有些甚至只是一些规范和流程，但是这些系统已经具备了MES 的基本特征，有些已经具有产品质量管理和生产进度回溯等分析功能。
    AMR 提出了基于三层结构的企业信息化体系，处于最高层的是计划层，主要使用ERP、EBS 等企业经营管理系统。中间是MES 所在的执行层，起到连接计划层和控制层的连接作用。底层为与设备紧密联系的控制层，主要由单台设备自身所带的控制系统构成。
    此后，国际上有关组织意识到MES 需要更加详细明确的定义，美国的MESA 协会(Manufacturing Execution System Association International)成立于1992 年，是继AMR 组织之后，为促进MES 的普及和标准化的团体，该协会经常发布关于MES白皮书，还有客户使用MES 后的效果调查报告。他们提出了MES 的11 个主要功能：(1)生产资源分配与监控；(2)作业计划和排产；(3)工艺规格标准管理；(4)数据采集；(5)作业员工管理；(6)产品质量管理；(7)过程管理；(8)设备维护；(9)绩效分析；(10)生产单元调度；(11)产品跟踪。ARM 把这11 个功能实现生产控制的整体方案称为MESⅡ（Manufacturing Execution Solution，制造执行解决方案）。
    20 世纪90 年代，由于MES 已经成为企业的各种生产设备和现场管理的综合性系统，集成了现场管理所需要的各种功能，所以又被冠名为Integrated MES（I-MES，集成MES），全面覆盖生产计划优化、滚动调度、实时数据库、数据校正、税率计算、成本控制、生产统计、KPI 指标实时监控、绩效分析、流程模拟、质量控制、在线优化、先进控制、资产管理、设备诊断维护、库存管理自动化、在线调优和优化控制、质量控制、比率控制，并且下联DCS、PLC、ESD(紧急停车系统)和ASM(异常事件管理系统)，上联ERP、SCM、HSE、E-Business、E-Cooperation 和DSS(决策支持系统)，成为名副其实的生产企业信息管理系统[20]。
    1.2.2 国内MES 发展情况
    尽管在国外MES 和ERP 的概念同一年提出，但是ERP 却比MES 的发展势头迅猛。在国内，尽管关于MES 的研究、开发和应用只是近年来的事情，但与国外的差距还是不大。
    20 世纪90 年代初期，中国就开始对MES 以及ERP 的跟踪研究、宣传或试点，而且曾经提出了“管控一体化”，“人、才、物、产、供、销”等颇具中国特色的CIMS、MES、ERP、SCM 等概念，只是总结、归纳、宣传、坚持或者提炼、提升不够，发展势头不快。
    据称，中国最早的MES 是20 世纪80 年代宝钢建设初期从SIEMENS 公司引进的。中国工业信息化基本上是沿着西方工业国家的轨迹前进，只是慢半拍而已。70-80 年代以工厂自动化为主，80-90 年代以管理信息化为主。进入21 世纪初，仍然以提升工厂自动化水平，普及DCS、SCADA、PLC、FCS 和提升管理信息化水平，由开发MIS转向推广普及ERP 为主。但是，尽管MES 层仍然是断层、残缺环和狭缝，人们对MES的概念、MES 在企业信息化的地位已不陌生，并开始形成共识。几乎绝大多数大学和工业自动化研究单位，甚至于国家、省、市级政府主管部门都开始跟踪、研究MES，具体表现为开设MES 课程，培养MES 研究生，成立工程技术研究、先进制造技术、制造业信息化工程等相关研究中心和实验室，开设MES 网站、论坛和专栏，筹办、主办MES 国际研讨会，将MES 纳入国家、省、市科技发展规划，成立MES 公司和事业部，封闭开发MES 产品，借助国内外产品实施MES 工程等等。真可谓是从中央到地方，从学会到协会，从IT 公司到制造生产厂，从综合网站到专业网站，从综合大学到专科院校，都卷入了MES 热潮之中。
    但是，从总体上看，相对于应用来说，仍以研究居多，而且仍处于浅层研究；就产品来讲，自主研发才刚刚开始，尽管有少数国内IT 公司一方面模仿国外的模式，同时也总结提炼中国工业企业MES 层面的经验(know-how)，但是仍以实验室产品居多，离商品化还有一段路程；就应用来说，像冶金、石化、烟草、食品等行业虽已有应用，但仍属拓荒者或先行者。 具备I/O 的 Servers 支持OPC、DDE 等多种通讯接口协议，可连接到由和利时、横河、霍尼韦尔、西门子、罗克韦尔、ABB、费希尔罗斯蒙特、日立、三菱、欧姆龙等工业自动化厂家生产的DCS、PLC、RTU 等设备。并提供ODBC 接口，可与ERP 等企业经营管理系统集成，实现企业生产的管理控制一体化。
    国内知名的产品是浙大中控的ESP-Suite——企业综合自动化整体解决方案。浙大中控也是由从硬件单机到DCS 系统，从硬件系统到软件系统，由DCS 层、ERP 层到MES 层的模式发展起来的。ESP-Suite 是面向流程工业企业的综合自动化整体解决方案，包括企业资源规划(ERP)、生产执行系统(MES)和过程控制系统(PCS)三个层次的软件产品、工程与技术服务。ESP-Suite 企业综合自动化整体解决方案包括以综合信息集成软件平台(基于关系数据库)和实时监控软件平台(基于实时数据库)为核心的一系列应用软件。
