2.3 以太網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用

    在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，各種現(xiàn)場(chǎng)總線曾占據(jù)了整個(gè)市場(chǎng)，但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展,總線機(jī)制已經(jīng)慢慢無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)的信息通信需要，成了企業(yè)信息化的一個(gè)瓶頸。而且由于控制網(wǎng)絡(luò)的總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致控制網(wǎng)絡(luò)間互連以及控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)出現(xiàn)了代價(jià)過(guò)高等問(wèn)題。采用在辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的以太網(wǎng)來(lái)代替各種現(xiàn)場(chǎng)總線，成為解決這種瓶頸問(wèn)題的一個(gè)新的思路，目前在世界上已經(jīng)有成功的在某些領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。

    以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)，按照IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，它采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)）模式對(duì)共享媒體進(jìn)行訪問(wèn)。其協(xié)議對(duì)應(yīng)于ISO/OSI 七層參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)為同軸電纜、雙絞線、光纖燈，采用總線型或者星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s 或更高。在辦公和商業(yè)領(lǐng)域，以太網(wǎng)是最常用的通信網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)技術(shù)由于具有成本低、通信速率高、兼容性好、軟硬件資源豐富、廣泛的技術(shù)支持基礎(chǔ)和強(qiáng)大的持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ戎T多優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)程控制領(lǐng)域的管理系統(tǒng)層得到廣泛應(yīng)用。

    2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)存在的缺陷和問(wèn)題

    傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)存在的最大問(wèn)題就在于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。現(xiàn)場(chǎng)總線多達(dá)十多種，應(yīng)用廣泛的就有八種之多，包括有:FF 的H1，Control Net，Profibus，Interbus，P-net，WorldFIP，Swiftnet，F(xiàn)F 的高速Ethernet，即HSE。其中，P-net 和Swiftnet是專(zhuān)用總線，Control Net，Profibus，Interbus，WorldFIP 是從PLC 發(fā)展而來(lái)的，H1 和HSE 是從傳統(tǒng)的DCS 發(fā)展而來(lái)的，這使得基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)顯得比較雜亂，如圖2-2 所示。

    圖2-2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    如上所述，由行業(yè)與地域發(fā)展歷史等原因，行業(yè)眾多，需求各異，加之各公司和各集團(tuán)受自身商業(yè)利益的驅(qū)使，現(xiàn)場(chǎng)總線難以統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這種情況明顯違背了當(dāng)初開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線的初衷。發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，真正形成開(kāi)放互連的系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。

    2.3.2 工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展歷程

    以太網(wǎng)（Ethernet）最初源于1975 年美國(guó)Xerox 公司和斯坦福大學(xué)建造的一個(gè)219Mb/s 的CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)）系統(tǒng)。它以無(wú)源電纜作為總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)，在1000m 的電纜上連接了100 多臺(tái)計(jì)算機(jī)。這就是如今以太網(wǎng)的鼻祖，主要是為了計(jì)算機(jī)之間大量文件的傳輸。隨后，DEC、Intel 及Xerox 聯(lián)合公布了以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，成為DIX 規(guī)范。在此基礎(chǔ)上，1982 年，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定了IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)。1990 年2 月，該標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此，IEEE802.3 以“以太網(wǎng)”為技術(shù)原型，本質(zhì)特點(diǎn)是采用CSMA/CD 的介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)，“以太網(wǎng)”與IEEE802.3 略有區(qū)別，但在忽略網(wǎng)絡(luò)協(xié)議細(xì)節(jié)時(shí)，人們習(xí)慣將IEEE802.3 稱(chēng)為“以太網(wǎng)”。

    20 世紀(jì)80 年代中期產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)總線，本質(zhì)上就是工廠中的局域網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)將只能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信控制網(wǎng)絡(luò)連接，使得工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展成為可能，使得工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變革。但各主要現(xiàn)場(chǎng)總線各具特點(diǎn)，不可互相替代，不能在原來(lái)的技術(shù)上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。除了他們的技術(shù)特色和背后支持公司之間的利益沖突外，還因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展過(guò)程中，過(guò)多的強(qiáng)調(diào)了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的特殊性，忽略了信息技術(shù)的發(fā)展成果，加上當(dāng)時(shí)的微處理器功能簡(jiǎn)單，數(shù)字處理能力不強(qiáng)，不能處理Ethernet 上“捆綁”使用的TCP/IP 協(xié)議，致使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用發(fā)展緩慢。

    1998 年德國(guó)西門(mén)子公司發(fā)布了工業(yè)Ethernet 白皮書(shū)，并與2001 年發(fā)布其工業(yè)Ethernet 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，稱(chēng)為PROFLInet。

