多级分布式控制系统的计算机网络设计

图6-13　以单元控制器为核心的制造单元

在计算机网络技术的支撑下，分布在公司级、工厂级、车间级、设备级上的不同计算机和控制器，能够互联成为一个有机整体。该网络的运行通常局限在一个公司的内部，设备之间进行通信不必经过公用交换网络和通信线路，因此它属于LAN。

6.4.3.1　多级分布式控制系统的计算机网络特点

采用多级分布式结构的柔性制造自动化系统，其规模比较庞大，系统运行涉及公司的管理决策、产品设计、工艺设计和产品制造。公司的中央计算机主要从事管理决策，工厂的主计算机承担了产品设计和工艺设计，单元计算机和单元控制器的任务则是产品制造。完成这些任务对通信的要求（如信息的吞吐量、实时性和可靠性）并不一样，因此相应的通信协议、拓扑结构、局网存取控制策略和网络介质等往往也各不相同。

此外不同层次的计算机应根据需求选取相应的规格和型号，层次之间及同一层次内，通信和联网接口产品也会因为生产厂家和生产日期而相互区别。

所以多级分布式控制系统的计算机网络是异构异质局部子网络的互联。

6.4.3.2　多级分布式控制系统的计算机网络构成

1）子网络

企业主干网把单元设备子网络、企业MIS子网络、CAD/CAM子网络连接起来，就构成了多级分布式控制系统的计算机网络。

（1）单元设备子网络的特点。单元设备子网络把制造单元内的各制造设备互联起来，从而实现单元制造过程的综合自动化。单元内各制造设备的互联通信在它们的主控系统之间进行，并具有以下特点：①生产现场的通信环境恶劣；②是面向过程的机器之间通信，制造设备之间的通信是通过上层实现，一般不直接进行；③通信不允许随机自发地产生，而是按照预先设定的要求，在上层的控制下严格而有序地进行；④通信快速响应性好、延迟时间短和实时性好，通信具有高可靠性；⑤通信距离短。

（2）单元设备子网络的拓扑结构。单元设备子网络常采用以下拓扑结构：

①星形主从互联（图6-14）。单元内各制造设备通过点—点连接，连到单元控制器（或工作站），常用接口标准有RS-232C、RS-422等。其通信控制采用主从方式，制造设备间不能自发地直接通信，而必须通过单元控制器进行，主机和从机之间的通信过程完全受主机的通信软件控制。

图6-14　星形主从互联

图6-15　主从总线式互联

②主从总线式互联（图6-15）。单元内各制造设备通过共享总线形式互联拓扑，连到单元控制器（或工作站），其通信方式也是主从式。

③站点对等式总线型互联（图6-16）。一条共享总线把制造设备、单元控制器平等地互联起来，位于共享总线上的每一个站点都可以同其他站点自由地通信而不分主从。

图6-16　站点对等式总线型互联(www.xing528.com)

（3）企业MIS子网络。由于MRPⅡ已经被制造业广泛采用，已成为制造企业管理自动化的流行模式。由于商品化的MRPⅡ软件大多运行在功能强大的终端集中式处理机上，所以企业MIS子网络的主体通常是终端—主机网络。

终端—主机网络有两种类型：①采用通信处理机、终端集中器等通信设备，把分散的终端连到主机上；②采用Ethernet局域网、终端服务器，把分散的终端连到主机上。

（4）CAD/CAM子网络。CAD/CAM子网络常采用以工作站—服务器方式为主的办公自动化类局域网，如Ethernet类总线型局域网和令牌环局域网。CAD/CAM子网络应具备以下性能：①支持两种通信方式，即工作站—服务器通信方式和工作站—-y作站对等式通信方式；②支持多种操作系统下的异种微机联网，如MS-DOS、UNIX、Windows等；③具有与大、中型计算机的通信联网能力，支持通用的异种机通信协议标准；④有较高的网络介质数据传送能力。

