1.1 研究背景的提出
隨著企業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷推廣，企業(yè)信息化應(yīng)用水平逐漸提高，制造型企業(yè)越來越需要車間執(zhí)行層的管理信息系統(tǒng)。因此，如何深刻理解MES 內(nèi)涵，把握發(fā)展趨勢，在我國企業(yè)中開發(fā)和應(yīng)用好MES，對(duì)于提高企業(yè)競爭力，縮小與發(fā)達(dá)國家企業(yè)差距是迫在眉睫的事情，也是將企業(yè)信息化水平向深層次推進(jìn)的需要。
MES 是制造執(zhí)行系統(tǒng)（ Manufacturer Execution System ） 的簡稱， MESAInternational（MES 國際聯(lián)合會(huì)）對(duì)MES 的定義是：MES 能通過信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)至產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES 能對(duì)其做出及時(shí)反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理。這種對(duì)狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES 能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動(dòng)，有效地指導(dǎo)工廠的生產(chǎn)運(yùn)作過程，從而既能提高工廠及時(shí)交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報(bào)率。MES 還能通過雙向的直接通訊在企業(yè)內(nèi)部和整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中，提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息。
在MES 的應(yīng)用中，由于一些國際廠商集中掌握了底層設(shè)備通信的主要專利，這樣就使得后進(jìn)入該領(lǐng)域的一些廠商和工廠十分的被動(dòng)，一方面需要支付大量的專利費(fèi)用，另一方面廠商選擇的排他性也剝奪了企業(yè)擇優(yōu)選擇的權(quán)利。如何利用現(xiàn)有的開放的協(xié)議，發(fā)出一套可以解決底層通信問題的協(xié)議框架，成為我國在這個(gè)領(lǐng)域首要解決的問題之一。
1.2 國內(nèi)外MES 發(fā)展情況
20 世紀(jì)80 年代中期以后，伴隨著客戶對(duì)產(chǎn)品需求的多樣化，制造企業(yè)的生產(chǎn)模式開始由大量的剛性生產(chǎn)向多品種少批量的柔性生產(chǎn)轉(zhuǎn)變；伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)的信息系統(tǒng)也開始從局部的、時(shí)段性處理方式轉(zhuǎn)向全局的、實(shí)時(shí)處理方式。期間出現(xiàn)了精良生產(chǎn)、敏捷制造等新的理念和方法；在管理系統(tǒng)軟件領(lǐng)域從MRP（Materials Requirements Planning，物料需求計(jì)劃），到MRPⅡ（Manufacturing Resource Planning ，制造資源計(jì)劃），直至ERP （ EntERPriseResource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)的迅速普及；在過程控制領(lǐng)域，PLC（Programmable Logic Controllers，可編程邏輯控制器）、DCS（Distributed ControlSystem，分布式控制系統(tǒng)）得到廣泛應(yīng)用[1]。
1.2.1 MES 歷史
MES 概念的明確提出是在1990 年，由AMR 組織(美國的咨詢調(diào)查公司AdvancedManufacturing Research-AMR)首次提出并開始采用。但是在AMR 提出MES 概念之前，20 世紀(jì)70 年代后半期開始，就已經(jīng)有了一些設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、工序數(shù)據(jù)采集的簡單系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常只是單一功能的系統(tǒng)或者軟件產(chǎn)品，有些甚至只是一些規(guī)范和流程，但是這些系統(tǒng)已經(jīng)具備了MES 的基本特征，有些已經(jīng)具有產(chǎn)品質(zhì)量管理和生產(chǎn)進(jìn)度回溯等分析功能。
AMR 提出了基于三層結(jié)構(gòu)的企業(yè)信息化體系，處于最高層的是計(jì)劃層，主要使用ERP、EBS 等企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)。中間是MES 所在的執(zhí)行層，起到連接計(jì)劃層和控制層的連接作用。底層為與設(shè)備緊密聯(lián)系的控制層，主要由單臺(tái)設(shè)備自身所帶的控制系統(tǒng)構(gòu)成。