    在1999 年，法國(guó)施耐德公司旗下MODICON 公司公布了Modbus TCP 協(xié)議，配合施耐德公司提出的“透明工廠”的戰(zhàn)略，使法國(guó)施耐德成為工業(yè)以太網(wǎng)的堅(jiān)決倡導(dǎo)者，Modbus/TCP 協(xié)議已一種非常簡(jiǎn)單的方式將Modbus 幀嵌入TCP 中。這是一種面向連接的方式，每一個(gè)呼叫都要求一個(gè)應(yīng)答。這種呼叫/應(yīng)答的機(jī)制與Modbus 的主從機(jī)制互相配合，使交換式以太網(wǎng)具有很高的確定性和可靠性，利用TCP/IP 協(xié)議，網(wǎng)頁(yè)的形式使用戶(hù)界面更加友好，并且利用瀏覽器可以查看企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部的設(shè)備運(yùn)行情況。施耐德公司已經(jīng)為Modbus 注冊(cè)了502 端口，這樣就可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)頁(yè)中，通過(guò)在設(shè)備中嵌入Web 服務(wù)器，就可以將Web 瀏覽器作為設(shè)備的操作中斷，非常方便。目前已經(jīng)有專(zhuān)門(mén)的Modbus 組織來(lái)討論將Modbus TCP 協(xié)議推廣，使得Modbus TCP/IP 日漸成為目前工業(yè)以太網(wǎng)事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)了以太網(wǎng)在傳感器和設(shè)備級(jí)別的應(yīng)用。

    美國(guó)羅克韋爾公司于2000 年公布了工業(yè)Ethernet 規(guī)范，稱(chēng)為Ethernet/IP。Ethernet/IP 是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它很好地采用了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的以太網(wǎng)通信芯片以及物理媒體。IP 代表Industrial Protocol，以此來(lái)與普通的以太網(wǎng)進(jìn)行區(qū)別。它是將傳統(tǒng)的以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層的一種有效方法，允許工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交換實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)。Ethernet/IP 模型由IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、以太網(wǎng)的TCP/IP 協(xié)議和控制與信息協(xié)議CIP 三部分組成。CIP 是一個(gè)端到端的面向?qū)ο蟛⑻峁┝斯�業(yè)設(shè)備和高級(jí)設(shè)備之間的連接的協(xié)議。CIP 有兩個(gè)主要目的，一個(gè)是傳輸同I/O 設(shè)備相連接的面向控制的數(shù)據(jù)，另一個(gè)是傳輸同其他被控系統(tǒng)相關(guān)的信息，如組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和診斷等。CIP 協(xié)議規(guī)范主要由對(duì)象模型、通用對(duì)象庫(kù)、設(shè)備行規(guī)、電子數(shù)據(jù)表、信息管理等組成。Ethernet/IP 協(xié)議就是在Ethernet 上的CIP 協(xié)議，IP 地址即插即用互操作的通用策略、裝置描述和恢復(fù)機(jī)制；網(wǎng)絡(luò)診斷議案；使用Web 技術(shù)；一致性測(cè)試需求；消除協(xié)議間差異的應(yīng)用接口等都是Ethernet/IP 模型的工作重點(diǎn)。

    基金現(xiàn)場(chǎng)總線FF 于2000 年也公布了工業(yè)Ethernet 規(guī)范，稱(chēng)為HSE（High SpeedEthernet，高速以太網(wǎng)）。作為原有高速總線H2 的替代，HSE 是以太網(wǎng)協(xié)議IEEE802.3、TCP/IP 協(xié)議族和FF H1 的結(jié)合體，運(yùn)行在100Base-T 以太網(wǎng)上，能支持低速總線H1 的所有功能，是對(duì)H1 的補(bǔ)充和增強(qiáng)。FF 現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)明確將HSE定位于實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)Internet 的集成。由HSE 連接設(shè)備將H1 網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)的主干上并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP 和管理系統(tǒng)。操作員在現(xiàn)場(chǎng)主控室可以直接使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器查看現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。HSE 通信模型有OSI 參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和應(yīng)用層，并在應(yīng)用層上增加了用戶(hù)層，形成6層的通信模式。在第四層，HSE 直接采用以太網(wǎng)+TCP/IP 的結(jié)構(gòu)形式。底層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3μ的最新技術(shù)和CSMA/CD 鏈路控制協(xié)議來(lái)進(jìn)行介質(zhì)的訪問(wèn)控制。采用TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)面向連接和無(wú)連接的數(shù)據(jù)傳送，并為分布式主機(jī)控制系統(tǒng)（DHCP）、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SMNMP）和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問(wèn)代理（FDA Agent）提供傳輸服務(wù)。HSE 系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理代理、功能塊、HSE 管理代理和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問(wèn)代理都位于用戶(hù)層和應(yīng)用層，提供設(shè)備的描述和訪問(wèn)，功能塊無(wú)需添加任何專(zhuān)用設(shè)備即可直接連入高速網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也從另一個(gè)方面增強(qiáng)了HSE 設(shè)備的互操作性，并通過(guò)鏈接設(shè)備（Linking Device）將FF H1 網(wǎng)絡(luò)鏈接到HSE 網(wǎng)段上。HSE 鏈接設(shè)備同時(shí)具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能，其網(wǎng)橋功能能夠用來(lái)連接多個(gè)H1 總線網(wǎng)段，使不同H1 網(wǎng)段上的H1 設(shè)備之間能夠?qū)Φ韧ㄐ哦鵁o(wú)需主機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)。HSE主機(jī)可以與所有鏈接設(shè)備和連接設(shè)備上掛接的H1 設(shè)備進(jìn)行通信，使操作數(shù)據(jù)能傳送到遠(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并接受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)表功能。監(jiān)視和控制參數(shù)可直接映射到標(biāo)準(zhǔn)功能或者“柔性功能塊”（FFB）中。