    国内还有一些接近T-MES、I-MES 和MES-Ⅱ的产品，不一一列举。当然，产品只是一个平台，目前更加宽泛的定义是能够实现MES 功能并能够灵活应用于不同的生产线上都可以称之为MES 产品，更多的大型企业倾向于边引进边消化，从知道“做什么”（Know-what）到“如何去做”（Know-how），最后力图达到一个知道“为什么要这么做”（Know-why）的最终目的。
    综上所述，在国内，虽然MES 起步较早，但是现在仍然没有一个统一的平台和严格规范各行业的标准。要推进MES 的推广和普及，任重而道远。
    1.3 课题来源及研究目标
    本文研究的课题来源于上海广电NEC 液晶显示器有限公司（或简称“广电NEC”）的制造信息化建设项目，是一条以工业以太网为基础的MES 生产线控制管理系统。上海广电NEC 液晶显示器有限公司 (Shanghai SVA NEC Liquid Crystal DisplayCo.,Ltd，以下简称“广电NEC”)注册成立于2003 年11 月，拥有中国内地第一条五代TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)生产线，也是目前内地产量最大的TFT-LCD 生产商，现在由上海广电(集团)有限公司下属上海广电光电子有限公司(SVAO)、日本电气株式会社(NEC)、大和证券SMBC 日本电气株式会社(NEC)、大和证券SMBC 株式会社合资经营项目总投资1586 亿日元，(约13.79 亿美元)，注册资金714.08 亿日元(约6.21亿美元)上海广电光电子有限公司占75%股份，其他股东共占25%股份。经营范围为“TFT-LCD 及其模块的设计、开发、制造、销售及售后服务”。公司地处上海闵行莘庄工业区，占地20 万平方米，由办公楼、阵列厂房、成盒厂房、模块厂房、动力厂房、废水处理厂房和中央变电站等组成，总建筑面积约16 万平方米。截至2007 年8月，公司现有员工3455 人，其中管理人员、工艺人员和技术开发人员约700 人。董事会为公司的最高权力机构，公司实行董事会领导下的总经理负责制。
    2005 年11 月以广电NEC 为核心规划的“上海平板显示产业基地” 揭牌成立，2007 年5 月被批准为国家（上海）平板显示器件产业园，总用地面积220 万平方米。规划建设投资60 亿美元，形成年销售额100 亿美元的生产研发园区。主要建设上中下游配套的TFT-LCD 液晶显示器产业链，即以广电集团为主体，将建立液晶研究所，建设玻璃基板、彩色滤色膜、偏光片、特种化学材料等上游企业，液晶电视、液晶显示器、笔记本电脑等下游企业。国家（上海）平板显示器件产业园的成立填补了国内在这一领域的产业空白[2]。
    上海广电NEC 液晶显示器有限公司创建之初所面对的是几乎完全空白的国内液晶制造经验，背负着打破国外垄断、建立液晶产业链的使命，管理高层在工厂设计之初就清醒的认识到：需要建立一套能够将底层设备状态纳入管理体系的现场生产线控制系统，掌握生产线上的数据变动，使得任何生产工艺流程的变化都能够通过生产线管理系统记录观察。因为生产工艺全部来自进口，对任何工艺上的变化调整，都需要进行分析，这样也可以达到自己吸收成长的目的。在决定进行MES 项目实施之前，广电NEC 已经实施了ERP 系统，但是BOM 和MRP模块明显不能满足液晶行业的巨大数据量和复杂工艺的要求，因此由工场长带头的管理层希望能够在车间实施MES 系统，要求能够将各种来自不通厂商的复杂的生产设备和设备集群的控制系统相连接，使得整个公司的信息系统能够实现以订单为基础，通过ERP 制定出生产计划，MES 以生产计划为基本输入来进行生产线控制并生产出产品，最后将结果（产品入库）提交给ERP。
    1.4 论文组织结构及章节编排
    本文从MES 在液晶生产线的应用入手，研究了MES 和下层通讯在整个信息系统中的应用方式和应用功能，其中着重对工业以太网进行了重新设计，使得整个MES系统绕开了很多专利的束缚，同时将会开发一套简洁实用的通信方式，可以适应不同环境下的通信要求，更加符合制造业的行业特点，验证MES 在复杂工艺的制造型企业内所发挥的作用。
    全文共分为五章，论文的组织结构安排如下：
    第一章：引言，简要介绍MES 发展变革历史，课题研究的背景，本次论文的课题来源等，并给出了本篇论文的整体结构；
    第二章：对国内外通信的发展情况进行了分析，简述通信系统在工业领域的发展历史，详细描述了工业总线和工业以太网的发展情况，并结合实际情况比较两者的优劣。同时介绍了制造行业的基本情况，着重介绍了液晶行业的生产工艺，通过工艺流程来了解液晶生产线的行业特点，分析制造行业信息化中所可能碰到的部分问题；
    第三章：在工业以太网的基础上设计开发出高级通信引擎消息管理机制（ACE-MD），并描述MES 在液晶企业信息系统中的地位，分析MES 实施中碰到的通信问题，根据之前介绍的知识背景提出两种解决方案，根据实际情况，选择基于ACE-MD的解决方案并详述具体的实施步骤，分析并用到其他知识的创新点；
    第四章：根据设计出的ACE-MD 机制，延伸开发出MES 与设备层通信的模块，并简述实施后具体的应用效果，基于工业以太网的设备集成层的分析说明，同时解决了应用服务器之间大批量数据传输的问题，最后给出了开发出的系统界面；第五章：总结与展望，进行全文总结，说明了本论文对其他领域的借鉴和推广意义。同时指出本论文开发出来的通信机制所存在的一些问题，提出该领域以后的研究方向。   



