隨著現(xiàn)代電廠信息自動化進(jìn)程的加快，電廠逐漸將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)電廠信息管理系統(tǒng)MIS(Management Information System)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(Supervisory Information System)、分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)三層信息系統(tǒng)管控一體化。在電廠DCS設(shè)計(jì)過程中，通常采用的是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)，但現(xiàn)場總線相互之間兼容性差、生產(chǎn)現(xiàn)場自控設(shè)備的種類繁多，導(dǎo)致不同的總線產(chǎn)品之間無法實(shí)現(xiàn)互連、互換和統(tǒng)一組態(tài)。
而以太網(wǎng)(Ethernet)是目前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，它具有開放性、低成本、廣泛的軟硬件技術(shù)支持等優(yōu)勢，有利于現(xiàn)場控制的徹底分散。特別是，隨著高性能智能儀表的出現(xiàn)，高兆網(wǎng)(從100Mbps、1000Mbps到1Gbps)的普遍使用, 使以太網(wǎng)逐步進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，是目前企業(yè)信息綜合自動化系統(tǒng)理想的解決方案，日益進(jìn)步成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文主要根據(jù)工業(yè)Eth
2 工業(yè)Ethernet的應(yīng)用現(xiàn)狀
以太網(wǎng)最早起源于美國夏威夷大學(xué)，其具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率高，提供足夠的帶寬;
(2) 使用交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術(shù);
(3) 多種傳輸協(xié)議并行;
(4) 具有廣泛的技術(shù)支持;
(5) 允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)建不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
以太網(wǎng)本質(zhì)上只是一個物理層標(biāo)準(zhǔn)，就像RS-232/485標(biāo)準(zhǔn)一樣，目前網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP基本上已成為通用標(biāo)準(zhǔn)，為多數(shù)廠家所接受，但在應(yīng)用層協(xié)議上還存在分歧。目前主要的現(xiàn)場總線組織都在開發(fā)基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線協(xié)議(如FF、Profibus等)，更有一些公司已在開發(fā)具有以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品，并有研究成果出現(xiàn)。從市場角度考慮，工業(yè)Ethernet在應(yīng)用層的統(tǒng)一還需比較長的時(shí)間[1]。
工業(yè)Ethernet和Internet技術(shù)的發(fā)展完全改變了傳統(tǒng)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，工業(yè)Ethernet向控制系統(tǒng)底層延伸是必然趨勢。以太網(wǎng)在現(xiàn)場最典型的應(yīng)用形式是Ethernet+TCP/IP，使以太網(wǎng)很容易集成到以Internet和Web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，Web技術(shù)的滲透使過程I/O信號不再專屬于某一控制系統(tǒng);智能儀表的出現(xiàn)更使用戶不必親臨現(xiàn)場就能監(jiān)控生產(chǎn)過程。因此，基于Ethernet+TCP/IP的智能傳感器、變送器直接成為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，其控制參數(shù)和狀態(tài)直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸和共享，從而避免了FCS因存在多種協(xié)議而難以集成的局面。但工業(yè)Ethernet采用CSMA/CD協(xié)議，其解決通信沖突的方法本質(zhì)上不具有通信確定性和魯棒性，使其并不能完全取代現(xiàn)場總線，不同控制網(wǎng)絡(luò)走向統(tǒng)一的時(shí)機(jī)還遠(yuǎn)未到來。目前在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中最好的解決方案是融合或組合以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，可以有效的保護(hù)既有的技術(shù)和投資，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成[2]。Ethernet/FCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示:
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圖1 Ethemet/FCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3 基于Ethernet的電廠監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
由于與Internet的無縫結(jié)合、低成本、高帶寬以及廣泛的開放性和兼容性，以太網(wǎng)已成為企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet的首要選擇?；贓thernet技術(shù)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)新點(diǎn)和最主要的特點(diǎn)是融合Ethernet技術(shù)和FCS，貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)的各層次，使它成為透明的覆蓋整個電廠范圍的應(yīng)用實(shí)體，實(shí)現(xiàn)電廠MIS、SIS和現(xiàn)場DCS的管控一體化的無縫結(jié)合。將現(xiàn)場設(shè)備和管理層集成于同一層以太網(wǎng)上形成扁平化的電廠控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖如圖2所示:
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圖2 基于Web的電廠監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖
工業(yè)Ethernet向控制層滲透、應(yīng)用于過程控制的監(jiān)控級、與FCS融合使用已成必然趨勢，但基于工業(yè)Ethernet的電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何解決大規(guī)模系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性和可靠性間的矛盾等關(guān)鍵技術(shù)，期待解決:
3.1 Ethernet的通信時(shí)間確定性
由于Ethernet采用CSMA/CD協(xié)議，其解決通信沖突的方法本質(zhì)上不具有通信確定性，難以保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這是它在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用的主要障礙之一。但以太網(wǎng)的高傳輸速率是其它網(wǎng)絡(luò)難以比擬的，為解決其時(shí)間確定性提供了良好基礎(chǔ)，主要技術(shù)路線有4條。