    2.3.3 以太網(wǎng)在工業(yè)通信領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)劣及改進(jìn)

    經(jīng)過(guò)上文的對(duì)比我們可以看出，與各種現(xiàn)場(chǎng)總線相比較，以太網(wǎng)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

    第一，以太網(wǎng)通信的開(kāi)放性好。由于有標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議作為底層，不同廠商的設(shè)備之間很容易互聯(lián)。這種特性非常適合于解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問(wèn)題。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEC/ISO802.3，受到廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，如Java、Visual C++、HDL 語(yǔ)言等。

    第二，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀竞唾M(fèi)用低廉。由于以太網(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，受到了硬件開(kāi)發(fā)商和生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，因此多種硬件產(chǎn)品供用戶(hù)選擇；與目前眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，價(jià)格也低廉得多（以太網(wǎng)網(wǎng)卡和線纜的價(jià)格比大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)卡和線纜的價(jià)格要低很多，約為后者的1/10）。在工程和應(yīng)用方面，由于以太網(wǎng)已經(jīng)沿用多年，已為眾多的技術(shù)人員所熟悉，并對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等有很多的經(jīng)驗(yàn)。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，有多種開(kāi)發(fā)格局可供選擇。現(xiàn)有的大量資源可以極大的降低以太網(wǎng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、培訓(xùn)和維護(hù)費(fèi)用，從而可有效降低系統(tǒng)的整體成本，加快系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣速度。

    第三，數(shù)據(jù)傳輸速率很高。以太網(wǎng)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率包括10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s,比目前任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都快，可以為工業(yè)通信提供足夠的帶寬。而且以太網(wǎng)資源共享能力強(qiáng)，在總線機(jī)制中利用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，很容易將I/O數(shù)據(jù)輸入到信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)很容易以實(shí)時(shí)方式與信息系統(tǒng)上的資源、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)共享；以太網(wǎng)從扁平的總線共享模式發(fā)展到結(jié)構(gòu)化的交換模式以后，任何一種段之間的通信通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)，由于可以給每個(gè)端口都配置獨(dú)立的沖突域（Collision Domain），不存在信道共享引起的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，系統(tǒng)的通信容量成倍增加。相同通信量的條件下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕，而網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕則意味著傳輸效率的提高。

    第四，遠(yuǎn)程技術(shù)的應(yīng)用。以太網(wǎng)由于具有比較通用的協(xié)議，很容易與Internet連接。在可能的情況下，幾乎在任何城市、任何地方都可以利用Internet 網(wǎng)絡(luò)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)視控制，而Web 技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程設(shè)備管理、遠(yuǎn)程軟件維護(hù)和遠(yuǎn)程設(shè)備診斷。

    第五，容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，有利于資源共享。由于TCP/IP 協(xié)議的通用性，以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫連接；隨著實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式平臺(tái)的發(fā)展，嵌入式控制器，智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀器儀表可以方便的介入以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，直至與Internet 相連；容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，組建統(tǒng)一的企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上的用戶(hù)無(wú)論處于什么地方，也無(wú)論資源的物理位置在哪里，都能使用網(wǎng)絡(luò)中的共享數(shù)據(jù)、設(shè)備及其他服務(wù)，極大的解除了地理位置上的束縛，這種強(qiáng)大的資源共享能力得益于以太網(wǎng)的巨大用戶(hù)群，是目前其他任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線都無(wú)法比擬的。第六，支持多種物理介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)支持多種傳輸介質(zhì)，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無(wú)線等，使用戶(hù)可根據(jù)帶寬、距離、價(jià)格等因素作多種選擇。以太網(wǎng)支持總線型和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)可采用多種冗余連接方式，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