2）工厂主干网

（1）工厂主干网的特点。工厂主干网把担负着企业管理、产品设计、工艺设计和制造等任务的子网络连接起来，其布局要覆盖整个企业，贯穿环境恶劣的制造区域；主干网传输的信息不仅数据类型多、流量大，而且对通信模式和响应速度的要求也各不相同；此外挂连到主干网上的计算机和子网络通常都是异种/异构的。所以主干网是一个异构子网络/异种机的互联网络。

（2）设计工厂主干网的注意事项。为了保证异构子网络、异种机间的互联性和互操作性，主干网必须标准化，并有很强的通用性，其网络协议标准应具备ISO/OSI网络体系结构的七层功能。

为了保证传输信息安全可靠，应选用容量大、传输速度高的网络技术，并使主干网具有较强的承受峰值负荷的能力和适应制造环境的能力。

较大规模的柔性制造自动化系统，多采取分步实施的原则建造，因此应让主干网有充分扩展（延伸和网上站点的增删）的潜力，使其具有较长的技术生命周期。

（3）工厂主干网的传输介质。主干网的传输介质有三类：基带同轴电缆、宽带同轴电缆（常用作电视电缆）、光纤。

（4）工厂主干网的网络拓扑和访问控制方法。在主干网上采用的局域网访问控制方法（MAC）和网络拓扑，大体上有三种：以Ethernet为典型代表的总线型拓扑和CSMMCD控制方式，总线型拓扑和令牌传送控制方式，环型拓扑和令牌传送方式（令牌环）。

（5）主干网网络协议体系。主干网网络协议体系有三种选择：MAP/OSI网络协议标准，TCP/IP网络协议，公司专用网络协议。

3）多级分布式控制系统的子网络互联

（1）子网络互联步骤。多级分布式控制系统的计算机网络可以采取以下三个步骤：①把单元设备子网络互联成制造自动化局域网（MAP网）；②把MIS子网络、CAD/CAM子网络互联成技术与办公自动化局域网（70P网）；③把MAP网与70P网互联起来。

（2）互联MAP网。制造自动化协议（MAP）是美国通用汽车公司为解决设备的互联而提出的网络协议，借助MAP能有效地在不同厂家生产的计算机、PLC、NC机床和机器人等设备之间，传送数据文件、NC程序、控制指令和状态信号。

单元设备子网络借助主干网互联起来，其实现有三种方式：①通过点—点连接和专用通信接口，把单元控制器及其子网络连接担负管理的单元计算机上，进而把单元计算机连接主干网上；②把单元控制器及子网络和单元计算机直接互联到主干网上；③借助网桥/选径器（B/R）或网关（GW）把单元控制器及其子网络连接主干网上。

（3）互联TOP网。技术和办公自动化协议（TOP）是美国波音公司为解决其工厂与工厂、办公室与办公室、工厂与办公室之间所进行的关于飞机部件设计、制造的数据交换而提出的网络协议，借助TOP能为不同厂家的计算机和编程设备提供文字处理、文件传输、电子邮件、图形传输、数据库访问和事务处理等服务。MIS子网络、CAD/CAM子网络通常集中分布在企业的办公大楼内，因此可以把它们互联成70P网，即在制造业中使用的办公自动化局域网。

4）MAP网与TOP网的互联

MAP/TOP网络是一条通过制定协议标准来实现不同厂家计算机和可编程设备通信互联的合理途径。MAP和70P都基于ISO/OSI协议标准，仅物理层、数据链路层和部分应用层有所区别，因此采用网桥/选径器就能实现其互联。

网桥是在数据链路层上实现互联子网络桥接的互联设备。最简单的网桥只能变换子网络数据链路层帧格式中的地址和路径信息，并具有缓冲存储和转发功能；比较复杂的网桥除具有上述功能外，还能完成不同局域网在物理层和数据链路层之间的差异转换，如不同帧格式的变换、不同拓扑结构和物理接口的变换。

选径器（又称“路由器”）是一种比网桥性能更高的网际互联设备，它在网络层（而不是数据链路层）上实现互联功能，因此是一种最灵活、最典型的网际互联设备。