此后，國際上有關(guān)組織意識(shí)到MES 需要更加詳細(xì)明確的定義，美國的MESA 協(xié)會(huì)(Manufacturing Execution System Association International)成立于1992 年，是繼AMR 組織之后，為促進(jìn)MES 的普及和標(biāo)準(zhǔn)化的團(tuán)體，該協(xié)會(huì)經(jīng)常發(fā)布關(guān)于MES白皮書，還有客戶使用MES 后的效果調(diào)查報(bào)告。他們提出了MES 的11 個(gè)主要功能：(1)生產(chǎn)資源分配與監(jiān)控；(2)作業(yè)計(jì)劃和排產(chǎn)；(3)工藝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)管理；(4)數(shù)據(jù)采集；(5)作業(yè)員工管理；(6)產(chǎn)品質(zhì)量管理；(7)過程管理；(8)設(shè)備維護(hù)；(9)績效分析；(10)生產(chǎn)單元調(diào)度；(11)產(chǎn)品跟蹤。ARM 把這11 個(gè)功能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的整體方案稱為MESⅡ（Manufacturing Execution Solution，制造執(zhí)行解決方案）。
20 世紀(jì)90 年代，由于MES 已經(jīng)成為企業(yè)的各種生產(chǎn)設(shè)備和現(xiàn)場管理的綜合性系統(tǒng)，集成了現(xiàn)場管理所需要的各種功能，所以又被冠名為Integrated MES（I-MES，集成MES），全面覆蓋生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、滾動(dòng)調(diào)度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)校正、稅率計(jì)算、成本控制、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、KPI 指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控、績效分析、流程模擬、質(zhì)量控制、在線優(yōu)化、先進(jìn)控制、資產(chǎn)管理、設(shè)備診斷維護(hù)、庫存管理自動(dòng)化、在線調(diào)優(yōu)和優(yōu)化控制、質(zhì)量控制、比率控制，并且下聯(lián)DCS、PLC、ESD(緊急停車系統(tǒng))和ASM(異常事件管理系統(tǒng))，上聯(lián)ERP、SCM、HSE、E-Business、E-Cooperation 和DSS(決策支持系統(tǒng))，成為名副其實(shí)的生產(chǎn)企業(yè)信息管理系統(tǒng)[20]。
1.2.2 國內(nèi)MES 發(fā)展情況
盡管在國外MES 和ERP 的概念同一年提出，但是ERP 卻比MES 的發(fā)展勢頭迅猛。在國內(nèi)，盡管關(guān)于MES 的研究、開發(fā)和應(yīng)用只是近年來的事情，但與國外的差距還是不大。
20 世紀(jì)90 年代初期，中國就開始對(duì)MES 以及ERP 的跟蹤研究、宣傳或試點(diǎn)，而且曾經(jīng)提出了“管控一體化”，“人、才、物、產(chǎn)、供、銷”等頗具中國特色的CIMS、MES、ERP、SCM 等概念，只是總結(jié)、歸納、宣傳、堅(jiān)持或者提煉、提升不夠，發(fā)展勢頭不快。
據(jù)稱，中國最早的MES 是20 世紀(jì)80 年代寶鋼建設(shè)初期從SIEMENS 公司引進(jìn)的。中國工業(yè)信息化基本上是沿著西方工業(yè)國家的軌跡前進(jìn)，只是慢半拍而已。70-80 年代以工廠自動(dòng)化為主，80-90 年代以管理信息化為主。進(jìn)入21 世紀(jì)初，仍然以提升工廠自動(dòng)化水平，普及DCS、SCADA、PLC、FCS 和提升管理信息化水平，由開發(fā)MIS轉(zhuǎn)向推廣普及ERP 為主。但是，盡管MES 層仍然是斷層、殘缺環(huán)和狹縫，人們對(duì)MES的概念、MES 在企業(yè)信息化的地位已不陌生，并開始形成共識(shí)。幾乎絕大多數(shù)大學(xué)和工業(yè)自動(dòng)化研究單位，甚至于國家、省、市級(jí)政府主管部門都開始跟蹤、研究MES，具體表現(xiàn)為開設(shè)MES 課程，培養(yǎng)MES 研究生，成立工程技術(shù)研究、先進(jìn)制造技術(shù)、制造業(yè)信息化工程等相關(guān)研究中心和實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)MES 網(wǎng)站、論壇和專欄，籌辦、主辦MES 國際研討會(huì)，將MES 納入國家、省、市科技發(fā)展規(guī)劃，成立MES 公司和事業(yè)部，封閉開發(fā)MES 產(chǎn)品，借助國內(nèi)外產(chǎn)品實(shí)施MES 工程等等。真可謂是從中央到地方，從學(xué)會(huì)到協(xié)會(huì)，從IT 公司到制造生產(chǎn)廠，從綜合網(wǎng)站到專業(yè)網(wǎng)站，從綜合大學(xué)到專科院校，都卷入了MES 熱潮之中。