    第七，工業(yè)以太網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿�巨大。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)無(wú)可爭(zhēng)議的成為管理層的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，監(jiān)控層也逐漸由RS-485、RS-232 等串行通信方式逐漸統(tǒng)一到以太網(wǎng)。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政治等方面的因素，以太網(wǎng)還沒(méi)有直接應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，市場(chǎng)上形成了多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存的局面，這就給以太網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展提供的巨大的潛力空間。

    總之，與傳統(tǒng)的總線傳輸相比較，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，如表2-1所示。

    當(dāng)然，盡管以太網(wǎng)具備以上諸多的優(yōu)點(diǎn)，但作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，以太網(wǎng)是為IT 領(lǐng)域應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，傳統(tǒng)上也用于商業(yè)和通信的局域網(wǎng)絡(luò)，最初的以太網(wǎng)主要目的是分布的主機(jī)之間的資源共享，只考慮到傳輸數(shù)據(jù)，因此采用共享式，網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)相等。同時(shí)，采用CSMA/CD 介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制來(lái)處理信道的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。采用這種機(jī)制，以太網(wǎng)上各站點(diǎn)無(wú)需要依靠中心控制就能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較小時(shí)，沖突很少發(fā)生，因此延遲低。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增大時(shí)，就容易出現(xiàn)沖突，網(wǎng)絡(luò)性能隨之降低。由于沖突的處理具有隨機(jī)性，因此數(shù)據(jù)發(fā)送的通信延遲不確定，不能保證通信的實(shí)時(shí)性。因此，以太網(wǎng)直接引入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，還需要解決以下突出的幾個(gè)問(wèn)題：

    表2-1 總線傳輸與以太網(wǎng)傳輸優(yōu)缺點(diǎn)比較

    首先，以太網(wǎng)的信息傳輸存在實(shí)時(shí)性差和不確定性，以太網(wǎng)在MAC 層采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）的媒體訪問(wèn)機(jī)制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用二進(jìn)制指數(shù)后退算法處理沖突，因此具有通信延遲不確定的缺陷，也就是實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，并成為它在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層實(shí)時(shí)環(huán)境中應(yīng)用的主要障礙。特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí)，以太網(wǎng)不能滿(mǎn)足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求。而對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)通信延遲的“不確定性”會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，控制效果不穩(wěn)定，甚至?xí)�引起系統(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時(shí)，還會(huì)因報(bào)警信息不能及時(shí)得到響應(yīng)，而導(dǎo)致災(zāi)難事件的發(fā)生，這是它應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)主要障礙。雖然以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信技術(shù)以及IEEE802.1p&q 規(guī)定的優(yōu)先級(jí)技術(shù)在一定的程度上避免了碰撞，但也存在著一定的局限性：以太網(wǎng)交換機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制同樣是通信延遲具有不確定性，通信延遲的不確定性主要來(lái)自于其排隊(duì)延遲。無(wú)論采用那種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)同時(shí)來(lái)自于多個(gè)端口的報(bào)文需要向同一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，交換機(jī)就必須將這些報(bào)文進(jìn)行排隊(duì)緩沖，并依次轉(zhuǎn)發(fā)。因此，交換機(jī)的緩沖池大小將直接影響了來(lái)自于某一端口的報(bào)文能否及時(shí)被成功轉(zhuǎn)發(fā)；另外，以太網(wǎng)交換機(jī)存在著“廣播風(fēng)暴”問(wèn)題，由于對(duì)于ARP，組播等協(xié)議，以太網(wǎng)有著其固有的處理方式，這種處理方式應(yīng)用在工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中用來(lái)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生碰撞。

    其次，以太網(wǎng)的可靠性，安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備應(yīng)該具有高可靠性，即能夠抗沖擊、耐振動(dòng)、耐腐蝕、防塵、防水以及具有比較好的電磁兼容性。而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要應(yīng)用于辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，其所用插接件、集線器、交換機(jī)和通信線纜都是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，抗干擾能力差，難以滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境要求。同時(shí)，在工廠環(huán)境中，以太網(wǎng)抗電磁干擾（EMI）性能較差，很多以太網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的總線供電機(jī)制如果用于危險(xiǎn)場(chǎng)合，以太網(wǎng)不具備本質(zhì)安全性能。因此以太網(wǎng)不能通過(guò)信號(hào)線向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。

