通过以太网实现分布式网络控制

      摘要：福特公司设在比利时Genk 的欧洲工厂，利用100 M 通讯速率的快速以太网主干网络连接了倍福公司生产的130 个BC9000 总线端子控制器，控制一种称为“隧道”的复合传输系统。该系统负责处理从5 个供应商来的按钟点供货的组件和系统事务。其隧道投资用于硬件、软件和网络技术的价值高达700 万欧元。

      关键字：以太网；网络控制

　　福特公司设在比利时Genk 的欧洲工厂，利用100 M 通讯速率的快速以太网主干网络连接了倍福公司生产的130 个BC9000 总线端子控制器，控制一种称为“隧道”的复合传输系统。该系统负责处理从5 个供应商来的按钟点供货的组件和系统事务。其隧道投资用于硬件、软件和网络技术的价值高达700 万欧元。

　　用以太网连接隧道控制器福特公司的新款车Mondeo 在比利时Genk 工厂生产，据称每天三班共有1650 辆以上的车从传送带下线。根据定单和设备的情况，预计所期望的年生产能力

约为35 万辆。福特在厂里稍微动了动一个供应商园区的位置。此供应商园区存放了重要的“准时”和“准序”的系统组件。这些产品用此“隧道”传输系统送到工厂中位于C 厅的组装区。该隧道是一种高架通道，把组件从园区传送到厂里的组装工作站。该系统1 千米长的运输段由大约7千米的传输运送带组成。有两个方向的路线，其主要的一个包括从供应商园区出来的延长部分，直接引导到厂里组装线上的转换站，再从厂里沿着两条主要路线返回。整个系统投入了大约3000 万欧元，其中700 万欧元用于复杂的自动化技术。

　　值得一提的是，隧道并非归属福特公司所有，而是归属于ASG（Automotive ServiceGenk） 公司。Genk 的GTI 电子装备部在ASG 公司里也有股份。GTI 负责所有与项目有关的电子技术设备。倍福在比利时的独家代理商MULTIPROX 负责提供其他方面的支持。ASG作为Eisenmann 和LRM(Limburgse Reconversie Maatschappij) 的合资企业， 成立了CSG(Conveyer Service Genk)运行公司。实际上，此传输隧道是以每辆整车的单件生产来付费的。这样，生产方和供应商都必须保证达到福特产品和系统传输的“无麻烦”标准。

　　决定建造隧道是1999 年的事。“福特要求供应商更接近生产现场”，GTI 电子装备部的Ivan Guilliams 就是提出该项工程建议的工程负责人。1999 年10 月，隧道工程开始筹划。第一个建造项目是12 月开始的。与此同时，设备的设计制造工作和实施战略也开始进行。此传输技术由德国伯布林根的Eisenmann 公司提供。2000 年4 月底开始进行调试工作。2000年8 月15 日首次启动了8 小时的系列运行试验。在9 月份正式投产前一星期，对传输设备进行了长达100 小时的不间断运行。从那时起，福特连续提高了Mondeo 车型的产量。结果，传输量也稳步上升，从而对必要部件和系统组件做到“准时”和“准序”的需求也在增加。为此，传输设备的控制程序也一直在改进。

　　最近，福特在其Saarlouis 的厂里找到了供应商园区的邻近地点，把供应商传输技术和他们自己的组装线连接起来，期望实现以下创新理念：

（1）所有的必要部件和系统组件必须按预期时间传送。

（2）传送由各个定单控制，因而与特定的设备型号有关。

（3）在传送链中不需要中间贮存环节。

（4）传输过程中不需要包装。

（5）传输过程中不会损坏部件。

　　连接到此系统的有以下几个供应商：SML（整车发动机）、Lear（车座）、Textron（仪表板和油箱系统）和TDS（排气设备、电缆等）。在这四家供应商中，每一家都通过他们自己的提升站和运输系统连接。准备传送的组件或系统放进特制的搬运器（小车或货架）里。根据传输的需要确定传送什么部件之后，传送过程便开始了。部件通常从有关供应大厅里的提升站提升，然后挂在隧道传输系统上。此过程使用的是相关的提升站和站点。搬运器通过反向传送带返回到供应大厅，即在装载好的搬运器挂好之前，卸载后的搬运器在降下提升机之后转换到供应传输系统。每个“空”的搬运器可在一个指定的工作站进行单独检查或维修。此传输系统包含一个高架系统，全长7 千米，有110 个站点和总共35 个提升站。高架系统传送450 个搬运

器，每天三班倒，大约有4.5 万个部件被传送到 Mondeo 组装线各个组装点。ondeo 组装线的周期时间为45 秒。即，每45 秒必须将用户定单所要求的特定设备型号传送到指定安装点。当车身被调到Mondeo 组装线上时，包含性能要求和设备型号的定单数据便会通过物流管理计算机网络通知供应商。78 分钟后，所需要的部件、系统和组件必须准确地到达组装线。这样，供应商大约有34 分钟的时间做最后的组装和检查工作，并准备传送所需要的部件。传输过程最多持续24 分钟。程序缓冲时间大约为6 分钟。精确的时间表筹划对系统和传输系统的整个理念都提出了极高的要求。

　　高架系统的模块化融合了控制技术对传输系统进行模块化设计的想法在工厂筹划阶段就提出来了。从工程师的观点来看，此模块特性是由提升站和站点实现的。然而，从控制技术方面来看，对于是采用带集中智能的分布式 I/O 控制方案，还是采用分布式智能控制系统，必须作出选择。GTI 电子装备部的规划人员在比较了这两种系统后，决定采用分布式智能控制系统方案。工程负责人IvanGuilliams 对此项决定解释说：“模块化在总体上有很大的优越性

