NetLinx开放式现场总线网络的体系结构设计应用

一、引言

随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展，信息交换的领域正迅速覆盖工厂的现场设备、控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业到整个世界的市场，从而逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。而现在多数工厂里不同厂家的产品、数种网络并存，难以将这么多的设备、网络、协议整合运行，这就严重地降低了生产效率，增加了成本，降低了企业的快速反应能力。面对企业从底层到顶层全方位自动化的要求，在自动化领域世界领先的罗克韦尔自动化推出了一种无缝集成的开放式结构——NetLinx作为解决方案。

目前在世界范围内，工业特别是汽车制造业正面临着严峻的挑战。充分利用先进的自动化技术和管理方式，可以增强生产运行的高效性，满足市场需求，保持竞争的领先地位，并获得最大利润。湖南长丰汽车制造股份有限公司（以下简称长丰）是全国最大的轻型越野汽车生产厂家，生产的猎豹汽车占据当前全国越野车43%以上的市场份额。但随着生产规模的不断扩大，在生产和物流管理方面存在的问题日益突出，已经成为阻碍公司发展的瓶颈。我们采用成熟的NetLinx开放式现场总线网络在工业设备和高层设备之间提供连接，将底层的现场设备的控制和信息采集、中间层的协调控制和数据交换、数据的处理与通信以及上层监控与管理整个结合起来，并且作为子网接入其它类型的系统中。实现生产一线的控制系统与ERP系统中管理者决策信息交互，这将大大提高企业系统化管理水平，增强企业市场竞争力。

二、NetLinx的体系结构

NetLinx是罗克韦尔自动化利用开放式网络技术制定的从顶层到车间层的无缝集成策略，其主要思想是将网络系统与设备有机地结合在一起，用以监控生产，将信息流扩展至整个生产过程，以及利用企业的其他信息，将工厂各个车间连接成网络，实现过程控制数据与信息方便可靠地在PLC（可编程控制器）、HMI（人机界面）、变频器、FCS（现场总线控制系统）、DCS（分布式控制系统）之间进行交换传递，从而建成一个透明的、开放式结构体系的自动化系统。

NetLinx基于三级网络层：信息层、控制层以及设备层。其系统结构如图1所示，各层网络的功能非常明晰。

（1） 信息层。这一层采用符合标准TCP/IP协议的以太网结构，它提供上层计算机系统通过以太网访问车间级的数据，主要为全厂范围控制系统的数据采集、监控、计算管理、统计、设备维护管理、生产流程以及物流跟踪服务，同时可以使计算机访问使用结构化查询语言（SQL）的开放性数据库。系统管理员可在这层网络上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目标，并对PLC提供支持。由于采用了TCP/IP协议，可以方便地将工业控制网络接入企业局域网（Intranet），实现控制系统和ERP系统的集成。

（2） 控制层。它在各个PLC之间及其与各种智能化控制设备之间进行控制数据的交换、控制的协调、网上编程和程序维护、远程设备的组态，编程和故障处理，也可以连接各种人机界面产品进行监控。这一层上的网络称作控制网，采用CIP（Control and Information Protocol）协议和生产者/客户（Producer/Consumer）模式，这种模式允许网络上的所有节点同时从单个的数据源存取相同的数据，并共享数据和信息。控制网主要完成智能化的高速实时控制和I/O数据网络以及准确的数据传输功能，它满足连接PLC处理器、HMI以及其它智能化设备所需的实时、高信息吞吐量应用的要求。

（3） 设备层。在设备层上采用的设备网，主要把底层的工业设备直接连接到车间控制器上，并对其进行配置和监视。这种连接无需通过I/O模块，即可用方便而快速的实现与工业现场的大量设备的高速数据的采集，极大地减少了接线。设备网是一种柔性地、开放性的网络，可与世界上150家以上的厂商提供的产品兼容。

NetLinx与其它工业控制网络相比，具有突出的优点。它采用由Net （网络）和Linx （开放式接口）组成的结构，能更有效地实现系统组态、数据采集和控制。其中Net是基于生产者/消费者的通信模型，定义了一系列超级服务协议；它支持多播式、事件触发、周期性触发等发送机制；它完全独立于网络介质，可在不同网络介质中组态。控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，方便了用户对系统的组态、管理和维护。这种开放的现场总线网络，集成了多种网络服务，采用通用的网络协议和开放的软件接口，保证了无缝的信息和控制数据流传输。

图 1 NetLinx的体系结构

可以方便地与Intranet、Internet连接起来，使得其本来就很强大的网络功能更加强大。

三、长丰的物流系统

长丰在过去的生产活动中出现的最大问题是生产信息的不透明，管理者难以获知每个车间的生产情况，一旦某个生产环节出现问题，需要依靠各级管理者层层上报，经过很长时间后才能够得到处理，造成生产流水线上积压或停工待料后果，整条生产线的生产节奏就被打乱，给企业带来了相当大的损失。因此现在我们尝试把控制系统与长丰的 ERP系统（CF_C2I2）集成，把生产信息收集到管理系统中，使生产管理者能够实时地获取每个生产阶段的在制品的准确数量和详细的产品信息，一旦生产出现问题，可以及时处理。在整条生产线上实施电子看板管理，可以指导生产线上的装配工作；并且通过Internet把供货需求信息传递给供货厂商。