    最后，以太網(wǎng)缺乏應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了ISO/OSI 參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，即使再加上TCP/IP 協(xié)議也只是提供了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能，兩個(gè)設(shè)備想要正常通信，必須使用相同的語(yǔ)言規(guī)則，也就是說(shuō)還必須有統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，目前，商用計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域采用的應(yīng)用層協(xié)議主要是FTP（文件傳輸協(xié)議）、Telnet（遠(yuǎn)程登錄協(xié)議）、SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議）、HTTP（超文本傳輸協(xié)議）等。這些協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性不符合工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信要求。因此，需要制定統(tǒng)一的適用于控制領(lǐng)域的應(yīng)用層協(xié)議。這也是本文主要的研究動(dòng)機(jī)之一。

    隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通信的特點(diǎn)，在以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上增加一些改進(jìn)措施，使以太網(wǎng)可以直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。隨著以太網(wǎng)傳輸速率的提高和以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題在工業(yè)以太網(wǎng)中正在被迅速的解決，并使以太網(wǎng)全面應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域乃至全面應(yīng)用于制造企業(yè)信息化全程中成為可能。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強(qiáng)等特點(diǎn)和要求，經(jīng)過(guò)認(rèn)真細(xì)致的調(diào)研和分析，采用一些技術(shù)可以解決以太網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的關(guān)鍵問(wèn)題。其中包括以太網(wǎng)交換技術(shù)、全雙工通信、流量控制等技術(shù)，以及確定性數(shù)據(jù)通信調(diào)度控制策略、簡(jiǎn)化通信軟件層次、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)微網(wǎng)絡(luò)化等針對(duì)工業(yè)過(guò)程控制的通信實(shí)時(shí)性措施，解決了以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性。總體上來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)用于工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)在四個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)：

    一、信息傳輸實(shí)時(shí)性和確定性的改進(jìn)

    最近幾年來(lái)，以太網(wǎng)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中，交換式以太網(wǎng)技術(shù)、高速以太網(wǎng)技術(shù)、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)、全雙工通信技術(shù)、IP 的服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)的發(fā)展與相互結(jié)合和應(yīng)用，大大的提高了以太網(wǎng)系統(tǒng)中的信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性。特別是快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題帶來(lái)了契機(jī)，使這一應(yīng)用成為可能：首先，以太網(wǎng)的通信速率從10Mb/s、100Mb/s發(fā)展到現(xiàn)在的1000Mb/s、10Gb/s，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意

    味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，即網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降，這樣通信介質(zhì)的占用時(shí)間也將隨之降低，有效的降低了網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率。第二，在應(yīng)用過(guò)程中，系統(tǒng)可采用全雙工通信技術(shù)使端口之間的兩對(duì)雙絞線（或光纖）分別同時(shí)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使系統(tǒng)不再受到CSMA/CD 的約束，這樣，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀時(shí)不會(huì)再發(fā)生碰撞，沖突域也就不復(fù)存在，不會(huì)產(chǎn)生方式?jīng)_突；還可以采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行不同的功能層、不同的部門(mén)區(qū)分的邏輯劃分，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全性和確定性。IP 的服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)的應(yīng)用則能使本設(shè)計(jì)方案在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中區(qū)分實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，識(shí)別數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化、控制網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷，提高系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性。第三，在實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)境中采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用專(zhuān)用的工業(yè)交換機(jī)來(lái)分割總線上的沖突域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸信道的獨(dú)享。交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段，由于交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，各端口之間輸入和輸出的數(shù)據(jù)幀能夠得到緩沖，不再發(fā)生碰撞；同時(shí)交換機(jī)還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)，也不占用其他網(wǎng)段的帶寬，從而降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

    在（全雙工通信），或碰撞幾率大大降低（半雙工通信），為此Ethernet 通信的確定性和實(shí)時(shí)性將大大提高。

    另外，還可以采用軟件方式來(lái)解決工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問(wèn)題，就是在一定的帶寬資源基礎(chǔ)上，由軟件調(diào)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、確定性通信功能。

    二、通信可靠性的改進(jìn)

    為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求，一些廠家已經(jīng)推出了工業(yè)級(jí)的以太網(wǎng)設(shè)備，用于提高以太網(wǎng)的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，主干網(wǎng)絡(luò)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接可采用屏蔽雙絞線。對(duì)于重要的網(wǎng)段和節(jié)點(diǎn)的通信器件采用冗余配置和自動(dòng)無(wú)縫切換（熱備份），在可能的情況下配置一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，不斷監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信狀況以及每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟硬件工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就能夠迅速將故障點(diǎn)隔離開(kāi)來(lái)，并做出相應(yīng)報(bào)警。所有這些手段都可以有效地提高以太網(wǎng)通信的可靠性和穩(wěn)定性。

    以太網(wǎng)的插接件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。在工廠環(huán)境中，以太網(wǎng)抗干擾性能較差。若直接將辦公用的以太網(wǎng)用于危險(xiǎn)場(chǎng)合，則不具備本質(zhì)安全特性，也不允許具有通過(guò)信號(hào)線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的性能，辦公環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的對(duì)比如表2-2 所示。

