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    概述

    由于歷史的原因，分布在生產車間的各種自動化設備多數缺乏兼容性，不同廠家的設備（甚至同一廠家的設備）如果規格型號不同，就難于交換或共享信息。所以，近年來人們一直在努力克服信息孤島現象，從物理層、邏輯層和應用層等不同的方向入手，以提高各類設備之間的信息共享能力。要實現車間信息的全面共享，首先需要將各類自動化設備在物理上聯結起來。應該說可以支持這種聯結需求的方案很多，不同的生產類型和車間環境可能需要不同的方法。

    目前，許多企業都實施了ERP/MRP系統。如果能在ERP/MRP理論的基礎上，加強對生產現場的管理和控制，主要的生產數據在生產過程中通過現場設備直接采集，將管理與控制結合在一起，將可以極大地提高系統的綜合效益。簡單地講，一方面可以有效地防止和避免生產環節中的差錯，另一方面可以減少管理環節，提高管理效率。利用ERP/MRP數據，將管理延伸到生產現場，對生產過程進行直接管理和控制，是許多企業在信息化建設中的新目標。

    為了實現這個目標就必須實現相關的自動化設備聯網。這種聯網需求有兩個顯著特點：其一，是對信息交換的絕對速度要求不高；其二，是設備之間或設備與主機（包括數據庫服務器）之間具備靈活直接的信息交換能力。為此，我們提出了一種以以太網為物理介質的嵌入式TCP/IP通訊方案。

    1 網絡拓撲

    我們以車間為單位來組織和管理計算機和設備網絡，即車間內的所有自動化設備和計算機全部接入一個局域網內，統一分配內部IP地址，網絡拓撲如圖1。

    其要點是：

    （1）用星型拓撲結構，敷設超５類非屏蔽線，覆蓋所有數據點（自動化設備和計算機）；

    （2）以車間為單位劃分子網，原則上每個車間只設置一臺代理服務器，該機既承擔對車間內部網絡的管理，同時作為與外部交換信息的網關；

    （3）數據點上的采集／控制設備按嵌入式概念設計，集成TCP/IP功能，以主機節點的方式直接連網，車間內的所有數據點構成一個局域網，通過車間網關與外部交換數據。

    2 嵌入式TCP/IP網絡接口設計

    實現圖1的難點在于為自動化設備提供嵌入式網絡接口。目前，用于車間的自動化設備種類繁多，但自身具備網絡接口的不多。即使已經提供物理層上的網絡聯結方法，也不一定能直接支持TCP/IP協議。所以，有必要開發通用的嵌入式TCP/IP網絡接口，以支持自動化設備上網，我們選擇高檔DSP （C6000系列）作為嵌入式TCP/IP網絡接口的硬件平臺。ＴＩ結合其C6000系列推出了TCP/IP NDK Network Developer's Kit。該開發包采用緊湊的設計方法，實現了用較少的資源耗費支持TCP/IP。從實用效果看，NDK僅用200～250K程序空間和95K數據空間即可支持常規的TCP/IP服務，包括應用層的telnet，DHCP，HTTP等。所以，NDK很適合目前嵌入式系統的硬件環境。與常規的TCP/IP應用環境不同，為了最大限度地減少資源消耗，TI為其NDK采用了許多特殊技巧，其中，尤其強調節省內存。

    在NDK中，已對UDP操作及TCP接收操作所需的緩沖區做了簡化處理。但是，TCP socket仍然需要使用發送緩沖區。當發送數據的大小不定時，對緩沖區的需求也不能確定。所以，在socket應用時，系統必須為發送數據動態分配緩沖區。如果，內存不足，可能出現兩種情況：

    （1） 直接返回失敗：ENOBUFS；

    （2） 如果該socket被設置為non-blocking，將等待內存釋放，如在規定時間內仍無足夠內存，返回超時：EWOULDBLOCK。

    網絡功能是系統功能之一，它通常需要面對不同的應用需求。為了保障TCP socket的適應能力，最直接的方式是增加必要的動態存貯器，這也是系統機常用的方法。但是，在嵌入式系統中，增加存貯器的代價要昂貴得多。而且，我們希望該嵌入式網絡接口能適應盡可能多的設備。為此，我們提出了一種新的限制發送緩沖區大小的TCP socket方案。

    具體方案是：結合嵌入式實驗數據采集系統的實際需求和硬件資源配置，限制每次send發送的數據塊小于2Ｋ，如實際數據量超過2K，利用多次send調用完成數據發送。

    3 應用

    我們將車間級嵌入式TCP/IP通訊方案應用在摩托車散件包裝中，構成新型“散件包裝管理控制系統”。該系統的核心任務是通過多種信息技術手段控制生產過程中的差錯，將差錯消滅在生產過程中。分析散件包裝特點，在零件準備，包裝和發運3個主要環節中，包裝是控制差錯的關鍵。為了減少包裝環節的出錯可能性，以重量控制方法為主，對不能通過重量控制的零件，采用條碼控制。用重量檢測和條碼比對來保證裝箱的準確性。然后，再為每個包裝箱粘貼反映批次、包裝箱規格（內容）及流水號的條碼，以保證發運環節的正確性。整個工作流程由作業計劃驅動，以集裝箱發運為目標。作業計劃分解按合同號，集裝箱，包裝箱，零件的順序進行，以保證集裝箱內容（及報關單）與合同相符。系統需要提供及時有效的零件庫存數據和成品庫存數據，對差缺件進行監控，保證包裝作業計劃和發運作業計劃的有效性。

    采用條碼識別和重量比對來控制裝箱的正確性，是“散件包裝管理控制系統”的主要特色。條碼識別和重量比對數據是在生產現場采集的，設備布置和流程如圖2。為了對整個包裝過程進行有效管理和控制，需要在包裝線上安裝較多的重量傳感器，條碼掃描儀和報警器。我們通過嵌入式網絡接口將這些設備與數據庫緊密地聯系起來協同工作。

圖2

    4 結論

    車間級嵌入式TCP/IP通訊方案可以將ERP/MRP理論和方法延伸到生產現場，從生產現場采集數據，并直接控制生產過程，整體效益非常明顯，如：（1）去掉了手工書寫票據和送到機房輸入的步驟，能大大提高工作效率。

    （2）解決生產管理信息陳舊滯后的弊病。一張票據從填寫，收集到鍵盤輸入，需要一天或更長的時間。這使得生產計劃往往只能以幾天甚至一周前的物資信息為依據，反應遲緩。

    （3）解決票據信息不準確的問題（主要是抄寫錯誤，鍵入錯誤），從而提高生產率，改善生產管理的質量，提高對客戶的服務質量，消除事務處理中的人工操作，減少無效勞動，消除因信息不準引起的差錯。

    （4）控制生產環節的失誤，減少由此給企業帶來的信譽及經濟損失。

    所以，車間級嵌入式TCP/IP通訊方案為企業的信息化建設提供了一種新的選擇。

    參考文獻：

    1劉飛，等．CIMS制造自動化．北京：機械工業出版社，1997．

    2曹巖，等．基于MAS的生產過程動態調度與控制的自治組織結構極其在Internet/Intranet下的實現．制造業自動化，2003（1）．

    3孫鍵，等．基于CAN總線的機器人互聯．電子技術應用，2001（5）．