。例如，我们能同时运作工厂里的各个独立区域，这样对运行安全更有保障。在这种情况下，一个区域的故障对整个传输系统影响不大”。将分布式智能控制的理念付诸于实践也有其优越性。在这方面，GTI 电子装备部负责实施软件和硬件的项目工程师Bart Claes 认为，这样可以搞清楚局部问题的解决方案，从而提出使用多种软件方案的理由。“总共有110 个站点和35 个提升站，本地控制系统应该具有很强的统一性，这样才容易在整体上进行调整和维护。”Claes 说。选择分布式智能控制系统的重要决定也使我们明确了系统的藕合问题，从而决定采用以太网TCP/IP 来联网。“这里有大量的物流管理数据需要进行通信，而I/O 数据则较少”，BartClaes 说。这当然需要实施高效的通信系统，以保证维护分布式控制系统的能力。另外，做决定必须基于合适的控制理念。其答案是：BC9000 总线端子控制器和集成的以太网接口加上TwinCAT 软件PLC 作为主要控制系统，并连接到WinCC 可视化系统。“我们选用技术上最有说服力的解决方案，”Claes 说。他认为，BC9000 集成了以太网接口和完整的总线端子程序，并用串行接口的总线端子藕合识别系统并读取站点信息，以及按照IEC61131-3 标准编程，所有技术都是行业中的前沿技术。以太网是灵魂但不是主干整个隧道工程使用了130 个BC9000 总线端子控制器。控制系统的联网使用的是快速以态网 TCP/IP (100 兆)。整个以太网通过交换机连接形成了一个坚实的冗余环网络。这样，如果在全部的11 个快速以太网（Cisco 系统）之间有任何一处光纤段发生故障，那么“未连接”的交换机便通过对应的冗余段访问。“受支配”的交换机之间的连接是全工方式运作的，因此，网络几乎可以完全实时地运行。每个交换机的24 个端口与 BC9000 之间的藕合连接全部采用屏蔽电缆和星形网络拓扑结构 -- 首先连接控制柜中的插座，然后电缆连接到BC9000 的RJ45 插头上。

　　从控制技术的观点看，每一个连接的小型PLC 都是独立工作的，也就是说，不相关的I/O 数据不会通过以太网进行通信，而只有相关的搬运组件的数据，即定单的数据，能通过以太网进行通信。尽管采用了冗余设计，如果以太网连接出现故障，一个BC9000 中还可以贮存最多500 个定单记录，只有在这种时候，才有可能丢失这以外的数据。而最重要的是，所有的与传送技术相关的设备都不会因为以太网出现故障而停机。BC9000 小型PLC 有128K数据存储器，96K 的程序存储器，还有4080 字节的保持性数据。

　　以小型PLC 形式出现的总线端子控制器承担着分布式控制任务BC9000 总线端子控制器是带有集成PLC 功能和以太网连接的总线藕合器。在隧道工程中，BC9000 控制器作为分布式智能从站安装在分布式的智能以太网络中。除总线端子控制器以外，BC9000 还可包含64 个以下的2 通道和4 通道的总线端子。编程采用TwinCAT 编程软件并遵循IEC61131-3 标准。BC9000 上的组态/编程接口用来加载PLC 程序。在Genk的案例中，还有另外一种方式，即可以用TwinCAT 软件通过以太网来加载PLC 程序。

　　如果有必要，每个总线端子可以用 KS2000 软件进行组态，并可通过现场总线直接与高层自动化设备交换数据——在TwinCAT

PLC 的应用中进行描述。同样，预处理数据也可以通过现场总线在总线端子控制器和高层控制器之间进行交换。在启动阶段，TwinCAT PLC 软件通过整个传输系统的功能块（FB）控制采用分布式控制技术的以太网配置。TwinCAT PLC 软件可以上载分布式系统生成的配置数据以便集中管理和储存。这就是说，如果更换了某个总线端子，不需要重新进行设置，TwinCAT PLC 软件会在系统重新上电之后自动进行所需设置。对于处理的PLC 程序（大约1MB），TwinCAT仅需要在主控 PC（奔腾III，500MHz）上用1.3 毫秒即可完成，只占NT 计算能力的17%。

　　通过快速处理周期保证控制安全安装在隧道传输系统的130 个分布式BC9000 中，每个都是“独立”的。小型PLC 通常有40 个到50 个I/O 连接。在站点或提升站的情况下，有80 个I/O。另外，几乎每一个BC9000 都通过串行接口总线端子连接着读取站，读取识别系统信息；在提升站的情况下，则连接了两个读取站。在某些情况下，控制站装有一个文本显示器，报告现场或站里的现状。每个搬运器都包含有一个识

别载体，储存定单和指标数据。最后，所有的储存数据用来决定搬运器所走的路线，通过全部110 个站点，到福特组装厂的转运站。从技术控制的观点来看，这意味着从识别载体所读取的数据对于站点的调整和对于路径都十分重要。当有两个搬运器同时到达时，可运用 FIFO 原理来决定哪一台有设定站点的优先权。因此，控制程序中不再设优先权处理程序。虽然BC9000 的任务设置比较复杂，但对于周期时间来说并没有什么问题。以下是目前已有的关于周期时间的记录，包括接口处理：
（1） BC9000 不带读取站为5 毫秒。

（2） 带有读取站为8 毫秒。

（3） BC9000 控制两个站点为10 毫秒。

（4） BC9000 带有80 个以上I/O（包括串行接口）的提升站为20 毫秒。

　　由于分布式控制系统同时工作的效果与并联方式并无二致，周期时间不再是整个工程的弱点，这与发生在集中式的智能控制方案情况有所不同。