    表2-2 辦公室環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的比較

    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述問(wèn)題正在迅速得到解決。在不間斷的工業(yè)領(lǐng)域，為了解決在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能夠穩(wěn)定工作的問(wèn)題，美國(guó)Synergetic 微系統(tǒng)公司和德國(guó)Hirschman 公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器和交換機(jī)系列產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN 導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，插接件采用牢固的DB-9 結(jié)構(gòu)。同時(shí)，各大老牌網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商如美國(guó)Cisco 公司、加拿大Nortel 公司對(duì)其已有的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠具有冗余電源備份，耐高溫、耐沖擊性大大提高，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種特殊需求，而我國(guó)的本土網(wǎng)絡(luò)制造企業(yè)華為也對(duì)已有的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)以太網(wǎng)的要求。控制領(lǐng)域的領(lǐng)先者，我國(guó)臺(tái)灣省的企業(yè)研華公司也針對(duì)工業(yè)通信行業(yè)推出了相應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。

    現(xiàn)在的工業(yè)Ethernet 現(xiàn)場(chǎng)總線采用一種稱(chēng)為連接裝置（Linking Device）的類(lèi)似帶開(kāi)關(guān)的集線器結(jié)構(gòu)，很好地解決了Ethernet 的時(shí)間確定性問(wèn)題。目前，Profibus、 DeviceNet、ControlNet 和LonWorks 等都打算使用Ethernet。這些公司都在研究通過(guò)隧道（Tunnel）的簡(jiǎn)單傳輸機(jī)構(gòu)，使用Ethernet 傳送報(bào)文傳統(tǒng)的Ethernet 并不是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，沒(méi)有考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械、氣候、塵埃等環(huán)境條件非常惡劣，因此對(duì)設(shè)備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須具備較好的可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性。

    三、本質(zhì)安全和總線供電

    本質(zhì)安全是與隔爆型技術(shù)相對(duì)比而言的，本質(zhì)安全技術(shù)采用抑制點(diǎn)火源能量的防爆手段。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的關(guān)鍵技術(shù)為低功耗技術(shù)和本質(zhì)安全防爆技術(shù)。由于以太網(wǎng)收發(fā)器本身的功耗都比較大（300W 左右），基于以太網(wǎng)的低功耗現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和交換機(jī)的設(shè)計(jì)比較困難。對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)采用隔爆防爆的措施非常必要。

    總線供電指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。如果要求總線供電保持本質(zhì)安全，需要采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術(shù)，為此，各工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)制造廠商都設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)供電或者總線供電的以太網(wǎng)集線器，解決了以太網(wǎng)總線的供電問(wèn)題。

    對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總線供電可采用以下兩種方法：第一，在目前的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)調(diào)制到一個(gè)直流或低頻交流電源上，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端再將這兩路信號(hào)分離開(kāi)來(lái)。采用這種方法時(shí)必須注意，修改后的以太網(wǎng)應(yīng)在物理層上與傳統(tǒng)以太網(wǎng)兼容；第二，不改變目前物理層的結(jié)構(gòu)，及應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的以太網(wǎng)仍然使用目前的物理層協(xié)議，而通過(guò)連接電纜中的空閑線纜為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源。相比而言，第一種方法雖然實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)DCS 以及FF、Profibus 等現(xiàn)場(chǎng)總線所采用的總線供電方法一致，做到了一線二用，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)布線，但這種修改后的以太網(wǎng)設(shè)備與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備不再能夠直接互聯(lián)，而必須增加額外的轉(zhuǎn)接設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)備（如計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)卡）的連接。

    四、工業(yè)控制中使用Ethernet 如何獲得技術(shù)支持

    通常可以采用軟件解決方案來(lái)提高Ethernet 在工業(yè)領(lǐng)域的性能，其特點(diǎn)為：第一，在一定的帶寬資源基礎(chǔ)上，由軟件調(diào)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、確定性通信功能；第二，改進(jìn)協(xié)議。對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)報(bào)劃分不同的優(yōu)先級(jí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)的不同，依據(jù)“傳輸前等待優(yōu)先權(quán)以太網(wǎng)“算法征用信道，保證重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)先獲得信道使用權(quán)；第三，在傳輸層采用UDP 比TCP 協(xié)議更能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求；第四，通過(guò)設(shè)計(jì)新的應(yīng)用層協(xié)議來(lái)更好地利用以太網(wǎng)的特性為工業(yè)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，重新定義應(yīng)用層服務(wù)和協(xié)議，是應(yīng)用進(jìn)程之間能夠通過(guò)這些服務(wù)相互傳遞信息，比如，定義基于XML 可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言的設(shè)備描述方法等。

