數(shù)字化平臺(tái)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

魏源鋒 南召縣公共資源交易中心

數(shù)字化平臺(tái)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

魏源鋒 南召縣公共資源交易中心

數(shù)字化平臺(tái)在工業(yè)生產(chǎn)中有著極為重要的意義，因此，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。數(shù)字化工業(yè)平臺(tái)有利于生產(chǎn)、通訊與維護(hù)，文通過(guò)對(duì)數(shù)字化工業(yè)的發(fā)展以及工業(yè)通訊技術(shù)的分析，力求為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供創(chuàng)新的思路。

數(shù)字化平臺(tái) 通訊技術(shù) 現(xiàn)代工業(yè)

1 數(shù)字化平臺(tái)工業(yè)的發(fā)展

當(dāng)前的數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)主要集中于EDA、PLC與FPGA技術(shù)。由于數(shù)字流是極為模塊化的，前端產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)描述，編譯成調(diào)用，而不考慮內(nèi)部技術(shù)，單元使用特定的集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯或其他電子功能。制造商通常為其生產(chǎn)過(guò)程提供組件庫(kù)，并提供適合標(biāo)準(zhǔn)仿真工具的仿真模型。模擬數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)工具遠(yuǎn)不是模塊化的，因?yàn)樾枰嗟墓δ?，它們更?qiáng)烈地交互從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和模塊化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷擴(kuò)展，數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要性迅速增加，用戶(hù)通過(guò)操作半導(dǎo)體制造設(shè)施來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和改良。建立高度靈活的個(gè)性化產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)智能制造。以CPS為核心的智能制造可以從三個(gè)方面提升制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。一是能夠推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率和制造靈活性。借助CPS技術(shù)和產(chǎn)品，生產(chǎn)模式從“集中型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺稚⒅悄苄汀?，生產(chǎn)要素可以實(shí)時(shí)、高度靈活配置，確保僅一次性生產(chǎn)且產(chǎn)量很低時(shí)的獲利能力，確保工藝流程的靈活性和資源利用率。二是能夠使客戶(hù)與業(yè)務(wù)伙伴廣泛參與到業(yè)務(wù)過(guò)程和價(jià)值創(chuàng)造過(guò)程，形成新的價(jià)值鏈。基于CPS的生產(chǎn)過(guò)程淡化了虛擬世界和物理世界的界限，使物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)一體化，催生新的應(yīng)用和服務(wù)模式，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈分工被重組，客戶(hù)和業(yè)務(wù)伙伴能夠更直接地參與到商業(yè)價(jià)值的創(chuàng)造過(guò)程之中，產(chǎn)生新的價(jià)值鏈模式。三是能夠?qū)崿F(xiàn)自組織生產(chǎn)，促使人的角色發(fā)生轉(zhuǎn)變。CPS能夠獨(dú)立自動(dòng)交換信息、觸發(fā)動(dòng)作和控制，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)機(jī)械”的自組織生產(chǎn)，將人從操作性任務(wù)中解放出來(lái)，使之專(zhuān)注于創(chuàng)新設(shè)計(jì)、控制等高附加值的工作，保證德國(guó)制造業(yè)在高人力成本約束下仍然具有強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 工業(yè)通訊技術(shù)分析

2.1 工業(yè)局域網(wǎng)分析

局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）是指在某一區(qū)域內(nèi)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)互聯(lián)成的計(jì)算機(jī)組。一個(gè)局域網(wǎng)可以構(gòu)造在技術(shù)上不同，通常，LAN的布線(xiàn)，從一定的大小作為結(jié)構(gòu)化布線(xiàn)進(jìn)行?？焖僖蕴W(wǎng)100BASE-TX和千兆位以太網(wǎng)是以太網(wǎng)家庭中最常見(jiàn)的，主要用于數(shù)據(jù)中心和快速互連100千兆以太網(wǎng)。