但是，從總體上看，相對(duì)于應(yīng)用來說，仍以研究居多，而且仍處于淺層研究；就產(chǎn)品來講，自主研發(fā)才剛剛開始，盡管有少數(shù)國內(nèi)IT 公司一方面模仿國外的模式，同時(shí)也總結(jié)提煉中國工業(yè)企業(yè)MES 層面的經(jīng)驗(yàn)(know-how)，但是仍以實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品居多，離商品化還有一段路程；就應(yīng)用來說，像冶金、石化、煙草、食品等行業(yè)雖已有應(yīng)用，但仍屬拓荒者或先行者。 具備I/O 的 Servers 支持OPC、DDE 等多種通訊接口協(xié)議，可連接到由和利時(shí)、橫河、霍尼韋爾、西門子、羅克韋爾、ABB、費(fèi)希爾羅斯蒙特、日立、三菱、歐姆龍等工業(yè)自動(dòng)化廠家生產(chǎn)的DCS、PLC、RTU 等設(shè)備。并提供ODBC 接口，可與ERP 等企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的管理控制一體化。
國內(nèi)知名的產(chǎn)品是浙大中控的ESP-Suite——企業(yè)綜合自動(dòng)化整體解決方案。浙大中控也是由從硬件單機(jī)到DCS 系統(tǒng)，從硬件系統(tǒng)到軟件系統(tǒng)，由DCS 層、ERP 層到MES 層的模式發(fā)展起來的。ESP-Suite 是面向流程工業(yè)企業(yè)的綜合自動(dòng)化整體解決方案，包括企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和過程控制系統(tǒng)(PCS)三個(gè)層次的軟件產(chǎn)品、工程與技術(shù)服務(wù)。ESP-Suite 企業(yè)綜合自動(dòng)化整體解決方案包括以綜合信息集成軟件平臺(tái)(基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫)和實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件平臺(tái)(基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫)為核心的一系列應(yīng)用軟件。
國內(nèi)還有一些接近T-MES、I-MES 和MES-Ⅱ的產(chǎn)品，不一一列舉。當(dāng)然，產(chǎn)品只是一個(gè)平臺(tái)，目前更加寬泛的定義是能夠?qū)崿F(xiàn)MES 功能并能夠靈活應(yīng)用于不同的生產(chǎn)線上都可以稱之為MES 產(chǎn)品，更多的大型企業(yè)傾向于邊引進(jìn)邊消化，從知道“做什么”（Know-what）到“如何去做”（Know-how），最后力圖達(dá)到一個(gè)知道“為什么要這么做”（Know-why）的最終目的。
綜上所述，在國內(nèi)，雖然MES 起步較早，但是現(xiàn)在仍然沒有一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)和嚴(yán)格規(guī)范各行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。要推進(jìn)MES 的推廣和普及，任重而道遠(yuǎn)。
1.3 課題來源及研究目標(biāo)
本文研究的課題來源于上海廣電NEC 液晶顯示器有限公司（或簡稱“廣電NEC”）的制造信息化建設(shè)項(xiàng)目，是一條以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的MES 生產(chǎn)線控制管理系統(tǒng)。上海廣電NEC 液晶顯示器有限公司 (Shanghai SVA NEC Liquid Crystal DisplayCo.,Ltd，以下簡稱“廣電NEC”)注冊(cè)成立于2003 年11 月，擁有中國內(nèi)地第一條五代TFT-LCD(薄膜晶體管液晶顯示器)生產(chǎn)線，也是目前內(nèi)地產(chǎn)量最大的TFT-LCD 生產(chǎn)商，現(xiàn)在由上海廣電(集團(tuán))有限公司下屬上海廣電光電子有限公司(SVAO)、日本電氣株式會(huì)社(NEC)、大和證券SMBC 日本電氣株式會(huì)社(NEC)、大和證券SMBC 株式會(huì)社合資經(jīng)營項(xiàng)目總投資1586 億日元，(約13.79 億美元)，注冊(cè)資金714.08 億日元(約6.21億美元)上海廣電光電子有限公司占75%股份，其他股東共占25%股份。經(jīng)營范圍為“TFT-LCD 及其模塊的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、銷售及售后服務(wù)”。公司地處上海閔行莘莊工業(yè)區(qū)，占地20 萬平方米，由辦公樓、陣列廠房、成盒廠房、模塊廠房、動(dòng)力廠房、廢水處理廠房和中央變電站等組成，總建筑面積約16 萬平方米。截至2007 年8月，公司現(xiàn)有員工3455 人，其中管理人員、工藝人員和技術(shù)開發(fā)人員約700 人。董事會(huì)為公司的最高權(quán)力機(jī)構(gòu)，公司實(shí)行董事會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下的總經(jīng)理負(fù)責(zé)制。