    由于采用與商用以太網(wǎng)相同的技術(shù)，因此工業(yè)以太網(wǎng)具有最廣泛的支持網(wǎng)絡(luò)和資源。國(guó)際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)（www.industrial.ethernet.com）和IAONA（www.iaona.com），并與研究中心等機(jī)構(gòu)合作，開(kāi)展工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）正著手制定現(xiàn)場(chǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的新標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)讓網(wǎng)絡(luò)直接看到對(duì)象（object）。這些工作為以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)打下了基礎(chǔ)。

    五、Ethernet 與網(wǎng)絡(luò)安全的問(wèn)題

    工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全是工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用必須考慮的另一個(gè)安全性問(wèn)題。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。一般情況下，可采用網(wǎng)關(guān)或者防火墻等對(duì)工業(yè)網(wǎng)路與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，還可以通過(guò)權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。在特別重要的應(yīng)用場(chǎng)合，甚至可以用物理隔絕的工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)保證安全。

    在工廠運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不意味著工廠網(wǎng)絡(luò)一定要連接到互聯(lián)網(wǎng)。如果采用網(wǎng)絡(luò)的工廠連入互聯(lián)網(wǎng)均適用TCP/IP，這樣就面臨互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)似的安全問(wèn)題，這時(shí)候可以采用互聯(lián)網(wǎng)的安全解決方案如采用RSA、VPN 提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)，利用身份識(shí)別技術(shù)（硬件、軟件），用戶(hù)權(quán)限、用戶(hù)密碼的安全機(jī)制等。隨著生物信息技術(shù)的發(fā)展，指紋、聲音等生物信息的應(yīng)用也將會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

    2.4 國(guó)內(nèi)液晶生產(chǎn)線現(xiàn)狀及行業(yè)特點(diǎn)

    液晶制造行業(yè)在國(guó)內(nèi)尚未有成形的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，也沒(méi)有成功的企業(yè)信息系統(tǒng)可以供參考，摸著石頭過(guò)河成為液晶行業(yè)MES 實(shí)施的主題，本節(jié)將從液晶行業(yè)信息化實(shí)施背景出發(fā)，分析了液晶行業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)。

    2.4.1 液晶顯示器的材料組成及目前技術(shù)發(fā)展情況

    LCD 為英文Liquid Crystal Display 的縮寫(xiě)，即液晶顯示器，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過(guò)液晶和彩色過(guò)濾器過(guò)濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。 當(dāng)前LCD液晶顯示器正處于發(fā)展的鼎盛時(shí)代，技術(shù)發(fā)展非常迅速，已由最初的TN－LCD（扭曲向列相），發(fā)展到STN－LCD（超扭曲向列相），再到當(dāng)前的TFT－LCD（薄膜晶體管）。LCD 現(xiàn)已發(fā)展成為技術(shù)密集、資金密集型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。液晶顯示器主要由導(dǎo)電玻璃、液晶、偏光片、封接材料（邊框膠）、導(dǎo)電膠、取向?qū)印⒁r墊料等組成。液晶顯示器制造工藝流程就是這些材料的加工和組合過(guò)程。

    2.4.2 液晶顯示器制造行業(yè)特點(diǎn)

    由于液晶顯示器（LCD）市場(chǎng)的變化需求很快，這就要求LCD 生產(chǎn)企業(yè)有必要建立起一套面向市場(chǎng)的生產(chǎn)組合，能迅速根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行生產(chǎn)；而LCD 要求的大批量生產(chǎn)也希望建立起一套通過(guò)簡(jiǎn)單輸入就能反映經(jīng)營(yíng)者判斷的管理系統(tǒng)；同時(shí)，出于液晶面板材料和設(shè)備零部件供應(yīng)周期長(zhǎng)，需要建立起包括客戶(hù)、零部件供應(yīng)商在內(nèi)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)（SCM）。結(jié)合制造行業(yè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分析可以發(fā)現(xiàn)，LCD 生產(chǎn)企業(yè)有以下的行業(yè)特點(diǎn)：

    第一，生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)階段分明。整個(gè)生產(chǎn)線分成三個(gè)階段，分別位于三個(gè)車(chē)間，陣列（工藝上又稱(chēng)ARRAY）車(chē)間以液晶基板的生產(chǎn)為主，玻璃基板開(kāi)始輸入到陣列廠房，經(jīng)過(guò)清洗和一系列化學(xué)處理以后，輸出可以作為液晶面板使用的液晶玻璃；成盒（工藝上稱(chēng)CELL）車(chē)間主要將液晶玻璃和彩色濾光片貼合，并根據(jù)需要切割成不同尺寸的液晶面板；模塊（又稱(chēng)MODULE 或者LCM）車(chē)間將切割后的面板加上背光源，驅(qū)動(dòng)電路和各種接口形成可以接駁顯示源的顯示器。