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    近年来制造行业的发展突飞猛进，从精益制造到“零库存”概念的提出，可以说，对于信息化的制造系统来说，已经没有任何一个现成的生产线能代表所有制造行业的特点。因而分析研究制造行业的特点将成为关键的一步。随着工业系统走向分布化和网络化，通信技术和网络技术成为工业自动化技术的核心内容之一。工厂生产管理系统和生产控制单元之间、控制器与各种生产设备之间、工厂管理系统与企业管理系统之间的信息流通已成为制造型企业的命脉。尤其是在MES 出现以后，MES 作为工业自动化和信息化融合过程中的产物，其对通信技术和网络技术的要求更是体现了这一特点。

    论文将以液晶企业的生产线为主要研究对象，剖析制造信息化过程中对务求的考虑和解决需求的一个思路。介绍国外工业通信化的发展情况，分析国外厂商垄断这个领域内专利的一些原因，提出打破这种技术垄断缺口的希望，并将对工业以太网在制造企业中应用的优缺点作进一步阐述。

    2.1 工业通信网络的特点和要求

    现代工业对通信系统有很多要求，综合工业生产的需求特点，主要可以归纳为以下几点：

    ·在功能上，需要可靠的、以合理的成本满足系统通信功能需求；l 开放性。系统尽可能的使用世界上已经接受的标准并有广泛可用的产品；l 集成。从办公领域到控制和自动化层（企业信息化从上而下）的纵向集成；l 保护投资。集成已有的通信和自动化系统结构；

    ·用户得益。在机器和成套系统的配置和运行期间，可提高生产率并降低成本。

    同时，为了满足用户的需求，在工业自动控制网络通信设计的时候需要考虑以下特殊问题：

    第一，数据传输的及时性和系统相应的实时性。通常，制造自动化系统的响应时间要求在0.01～0.5s，过程控制系统的响应时间级别在0.5～2s。而信息网络的响应时间则是2～6s。显然，工业通信网络的实时性要求高。

    第二，高可靠性。工业通信网络强调在工业环境下数据传输的完整性，对于工作在环境恶劣的工业生产现场的通信网络，必须解决环境适应性问题，它包括电磁环境适应性活电磁兼容性（EMC）、气候环境适应性（耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（耐冲击、耐振动）。在易爆或可燃的场合，它应具有本质安全的性能。第三，工业通信网络需要解决不同厂商的产品和系统在网络上相互兼容的问题，强调互操作性，因此它在现在通信系统所基于ISO/OSI（ InternationalOrganization for Standardization/Open System Interconnection，国际标准化组织/开放系统互连）的“开放系统互连的参考模型”上，加了用户层，通过标准功能块和装置描述（DD）功能来解决这种完整的开放性通信。