2005 年11 月以廣電NEC 為核心規(guī)劃的“上海平板顯示產(chǎn)業(yè)基地” 揭牌成立，2007 年5 月被批準(zhǔn)為國家（上海）平板顯示器件產(chǎn)業(yè)園，總用地面積220 萬平方米。規(guī)劃建設(shè)投資60 億美元，形成年銷售額100 億美元的生產(chǎn)研發(fā)園區(qū)。主要建設(shè)上中下游配套的TFT-LCD 液晶顯示器產(chǎn)業(yè)鏈，即以廣電集團(tuán)為主體，將建立液晶研究所，建設(shè)玻璃基板、彩色濾色膜、偏光片、特種化學(xué)材料等上游企業(yè)，液晶電視、液晶顯示器、筆記本電腦等下游企業(yè)。國家（上海）平板顯示器件產(chǎn)業(yè)園的成立填補(bǔ)了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)空白[2]。
上海廣電NEC 液晶顯示器有限公司創(chuàng)建之初所面對(duì)的是幾乎完全空白的國內(nèi)液晶制造經(jīng)驗(yàn)，背負(fù)著打破國外壟斷、建立液晶產(chǎn)業(yè)鏈的使命，管理高層在工廠設(shè)計(jì)之初就清醒的認(rèn)識(shí)到：需要建立一套能夠?qū)⒌讓釉O(shè)備狀態(tài)納入管理體系的現(xiàn)場生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，掌握生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)變動(dòng)，使得任何生產(chǎn)工藝流程的變化都能夠通過生產(chǎn)線管理系統(tǒng)記錄觀察。因?yàn)樯a(chǎn)工藝全部來自進(jìn)口，對(duì)任何工藝上的變化調(diào)整，都需要進(jìn)行分析，這樣也可以達(dá)到自己吸收成長的目的。在決定進(jìn)行MES 項(xiàng)目實(shí)施之前，廣電NEC 已經(jīng)實(shí)施了ERP 系統(tǒng)，但是BOM 和MRP模塊明顯不能滿足液晶行業(yè)的巨大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜工藝的要求，因此由工場長帶頭的管理層希望能夠在車間實(shí)施MES 系統(tǒng)，要求能夠?qū)⒏鞣N來自不通廠商的復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)備集群的控制系統(tǒng)相連接，使得整個(gè)公司的信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以訂單為基礎(chǔ)，通過ERP 制定出生產(chǎn)計(jì)劃，MES 以生產(chǎn)計(jì)劃為基本輸入來進(jìn)行生產(chǎn)線控制并生產(chǎn)出產(chǎn)品，最后將結(jié)果（產(chǎn)品入庫）提交給ERP。
1.4 論文組織結(jié)構(gòu)及章節(jié)編排
本文從MES 在液晶生產(chǎn)線的應(yīng)用入手，研究了MES 和下層通訊在整個(gè)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用方式和應(yīng)用功能，其中著重對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使得整個(gè)MES系統(tǒng)繞開了很多專利的束縛，同時(shí)將會(huì)開發(fā)一套簡潔實(shí)用的通信方式，可以適應(yīng)不同環(huán)境下的通信要求，更加符合制造業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)，驗(yàn)證MES 在復(fù)雜工藝的制造型企業(yè)內(nèi)所發(fā)揮的作用。
全文共分為五章，論文的組織結(jié)構(gòu)安排如下：
第一章：引言，簡要介紹MES 發(fā)展變革歷史，課題研究的背景，本次論文的課題來源等，并給出了本篇論文的整體結(jié)構(gòu)；
第二章：對(duì)國內(nèi)外通信的發(fā)展情況進(jìn)行了分析，簡述通信系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展歷史，詳細(xì)描述了工業(yè)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展情況，并結(jié)合實(shí)際情況比較兩者的優(yōu)劣。同時(shí)介紹了制造行業(yè)的基本情況，著重介紹了液晶行業(yè)的生產(chǎn)工藝，通過工藝流程來了解液晶生產(chǎn)線的行業(yè)特點(diǎn)，分析制造行業(yè)信息化中所可能碰到的部分問題；
第三章：在工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)出高級(jí)通信引擎消息管理機(jī)制（ACE-MD），并描述MES 在液晶企業(yè)信息系統(tǒng)中的地位，分析MES 實(shí)施中碰到的通信問題，根據(jù)之前介紹的知識(shí)背景提出兩種解決方案，根據(jù)實(shí)際情況，選擇基于ACE-MD的解決方案并詳述具體的實(shí)施步驟，分析并用到其他知識(shí)的創(chuàng)新點(diǎn)；
第四章：根據(jù)設(shè)計(jì)出的ACE-MD 機(jī)制，延伸開發(fā)出MES 與設(shè)備層通信的模塊，并簡述實(shí)施后具體的應(yīng)用效果，基于工業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)備集成層的分析說明，同時(shí)解決了應(yīng)用服務(wù)器之間大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，最后給出了開發(fā)出的系統(tǒng)界面；第五章：總結(jié)與展望，進(jìn)行全文總結(jié)，說明了本論文對(duì)其他領(lǐng)域的借鑒和推廣意義。同時(shí)指出本論文開發(fā)出來的通信機(jī)制所存在的一些問題，提出該領(lǐng)域以后的研究方向。
