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　　1  引言

    當(dāng)前國(guó)際金融危機(jī)對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)造成了較大沖擊，鋼鐵業(yè)要在這場(chǎng)全球金融危機(jī)中轉(zhuǎn)危為機(jī)，實(shí)現(xiàn)由大變強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，就必須按照國(guó)務(wù)院鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃要求，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造。特別是要充分利用冶金自動(dòng)化和信息化對(duì)企業(yè)發(fā)展的促進(jìn)和保障作用，來提高企業(yè)的生產(chǎn)、管理、經(jīng)營(yíng)水平。

    冶金自動(dòng)化的發(fā)展給冶金企業(yè)的管理帶來了新的內(nèi)涵，管控一體化已經(jīng)成為冶金自動(dòng)化的一個(gè)新特點(diǎn)。冶金企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層需要通過一個(gè)開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)全面的無縫信息集成。而隨著intranet/internet 等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)上用于辦公室和商業(yè)的以太網(wǎng)逐步進(jìn)入了工業(yè)控制領(lǐng)域。從而將整個(gè)工廠作為一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化，達(dá)到實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。
 

　　2  鋼鐵企業(yè)管控一體化架構(gòu)組成

    當(dāng)前鋼鐵企業(yè)管控一體化架構(gòu)一般包括4級(jí)，如圖1所示。

圖1  鋼鐵企業(yè)自動(dòng)化一體化架構(gòu)組成

　　其中：

    第1級(jí)為設(shè)備級(jí)，即基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)。它是以plc和現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)以太網(wǎng)組成的分散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控。

    第2級(jí)為過程優(yōu)化級(jí)，它是把工藝知識(shí)、數(shù)學(xué)模型、專家經(jīng)驗(yàn)以及智能技術(shù)結(jié)合起來的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

    第3級(jí)為生產(chǎn)制造執(zhí)行級(jí)，提供對(duì)從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過程的生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)的信息。

    第4級(jí)為企業(yè)流程控制級(jí)，它提供了企業(yè)對(duì)物流、資金流、信息流的管理和控制。

    由以上4級(jí)架構(gòu)組成的冶金自動(dòng)化管控一體化系統(tǒng)，隨著自動(dòng)化和信息化的發(fā)展和演變，主要形成了企業(yè)管理決策系統(tǒng)，即erp系統(tǒng)；生產(chǎn)執(zhí)行制造系統(tǒng)，即mes系統(tǒng)；以及由l2級(jí)和l1級(jí)構(gòu)成的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)三大系統(tǒng)。利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將這三大系統(tǒng)連接起來，就構(gòu)成了冶金企業(yè)的一個(gè)完整的管控一體化系統(tǒng)。
 

　　3  基于 ethernet的鋼鐵企業(yè)管控一體化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    冶金企業(yè)要想將企業(yè)管理決策系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行制造系統(tǒng)和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)三大系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成全面的無縫信息集成的管控一體化系統(tǒng)，就必須選擇一種合適的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。而以太網(wǎng)及tcp/ip通信技術(shù)由于具有以下特點(diǎn)：

    (1) 具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能提供足夠的數(shù)據(jù)傳輸帶寬；

    (2) 利用冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，利用防火墻及訪問控制技術(shù)保證信息網(wǎng)絡(luò)安全；

    (3) 能在同一總線上運(yùn)行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或基礎(chǔ)構(gòu)架；

    (4) 在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用了交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù)；

    (5) 易于網(wǎng)絡(luò)移植、易于維護(hù)，具有良好的性能價(jià)格比；

    (6) 以太網(wǎng)及tcp/ip技術(shù)已在it行業(yè)應(yīng)用多年，已為眾多的技術(shù)人員所熟悉，市場(chǎng)上能提供廣泛的設(shè)置、維護(hù)和診斷工具，成為事實(shí)上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

    因此，在冶金自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用以太網(wǎng)及tcp/ip通信技術(shù)，一方面可以實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化技術(shù)與it技術(shù)、因特網(wǎng)(internet)技術(shù)的結(jié)合，成為制造業(yè)電子商務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)的基礎(chǔ)，非常適合冶金自動(dòng)化行業(yè)中信息管理、信息系統(tǒng)處理。因此在冶金自動(dòng)化行業(yè)中應(yīng)用以太網(wǎng)及tcp/ip技術(shù)實(shí)現(xiàn)管控一體化控制，已經(jīng)發(fā)展成為一種技術(shù)潮流。