集線(xiàn)器是包含多個(gè)中繼網(wǎng)絡(luò)中的分發(fā)節(jié)點(diǎn)，如果連接在網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)以上的計(jì)算機(jī)，這可以通過(guò)集線(xiàn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。一些網(wǎng)絡(luò)電纜可以被路由到一個(gè)區(qū)域，這就是它在星形結(jié)構(gòu)物理層的原因。在邏輯意義上，每個(gè)參與者被連接到所有其它的設(shè)備商。在局域網(wǎng)中，多個(gè)集線(xiàn)器可以用來(lái)增加連接部件的數(shù)量。它從一個(gè)端口的數(shù)據(jù)包接收，并將其發(fā)送到所有的端口，并等待下一個(gè)數(shù)據(jù)分組，同時(shí)獲取兩個(gè)數(shù)據(jù)包，可能會(huì)出現(xiàn)碰撞與沖突，此時(shí)兩個(gè)數(shù)據(jù)分組丟失和重傳。路由器能夠?qū)⒉煌膮f(xié)議和架構(gòu)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在TCP/IP模型中，路由器作為在網(wǎng)絡(luò)的外部邊界并將其連接到Internet或其他網(wǎng)絡(luò)。

2.2 工業(yè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)主要是通過(guò)IEEE 802．11協(xié)議中，這是與有線(xiàn)以太網(wǎng)很大程度上兼容的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并不在建筑物邊界停止，所以還需要特殊的加密技術(shù)。最初的標(biāo)準(zhǔn)是WEP（WEP 64或WEP-128），但現(xiàn)在安全性較差，因此較少被使用。WPA2使用一個(gè)更好的加密機(jī)制即AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)），作為更安全的方法，應(yīng)該是以下集中無(wú)線(xiàn)技術(shù)（WEP、WPA、WPA2）通過(guò)與IPsec的VPN的專(zhuān)業(yè)技術(shù)相結(jié)合。

2.3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)嗅探

分組嗅探器對(duì)于特定類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)可以攔截和記錄經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)流流過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，嗅探器捕獲每個(gè)分組并且根據(jù)需要，采用解碼器分析分組的原始數(shù)據(jù)，顯示出分組中的各個(gè)字段的值，并且根據(jù)適當(dāng)?shù)腞FC或其他規(guī)范分析其內(nèi)容。數(shù)據(jù)包捕獲是攔截和記錄流量的過(guò)程。在LAN上的以太網(wǎng)、令牌環(huán)和FDDI網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了可以從網(wǎng)絡(luò)上的單個(gè)機(jī)器捕獲網(wǎng)絡(luò)的流量。然而，一些方法避免交換機(jī)的業(yè)務(wù)窄化以獲得對(duì)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上的其他系統(tǒng)的業(yè)務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)。為了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的目的，還可以通過(guò)使用具有監(jiān)視端口的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)來(lái)監(jiān)視LAN中的所有數(shù)據(jù)分組，所述監(jiān)視端口在系統(tǒng)連接到交換機(jī)端口時(shí)鏡像通過(guò)交換機(jī)的所有端口的所有分組。

2.4 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分路通信

使用網(wǎng)絡(luò)分路器是比使用監(jiān)測(cè)端口更可靠的解決方案，因?yàn)榉至髟诟吡髁控?fù)載期間不太可能丟棄分組。在無(wú)線(xiàn)LAN上，可以捕獲特定信道上的流量或使用多個(gè)適配器在多個(gè)信道上捕獲流量。在有線(xiàn)廣播和無(wú)線(xiàn)LAN上，要捕獲單播流量以外的流量到機(jī)器正在監(jiān)視的多播組，網(wǎng)絡(luò)適配器必須處于混雜模式。捕獲的信息從原始數(shù)字形式解碼為人類(lèi)可讀的格式，使用戶(hù)可以輕松查看交換的信息。協(xié)議分析器在多個(gè)視圖中顯示數(shù)據(jù)的能力不同，可以自動(dòng)檢測(cè)錯(cuò)誤、確定錯(cuò)誤原因、生成時(shí)序圖、重建TCP和UDP數(shù)據(jù)流等。協(xié)議分析器也可以產(chǎn)生流量作為測(cè)試裝置，這樣的測(cè)試器生成用于功能測(cè)試協(xié)議的流量并且還可以有意地引入錯(cuò)誤以測(cè)試DUT的處理錯(cuò)誤的能力。

3 總結(jié)與展望

數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展迅速，因其易用性、穩(wěn)定性、快捷性受到廣大科研人員和工業(yè)控制生產(chǎn)人員的歡迎。我國(guó)各層次的開(kāi)發(fā)研究人員正不斷地改善當(dāng)前數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)的通訊技術(shù)，為了充分利用計(jì)算機(jī)的價(jià)值。大量用戶(hù)的使用同時(shí)對(duì)其發(fā)展也有促進(jìn)作用，數(shù)字化平臺(tái)的通訊技術(shù)對(duì)于工業(yè)的發(fā)展將起著越來(lái)越重要的作用。

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