概述

    由于历史的原因，分布在生产车间的各种自动化设备多数缺乏兼容性，不同厂家的设备（甚至同一厂家的设备）如果规格型号不同，就难于交换或共享信息。所以，近年来人们一直在努力克服信息孤岛现象，从物理层、逻辑层和应用层等不同的方向入手，以提高各类设备之间的信息共享能力。要实现车间信息的全面共享，首先需要将各类自动化设备在物理上联结起来。应该说可以支持这种联结需求的方案很多，不同的生产类型和车间环境可能需要不同的方法。

    目前，许多企业都实施了ERP/MRP系统。如果能在ERP/MRP理论的基础上，加强对生产现场的管理和控制，主要的生产数据在生产过程中通过现场设备直接采集，将管理与控制结合在一起，将可以极大地提高系统的综合效益。简单地讲，一方面可以有效地防止和避免生产环节中的差错，另一方面可以减少管理环节，提高管理效率。利用ERP/MRP数据，将管理延伸到生产现场，对生产过程进行直接管理和控制，是许多企业在信息化建设中的新目标。

    为了实现这个目标就必须实现相关的自动化设备联网。这种联网需求有两个显著特点：其一，是对信息交换的绝对速度要求不高；其二，是设备之间或设备与主机（包括数据库服务器）之间具备灵活直接的信息交换能力。为此，我们提出了一种以以太网为物理介质的嵌入式TCP/IP通讯方案。

    1 网络拓扑

    我们以车间为单位来组织和管理计算机和设备网络，即车间内的所有自动化设备和计算机全部接入一个局域网内，统一分配内部IP地址，网络拓扑如图1。

    其要点是：

    （1）用星型拓扑结构，敷设超５类非屏蔽线，覆盖所有数据点（自动化设备和计算机）；

    （2）以车间为单位划分子网，原则上每个车间只设置一台代理服务器，该机既承担对车间内部网络的管理，同时作为与外部交换信息的网关；

    （3）数据点上的采集／控制设备按嵌入式概念设计，集成TCP/IP功能，以主机节点的方式直接连网，车间内的所有数据点构成一个局域网，通过车间网关与外部交换数据。

    2 嵌入式TCP/IP网络接口设计

    实现图1的难点在于为自动化设备提供嵌入式网络接口。目前，用于车间的自动化设备种类繁多，但自身具备网络接口的不多。即使已经提供物理层上的网络联结方法，也不一定能直接支持TCP/IP协议。所以，有必要开发通用的嵌入式TCP/IP网络接口，以支持自动化设备上网，我们选择高档DSP （C6000系列）作为嵌入式TCP/IP网络接口的硬件平台。ＴＩ结合其C6000系列推出了TCP/IP NDK Network Developer's Kit。该开发包采用紧凑的设计方法，实现了用较少的资源耗费支持TCP/IP。从实用效果看，NDK仅用200～250K程序空间和95K数据空间即可支持常规的TCP/IP服务，包括应用层的telnet，DHCP，HTTP等。所以，NDK很适合目前嵌入式系统的硬件环境。与常规的TCP/IP应用环境不同，为了最大限度地减少资源消耗，TI为其NDK采用了许多特殊技巧，其中，尤其强调节省内存。

    在NDK中，已对UDP操作及TCP接收操作所需的缓冲区做了简化处理。但是，TCP socket仍然需要使用发送缓冲区。当发送数据的大小不定时，对缓冲区的需求也不能确定。所以，在socket应用时，系统必须为发送数据动态分配缓冲区。如果，内存不足，可能出现两种情况：

    （1） 直接返回失败：ENOBUFS；

    （2） 如果该socket被设置为non-blocking，将等待内存释放，如在规定时间内仍无足够内存，返回超时：EWOULDBLOCK。

    网络功能是系统功能之一，它通常需要面对不同的应用需求。为了保障TCP socket的适应能力，最直接的方式是增加必要的动态存贮器，这也是系统机常用的方法。但是，在嵌入式系统中，增加存贮器的代价要昂贵得多。而且，我们希望该嵌入式网络接口能适应尽可能多的设备。为此，我们提出了一种新的限制发送缓冲区大小的TCP socket方案。

    具体方案是：结合嵌入式实验数据采集系统的实际需求和硬件资源配置，限制每次send发送的数据块小于2Ｋ，如实际数据量超过2K，利用多次send调用完成数据发送。

    3 应用

    我们将车间级嵌入式TCP/IP通讯方案应用在摩托车散件包装中，构成新型“散件包装管理控制系统”。该系统的核心任务是通过多种信息技术手段控制生产过程中的差错，将差错消灭在生产过程中。分析散件包装特点，在零件准备，包装和发运3个主要环节中，包装是控制差错的关键。为了减少包装环节的出错可能性，以重量控制方法为主，对不能通过重量控制的零件，采用条码控制。用重量检测和条码比对来保证装箱的准确性。然后，再为每个包装箱粘贴反映批次、包装箱规格（内容）及流水号的条码，以保证发运环节的正确性。整个工作流程由作业计划驱动，以集装箱发运为目标。作业计划分解按合同号，集装箱，包装箱，零件的顺序进行，以保证集装箱内容（及报关单）与合同相符。系统需要提供及时有效的零件库存数据和成品库存数据，对差缺件进行监控，保证包装作业计划和发运作业计划的有效性。

    采用条码识别和重量比对来控制装箱的正确性，是“散件包装管理控制系统”的主要特色。条码识别和重量比对数据是在生产现场采集的，设备布置和流程如图2。为了对整个包装过程进行有效管理和控制，需要在包装线上安装较多的重量传感器，条码扫描仪和报警器。我们通过嵌入式网络接口将这些设备与数据库紧密地联系起来协同工作。

图2

    4 结论

    车间级嵌入式TCP/IP通讯方案可以将ERP/MRP理论和方法延伸到生产现场，从生产现场采集数据，并直接控制生产过程，整体效益非常明显，如：（1）去掉了手工书写票据和送到机房输入的步骤，能大大提高工作效率。

    （2）解决生产管理信息陈旧滞后的弊病。一张票据从填写，收集到键盘输入，需要一天或更长的时间。这使得生产计划往往只能以几天甚至一周前的物资信息为依据，反应迟缓。

    （3）解决票据信息不准确的问题（主要是抄写错误，键入错误），从而提高生产率，改善生产管理的质量，提高对客户的服务质量，消除事务处理中的人工操作，减少无效劳动，消除因信息不准引起的差错。

    （4）控制生产环节的失误，减少由此给企业带来的信誉及经济损失。

    所以，车间级嵌入式TCP/IP通讯方案为企业的信息化建设提供了一种新的选择。

    参考文献：

    1刘飞，等．CIMS制造自动化．北京：机械工业出版社，1997．

    2曹岩，等．基于MAS的生产过程动态调度与控制的自治组织结构极其在Internet/Intranet下的实现．制造业自动化，2003（1）．

    3孙键，等．基于CAN总线的机器人互联．电子技术应用，2001（5）．