    在某鋼廠管控一體化系統(tǒng)中，erp信息系統(tǒng)通過主干網(wǎng)與鋼廠的各部門聯(lián)網(wǎng)通訊，為全廠管理與控制提供信息服務(wù)支持。mes生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)即l3級(jí)系統(tǒng)，是建立在全廠l1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)/l2級(jí)過程自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上的。mes系統(tǒng)接受erp信息系統(tǒng)生產(chǎn)訂單，下達(dá)具體生產(chǎn)控制指令至l1/l2；同時(shí)，又在l1/l2級(jí)信息基礎(chǔ)上形成全線生產(chǎn)管理控制，并向erp級(jí)傳遞信息。圖2為該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，erp信息系統(tǒng)所在主干網(wǎng)采用全光纖交換的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，mes系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊采用光纖以太網(wǎng)，主交換機(jī)采用cisco 4506三層交換機(jī)，主交換機(jī)同時(shí)與該廠主干網(wǎng)上的erp系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)千兆主干、百兆交換到客戶端目的。同時(shí)mes將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的vlan實(shí)現(xiàn)不同分廠的l1/l2網(wǎng)絡(luò)與mes網(wǎng)絡(luò)間的高速路由，并制定網(wǎng)絡(luò)訪問控制策略，控制vlan間數(shù)據(jù)訪問，從而保證系統(tǒng)安全互訪。

    在鋼鐵企業(yè)中通過建立如圖2所示的管控一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，就可以利用erp信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物流、資金流、信息流的整合，滿足了各專業(yè)部門的業(yè)務(wù)需求分析，為全廠管理與控制提供信息服務(wù)支持。而mes生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)是建立在全廠l1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)/l2級(jí)過程自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，它接受erp信息系統(tǒng)生產(chǎn)訂單，下達(dá)具體生產(chǎn)控制指令至l1/l2級(jí)系統(tǒng)；同時(shí)，又在l1/l2級(jí)信息基礎(chǔ)上形成全線生產(chǎn)管理控制，并向erp級(jí)傳遞信息。
 

圖2  某鋼鐵企業(yè)基于ethernet的管控一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
 

　　4  工業(yè)以太網(wǎng)在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中的應(yīng)用

    鋼鐵企業(yè)要實(shí)現(xiàn)管控一體化的目標(biāo)，必須實(shí)現(xiàn)工廠車間底層設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)信息的集成，這就要求應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠信息的縱向透明。當(dāng)前鋼鐵企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實(shí)時(shí)控制方面發(fā)展，但在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程控制中一般都使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但現(xiàn)場(chǎng)總線存在總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝等問題。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了通信的確定性。首先，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，采用星形連接及交換式hub，提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機(jī)會(huì)最小化；其次，快速以太網(wǎng)(100mbps,1gbps)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)使以太網(wǎng)更適應(yīng)于實(shí)時(shí)應(yīng)用；另外，改進(jìn)的通信協(xié)議克服了tcp/ip協(xié)議中的緩沖器滿足發(fā)送及沖撞控制中允許“丟”包等缺點(diǎn)。光纖不受噪聲干擾，適合使用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的高噪聲現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。具有tcp/ ip接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(field device)可以無須透過現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)，直接連接internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控(remote control)的功能。
 

圖3  某煉鋼廠生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
 

    如圖3所示，該圖為某鋼鐵企業(yè)煉鋼廠的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是采用德國(guó)西門子公司的simatic net技術(shù)構(gòu)建的儀控合一的基礎(chǔ)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由l2服務(wù)器、l1服務(wù)器、各種智能專家系統(tǒng)計(jì)算機(jī)以及大型plc組成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)使用的是屏蔽雙絞線以及光纖，通信速率為10mb/s，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的交換，在l1級(jí)服務(wù)器上處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制和監(jiān)控，在l2級(jí)服務(wù)器上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)過程級(jí)控制。
 

　　5  結(jié)束語(yǔ)

    構(gòu)建以以太網(wǎng)為核心的鋼鐵企業(yè)管控一體化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)采購(gòu)、銷售、計(jì)劃、生產(chǎn)的一體化管理，不僅可以使銷售合同兌現(xiàn)率、交貨周期精度、銷售詢單應(yīng)答時(shí)間、合同平均處理時(shí)間、生產(chǎn)計(jì)劃兌現(xiàn)率、客戶滿意度等效益指標(biāo)普遍得到改善；而且對(duì)于降低庫(kù)存，減少了資金占用，加快了流動(dòng)資金周轉(zhuǎn)天數(shù)也具有明顯的效果。因此在冶金企業(yè)中推進(jìn)基于以太網(wǎng)的管控一體化系統(tǒng)，可以為企業(yè)提高管理水平、增加經(jīng)濟(jì)效益以及適應(yīng)市場(chǎng)變化等帶來極大的好處。
 

　　作者簡(jiǎn)介
    謝會(huì)成  工程師，主要從事鋼鐵企業(yè)mes系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。