    第二，各生產(chǎn)階段自動(dòng)化程度逐漸降低。三個(gè)車(chē)間中，陣列車(chē)間的生產(chǎn)由于涉及大量的化學(xué)設(shè)備、有毒有害裝置和放射性設(shè)備，對(duì)自動(dòng)化要求程度最高，車(chē)間內(nèi)無(wú)操作人員，液晶基板的運(yùn)輸通過(guò)自動(dòng)搬運(yùn)裝置（Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)AGV）實(shí)現(xiàn)；模塊車(chē)間工序繁多復(fù)雜，而且由于客戶(hù)需求不同變動(dòng)較大，需要人工校準(zhǔn)的工序眾多，因此自動(dòng)化要求最低，操作人員流動(dòng)性很大；成盒車(chē)間介于兩者之間，有部分操作人員，半自動(dòng)設(shè)備居多，需要部分操作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，設(shè)備基本固定。

    第三，生產(chǎn)區(qū)域潔凈度要求較高。由于日常空氣中的微小顆粒會(huì)對(duì)液晶面板的品質(zhì)產(chǎn)生很大影響，液晶生產(chǎn)需要在無(wú)塵的環(huán)境下進(jìn)行，各個(gè)階段的生產(chǎn)工藝對(duì)無(wú)塵的要求不一致，陣列廠房在對(duì)玻璃基板進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候無(wú)塵要求最高；成盒廠房次之；模塊廠房由于液晶面板已經(jīng)封裝，對(duì)無(wú)塵要求最低。

    第四，生產(chǎn)工藝連貫性強(qiáng)，要求全線生產(chǎn)。液晶面板的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，每道工序?qū)�輸入輸出的時(shí)間要求很強(qiáng)，前一道工序完成后，后一道工序必須要在某個(gè)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，否則就會(huì)產(chǎn)生不良品，這對(duì)生產(chǎn)線控制的可靠性提出了很高的要求。總之，和一般行業(yè)相比，液晶制造行業(yè)所具有的行業(yè)特點(diǎn)如表2-3 所示：

    表2-3 液晶制造行業(yè)特點(diǎn) 

    2.5 MES 實(shí)施中的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題

    鑒于作為實(shí)例的液晶面板生產(chǎn)線具有的特點(diǎn)，并要求實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)線監(jiān)視控制，這樣MES 的實(shí)施就面對(duì)了兩個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題：如何統(tǒng)一將生產(chǎn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)送入MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，如何把MES 系統(tǒng)中的控制信號(hào)快速送到設(shè)備從而執(zhí)行，本文將主要解決前一個(gè)問(wèn)題，并提出后一個(gè)問(wèn)題的解決方案。

    生產(chǎn)設(shè)備來(lái)自各個(gè)廠商，并且在每個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)設(shè)備通信制式和通信特點(diǎn)有著很大的差別，經(jīng)過(guò)對(duì)比后，對(duì)于不同設(shè)備之間、設(shè)備與MES 服務(wù)器之間的通信，MES系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，針對(duì)通信制式不統(tǒng)一的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出適合于工業(yè)生產(chǎn)線的高層協(xié)議，通過(guò)協(xié)議封裝的方式來(lái)解決通信格式不統(tǒng)一的問(wèn)題。

    MES 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)的進(jìn)度需要對(duì)各個(gè)設(shè)備發(fā)出控制命令，通過(guò)分析研究，最終采用的解決方案簡(jiǎn)述為：將這些控制命令按照車(chē)間劃分統(tǒng)一先傳到一個(gè)控制終端服務(wù)器（Virtual Flexible Communication Terminal Server，簡(jiǎn)稱(chēng)VFCT 服務(wù)器），VFCT 服務(wù)器會(huì)和終端設(shè)備保持高速的同步，以便能將控制信號(hào)實(shí)時(shí)的送到設(shè)備上進(jìn)行執(zhí)行。

    2.6 本章小結(jié)

    本章主要分析了液晶生產(chǎn)企業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)，針對(duì)這種行業(yè)特點(diǎn)對(duì)MES 的實(shí)施進(jìn)行需求分析；對(duì)通信行業(yè)在制造型企業(yè)中的發(fā)展歷史做了回顧，通過(guò)對(duì)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及以太網(wǎng)在工業(yè)中應(yīng)用進(jìn)行了分析比較。指出傳統(tǒng)的總線傳輸機(jī)制和新興的工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)劣，提出對(duì)以太網(wǎng)的改進(jìn)的方法并進(jìn)行進(jìn)一步闡述。

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工業(yè)以太網(wǎng)在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用（一）上
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