    第四，现场控制层设备间传输的信息长度都比较小，通常仅为几位比特或几个、十几、几十个字节，对网络传输的带宽要求不高。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、空置量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点与量程调校信息等。不过，现在随着工业现场传输多媒体信息的需求在增加，网络传输的带宽要求也在增加。

    第五，工业现场设备向网络上发送数据都遵循严格的时序。如图2-1 所示，工序B 必须在上一道工序（工序A）完成之后的某段时间内进行，否则半成品可能由于化学反应时间过长而成为废品，也就是说，工序B 的等待操作时间必须控制在一个范围内。同时，周期信息与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期性信息（如过程测量与控制信息、监控信息等）较多，而非周期信息（如突发时间报警、程序上传下载等）较少。

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    图2-1 现场工艺流程的时间要求

    第六，信息流向的单一性较强，如测量信息由被测量设备向控制器传送，控制信息由控制器向执行机构传送，过程监控与突发信息由现场仪表向操作站传送，程序下载有工程师所在的站点向仪表现场传输等。

    2.2 工业通信系统发展历程

    早期的工业通信通过连线在测控设备之间传递信息，把传感器、按钮、执行机构等连接到控制器上。最初的测控设备主要是气动、电动单元组合式仪表和集中控制室，全模拟式仪表将传感器信号进行调整放大后，经过V/I 电路转换，输出4～20mA 或者0～5V 的模拟信号。19 世纪中期已经出现了基于5～13psi 气动信号标准的气动控制系统（Pneumatic Control System，PCS），20 世纪50 年代，基于0～10mA 或4～20mA 的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志着电气自动控制时代的到来。

    20 世纪70 年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分依然沿用了4～20mA 的模拟信号，集中控制系统很快发展为分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）。数字传输信号逐步取代模拟传输信号，数字通信网络延伸到工业过程现场。

    20 世纪70 年代中期，工业控制领域出现了分布式控制系统（DCS），可以看作是工业计算机网络的雏形。早期的分布式控制系统DCS 是在无统一网络标准的情况下完成的。当时的网络规模节点大约有几十个，通信距离约在1000m 以内，主要节点为控制站和操作站，拓扑结构以环型和总线型为主，通信介质多为同轴电缆，也有采用双绞线的，通信速率在1Mb/s 以内，节点内有“通信卡”等专用网络部件。这时的现场仪表大部分还是模拟仪表，少数专用设备有RS-232/RS-422/RS485 等串口，可与之相连接。这期间通信规程中有IBM 等提出的同步数据链路规程（SDLC）、高级数据链路规程（HDLC）和国际电报电话咨询委员会的CCITTX.25 等。

    1983 年，Honeywell 公司推出了智能化仪表—Smar 变压器，这些仪表带有微处理器芯片，在模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能，还在输出的4～20mA 直流信号上叠加了数字信号，使现场与控制室之间由模拟信号过渡到了数字信号。此后，各大公司都相继推出了各有特色的智能仪表，过程变量经调整放大、A/D 采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过D/A、V/I 等电路，仍然以4～20mA 或者0～5V 的模拟信号输出，由于采用标准的可以从模拟信号中除去的过滤技术，数字信号并不会影响模拟量信号的数字，这就是HART 协议能够传送数字信息的基础。

    20 世界80 年代中期，美国Rosemount 公司的HART 协议已经是现场总线的雏形。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount、横河为首的ISP 集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WordFIP（Factory Instrumentation Protocol）集团。1994 年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（Fieldbus Foundation），简称FF。1998 年以后，各个厂商在不同的行业推出众多的总线标准，他们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如德国的BOSCH 公司推出的CAN、美国ECHELON 公司推出的LonWorks 等。目前国际上影响较大的现场总线有40 多种，主要有FF、Profibus、CAN、LonWorks 等。围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争。

    传统的现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF 和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好的实现速率要求较慢的过程控制。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。

    就国内情况而言，国内厂商的规模相对较小，研发能力有限，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商（芯片制造商等）对国内的支持和市场推广力度的影响。FF 虽然全球影响力日益增加，但在中国市场份额不是很高。LonWorks 在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面具有独特的优势，在国内有一些实质性的进展。在离散制造加工领域，Profibus 和CAN 有自己的优势，具有较强的竞争力。

    另一方面，我国现在自己开发的工业通信技术和系统也逐渐成熟，开始在国内和国际市场上占据越来越多的份额。