第二章 國內(nèi)外工業(yè)通信發(fā)展及其在制造行業(yè)的應(yīng)用
近年來制造行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，從精益制造到“零庫存”概念的提出，可以說，對(duì)于信息化的制造系統(tǒng)來說，已經(jīng)沒有任何一個(gè)現(xiàn)成的生產(chǎn)線能代表所有制造行業(yè)的特點(diǎn)。因而分析研究制造行業(yè)的特點(diǎn)將成為關(guān)鍵的一步。隨著工業(yè)系統(tǒng)走向分布化和網(wǎng)絡(luò)化，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的核心內(nèi)容之一。工廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)和生產(chǎn)控制單元之間、控制器與各種生產(chǎn)設(shè)備之間、工廠管理系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)之間的信息流通已成為制造型企業(yè)的命脈。尤其是在MES 出現(xiàn)以后，MES 作為工業(yè)自動(dòng)化和信息化融合過程中的產(chǎn)物，其對(duì)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求更是體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。
論文將以液晶企業(yè)的生產(chǎn)線為主要研究對(duì)象，剖析制造信息化過程中對(duì)務(wù)求的考慮和解決需求的一個(gè)思路。介紹國外工業(yè)通信化的發(fā)展情況，分析國外廠商壟斷這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)專利的一些原因，提出打破這種技術(shù)壟斷缺口的希望，并將對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)在制造企業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)作進(jìn)一步闡述。
2.1 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和要求
現(xiàn)代工業(yè)對(duì)通信系統(tǒng)有很多要求，綜合工業(yè)生產(chǎn)的需求特點(diǎn)，主要可以歸納為以下幾點(diǎn)：
·在功能上，需要可靠的、以合理的成本滿足系統(tǒng)通信功能需求；l 開放性。系統(tǒng)盡可能的使用世界上已經(jīng)接受的標(biāo)準(zhǔn)并有廣泛可用的產(chǎn)品；l 集成。從辦公領(lǐng)域到控制和自動(dòng)化層（企業(yè)信息化從上而下）的縱向集成；l 保護(hù)投資。集成已有的通信和自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；
·用戶得益。在機(jī)器和成套系統(tǒng)的配置和運(yùn)行期間，可提高生產(chǎn)率并降低成本。
同時(shí)，為了滿足用戶的需求，在工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮以下特殊問題：
第一，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)時(shí)性。通常，制造自動(dòng)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求在0.01～0.5s，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間級(jí)別在0.5～2s。而信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間則是2～6s。顯然，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求高。
第二，高可靠性。工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕瑢?duì)于工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，必須解決環(huán)境適應(yīng)性問題，它包括電磁環(huán)境適應(yīng)性活電磁兼容性（EMC）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（耐溫、防水、防塵）、機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性（耐沖擊、耐振動(dòng)）。在易爆或可燃的場合，它應(yīng)具有本質(zhì)安全的性能。第三，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)需要解決不同廠商的產(chǎn)品和系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上相互兼容的問題，強(qiáng)調(diào)互操作性，因此它在現(xiàn)在通信系統(tǒng)所基于ISO/OSI（ InternationalOrganization for Standardization/Open System Interconnection，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/開放系統(tǒng)互連）的“開放系統(tǒng)互連的參考模型”上，加了用戶層，通過標(biāo)準(zhǔn)功能塊和裝置描述（DD）功能來解決這種完整的開放性通信。