看板管理是实施拉动式JIT（Just in TIme，准时化生产）的一种非常有效的手段，它是把看板作为生产指令、取货指令、运输指令，用以控制生产和微调作业计划，达到生产组织上高效率、高效能、高效益的科学管理方法。它是以需求作为整个企业生产的初始拉动点，按照需求的品种、数量、时间和地点来准时地组织各环节生产，前工序仅生产后工序所取走的品种和数量，不进行多余的生产，不设置多余的库存，使企业形成一个逆向的、环环相扣的供应链。电子看板是看板管理和网络技术相结合的一种信息载体，它将车间生产线的工艺流程直观地反映在监视屏幕上，管理人员可以通过与屏幕上工艺流程中各对象的交互，动态获取所需的在制品实时信息，对生产现场进行监控。

长丰的生产过程分为冲压、焊装、涂装、总装、检验等环节，我们以长丰的总装为拉动起点，各生产环节都以取货看板为指令，按照后工序的需要组织生产和配送；必要的信息通过网络一直向上游延伸至原材料、外协件的供应商处，供应商按照用户生产线需要的时间、数量和品种实施生产与运输，所供应的外协件不进入用户仓库存储，直送用户生产线消耗点，从而降低各环节的库存成本。同时通过发挥看板的现场自动微调功能，平顺排产和物流作业，减低调度协调难度和工作量，提高系统化管理水平。开放的NetLinx网络集成为实现JIT生产提供了最合适、最可靠的平台。

四、管理与控制的系统整合

我们将连接长丰全厂的关键设备的自动化控制网络并入管理子网，组成一个开放的互连、互通、互操作的管理与控制一体化网络，实现自控系统与ERP系统进行信息交换。

4.1架构管控一体化的网络

按照NetLinx来架构具有开放结构自动化系统网络，它满足全厂自控系统的扩充需要，性能稳定、可靠，易于并入管理信息网络系统。网络系统由三部分组成：在车间内部，采用设备网连接现场底层设备，组成企业底层控制网络；控制网支持数据实时传输，与各种设备连接，如PC，控制器，人机界面，拖动装置以及其它与控制网相连接的设备；由以太网处理与管理信息网络系统的连接，它在复合型结构的通信网路中作为管理子网，传送生产管理信息。这三层网络能在相互之间并与PC机通信，有利于设备的实时监控和数据采集。罗克韦尔自动化提供的工控设备具有高兼容性、标准接口和内置的通讯功能，功能强大的软件产品为应用提供了极大地便捷；而且利用罗克韦尔自动化提供的ControlLogix控制平台，它作为控制网、以太网和DH+网络的网桥和路由，方便地将不同的通信协议、不同厂家的设备数据整合到同一平台。

罗克韦尔自动化为用户提供了友好、方便高效图形化编程组态软件，提供了简捷、直观的图形符号以及注释信息，以便用户控制逻辑的表达更加直观，操作和使用更加方便。使用RSLinx（建立工厂所有通信方案的工具）根据通信特征完成通信链路的选择和配置，在车间级的PLC与设备与各种应用软件之间提供通信功能。

4.2监控与管理功能的实现

软件则是整个管理与控制系统的灵魂。

基于NT的HMI软件——RSView32用来动态地监视控制和管理信息。它将设备现场运行状态以工艺流程图、趋势等显示在屏幕上，使控制中心的操作人员动态监控当前现场的生产状态和重要设备运转情况，涂装车间生产线的工艺流程监控如图2所示。

图 2 涂装车间的生产流程

罗克韦尔自动化提供的功能强大的工业数据交割管理软件RSSql，具有分布式数据采集、分布式数据库存储和集中交割管理的系统架构，它还具有数据双向传递的能力，不仅可以将控制层的数据按ERP系统要求的格式提交到企业级的数据库中，方便地将工艺设备层的工艺数据、控制层的状态信息无缝集成到企业信息层数据库，供管理决策和信息发布；而且还可以从ERP的数据库提取数据下传到控制系统的PLC和上位机。

建立控制与管理一体化的网络系统，既能利用网络实现现场设备的控制，人们可以在办公室甚至在家里实现远程控制，及时准确地了解生产设备的运行情况，对生产过程进行综合的判断，从而实现生产过程的最优控制；又可利用现场自控系统设备收集的数据为管理提供决策信息服务。对接收信息汇总分析评估后，通过ERP系统来制定生产调度计划，修正生产管理控制目标，缩短了生产信息的反馈周期，能够有效地解决长丰目前存在的问题。

五、结 论

本文介绍了罗克韦尔自动化的NetLinx现场总线网络集成应用技术，它在同类的工业控制网络中具有代表性，对于现代新型控制系统的设计也具有一定的参考价值，此类开放现场总线网络在现代工业企业中的应用将越来越广泛，特别是在企业信息化过程中将成为首选。我们以NetLinx技术为核心，结合罗克韦尔自动化的软、硬件，构建了一套从生产设备层到企业管理层的集成系统，向下可获取不同厂家、不同通信协议的智能设备数据，向上可与ERP系统实现无缝连接。这种系统有以下优点：屏蔽了不同网络和通信协议细节；编程工作量小，只需对协议转换模块作相应组态，操作方便灵活；系统可靠性较高，维护简单。随着而ERP的不断推广和深入，它的技术优势日益明显，将有更广阔的应用前景。