第四，現(xiàn)場控制層設(shè)備間傳輸?shù)男畔㈤L度都比較小，通常僅為幾位比特或幾個(gè)、十幾、幾十個(gè)字節(jié)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捯蟛桓�。這些信息包括生產(chǎn)裝置運(yùn)行參數(shù)的測量值、空置量、開關(guān)與閥門的工作位置、報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備的資源與維護(hù)信息、系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改、零點(diǎn)與量程調(diào)校信息等。不過，現(xiàn)在隨著工業(yè)現(xiàn)場傳輸多媒體信息的需求在增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捯笠苍谠黾印?/p>
第五，工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)都遵循嚴(yán)格的時(shí)序。如圖2-1 所示，工序B 必須在上一道工序（工序A）完成之后的某段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，否則半成品可能由于化學(xué)反應(yīng)時(shí)間過長而成為廢品，也就是說，工序B 的等待操作時(shí)間必須控制在一個(gè)范圍內(nèi)。同時(shí)，周期信息與非周期信息同時(shí)存在，正常工作狀態(tài)下，周期性信息（如過程測量與控制信息、監(jiān)控信息等）較多，而非周期信息（如突發(fā)時(shí)間報(bào)警、程序上傳下載等）較少。
圖2-1 現(xiàn)場工藝流程的時(shí)間要求
第六，信息流向的單一性較強(qiáng)，如測量信息由被測量設(shè)備向控制器傳送，控制信息由控制器向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送，過程監(jiān)控與突發(fā)信息由現(xiàn)場儀表向操作站傳送，程序下載有工程師所在的站點(diǎn)向儀表現(xiàn)場傳輸?shù)取?/p>
2.2 工業(yè)通信系統(tǒng)發(fā)展歷程
早期的工業(yè)通信通過連線在測控設(shè)備之間傳遞信息，把傳感器、按鈕、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等連接到控制器上。最初的測控設(shè)備主要是氣動(dòng)、電動(dòng)單元組合式儀表和集中控制室，全模擬式儀表將傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)整放大后，經(jīng)過V/I 電路轉(zhuǎn)換，輸出4～20mA 或者0～5V 的模擬信號(hào)。19 世紀(jì)中期已經(jīng)出現(xiàn)了基于5～13psi 氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)（Pneumatic Control System，PCS），20 世紀(jì)50 年代，基于0～10mA 或4～20mA 的電流模擬信號(hào)的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志著電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來。
20 世紀(jì)70 年代，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而信號(hào)傳輸系統(tǒng)大部分依然沿用了4～20mA 的模擬信號(hào)，集中控制系統(tǒng)很快發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）。數(shù)字傳輸信號(hào)逐步取代模擬傳輸信號(hào)，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場。
20 世紀(jì)70 年代中期，工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)（DCS），可以看作是工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的雛形。早期的分布式控制系統(tǒng)DCS 是在無統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的情況下完成的。當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模節(jié)點(diǎn)大約有幾十個(gè)，通信距離約在1000m 以內(nèi)，主要節(jié)點(diǎn)為控制站和操作站，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以環(huán)型和總線型為主，通信介質(zhì)多為同軸電纜，也有采用雙絞線的，通信速率在1Mb/s 以內(nèi)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)有“通信卡”等專用網(wǎng)絡(luò)部件。這時(shí)的現(xiàn)場儀表大部分還是模擬儀表，少數(shù)專用設(shè)備有RS-232/RS-422/RS485 等串口，可與之相連接。這期間通信規(guī)程中有IBM 等提出的同步數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程（SDLC）、高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程（HDLC）和國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)的CCITTX.25 等。
1983 年，Honeywell 公司推出了智能化儀表—Smar 變壓器，這些儀表帶有微處理器芯片，在模擬儀表的基礎(chǔ)上增加了復(fù)雜的計(jì)算功能，還在輸出的4～20mA 直流信號(hào)上疊加了數(shù)字信號(hào)，使現(xiàn)場與控制室之間由模擬信號(hào)過渡到了數(shù)字信號(hào)。此后，各大公司都相繼推出了各有特色的智能儀表，過程變量經(jīng)調(diào)整放大、A/D 采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過微處理器的運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)忍幚砗�，再通過D/A、V/I 等電路，仍然以4～20mA 或者0～5V 的模擬信號(hào)輸出，由于采用標(biāo)準(zhǔn)的可以從模擬信號(hào)中除去的過濾技術(shù)，數(shù)字信號(hào)并不會(huì)影響模擬量信號(hào)的數(shù)字，這就是HART 協(xié)議能夠傳送數(shù)字信息的基礎(chǔ)。
20 世界80 年代中期，美國Rosemount 公司的HART 協(xié)議已經(jīng)是現(xiàn)場總線的雛形。隨著時(shí)間的推移，世界逐漸形成了兩個(gè)針鋒相對(duì)互相競爭的現(xiàn)場總線集團(tuán)：一個(gè)是以Siemens、Rosemount、橫河為首的ISP 集團(tuán)；另一個(gè)是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WordFIP（Factory Instrumentation Protocol）集團(tuán)。1994 年，兩大集團(tuán)宣布合并，融合成現(xiàn)場總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation），簡稱FF。1998 年以后，各個(gè)廠商在不同的行業(yè)推出眾多的總線標(biāo)準(zhǔn)，他們大都在公司標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上逐漸形成，并得到其他公司、廠商、用戶以至于國際組織的支持。如德國的BOSCH 公司推出的CAN、美國ECHELON 公司推出的LonWorks 等。目前國際上影響較大的現(xiàn)場總線有40 多種，主要有FF、Profibus、CAN、LonWorks 等。圍繞著現(xiàn)場總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，世界上各大廠商展開了激烈競爭。
傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無論是FF 和Profibus，還是其他一些現(xiàn)場總線，都能較好的實(shí)現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望�，F(xiàn)場總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問題。
就國內(nèi)情況而言，國內(nèi)廠商的規(guī)模相對(duì)較小，研發(fā)能力有限，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場總線技術(shù)供應(yīng)商（芯片制造商等）對(duì)國內(nèi)的支持和市場推廣力度的影響。FF 雖然全球影響力日益增加，但在中國市場份額不是很高。LonWorks 在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在國內(nèi)有一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。在離散制造加工領(lǐng)域，Profibus 和CAN 有自己的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的競爭力。
另一方面，我國現(xiàn)在自己開發(fā)的工業(yè)通信技術(shù)和系統(tǒng)也逐漸成熟，開始在國內(nèi)和國際市場上占據(jù)越來越多的份額。
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