(1) 采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、具有數(shù)據(jù)交換功能的智能集線器，提供緩沖存儲器，降低數(shù)據(jù)沖撞和重發(fā)概率，從而達(dá)到通信確定性的要求。
(2) 使用全雙工(Full-Duplex)通信模式。
(3) 降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。
(4) 增強(qiáng)Ethernet接插件、交換機(jī)、通信電纜等抗干擾能力。與傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)相比，交換式集線器同時(shí)提供多個傳輸路徑，顯著地改善了傳輸能力，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。
3.2 基于工業(yè)Ethernet的通訊結(jié)構(gòu)模式
采用基于B/S和C/S混合結(jié)構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。在電廠現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)集中到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，采用C/S結(jié)構(gòu)模式，可利用其交互能力強(qiáng)、客戶端功能強(qiáng)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制;對于遠(yuǎn)程用戶，采用B/S模式，可充分利用B/S模式優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電廠遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。
3.3 以太網(wǎng)安全性
工業(yè)Ethernet把傳統(tǒng)的3層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設(shè)備層)合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸更快、實(shí)時(shí)性更高，并接入Internet，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，同時(shí)也帶來網(wǎng)絡(luò)安全問題。為此，采用網(wǎng)絡(luò)隔離的辦法將電廠內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)分開，同時(shí)加入防火墻，
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.1 B/S和C/S混合模式的實(shí)現(xiàn)
對于現(xiàn)場控制系統(tǒng)，需要集中管理、分散控制和風(fēng)險(xiǎn)分散，因此采用C/S結(jié)構(gòu)，利用其交互能力強(qiáng)，客戶端功能強(qiáng)，執(zhí)行效率高，集中管理數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控。首先，客戶端利用ODBC對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行本地訪問，其模塊集成在客戶端的應(yīng)用程序中，或以ActiveX控件的形式嵌入在客戶端中的程序中;其次，對于服務(wù)器和客戶端的交互，可以通過WSocket代碼來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收，其中發(fā)送包在服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)包在客戶端實(shí)現(xiàn)。但C/S模式也存在很多弊端，如程序開發(fā)量大、客戶端負(fù)載大、系統(tǒng)維護(hù)困難和安全性差等，不適合遠(yuǎn)程監(jiān)控需要。
目前，引入B/S模式到應(yīng)用現(xiàn)場，它借助于HTTP協(xié)議和Web技術(shù)，由C/S模式不斷改進(jìn)發(fā)展而來。B/S模式為三層結(jié)構(gòu)，各層相互獨(dú)立，完成特定功能。客戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)平臺，形成一點(diǎn)對多點(diǎn)，多點(diǎn)對多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)效率。其工作優(yōu)點(diǎn)是典型客戶模式、無需開發(fā)客戶端軟件、效率高、易于維護(hù)、平臺無關(guān)性等。
基于B/S的監(jiān)控系統(tǒng)主要通過采用ASP技術(shù)和ActiveX組件(COM/DCOM)技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的Web應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。即Web頁面利用VScript或JScript語言編寫，嵌入ActiveX組件;然后ActiveX控件根據(jù)網(wǎng)頁的參數(shù)設(shè)置，通過應(yīng)用服務(wù)器向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提交數(shù)據(jù)請求，接收并解析響應(yīng)的數(shù)據(jù)包，把監(jiān)測數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)、動態(tài)地傳遞給用戶，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中ActiveX組件中封裝了與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的查詢接口、與本地工作站的交互操作和數(shù)據(jù)的自動讀取和顯示等功能。
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圖3 ActiveX和ASP相結(jié)合的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
4.2 OPC的開發(fā)
OPC(OLC for Process Control)的基礎(chǔ)是Microsoft的OLE、COM/DCOM技術(shù)，它是現(xiàn)場設(shè)備級和過程管理級進(jìn)行信息交互的開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，支持分布式或異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序之間軟件的無縫集成和互操作。從數(shù)據(jù)傳輸角度說，OPC服務(wù)器實(shí)質(zhì)上是一個網(wǎng)關(guān)，一方面從現(xiàn)場設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，另一方面把來自不同類型的FCS的不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的集成。由于OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較復(fù)雜，目前只有一部分FCS設(shè)備提供了OPC的接口驅(qū)動。OPC接口規(guī)范主要包括DA和AE兩個部分，對于應(yīng)用軟件，如監(jiān)控組態(tài)軟件，DA部分的OPC Client接口直接集成到組態(tài)軟件的程序中，而AE的處理則通過ActiveX控件來實(shí)現(xiàn)。
OPC服務(wù)器對象OPC DA Server提供連接的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)訪問的方法。因此，在建立OPC組和標(biāo)簽之前必需建立OPC服務(wù)器對象，在VB中創(chuàng)建OPC DA Server的方法為:
Dim WithEvents AnOPCServer As OPCServer
Set AnOPCServer=New OPCServer
OPC服務(wù)器對象建好后用OPC數(shù)據(jù)訪問自動接口的"Connect"方法與數(shù)據(jù)源連接。
OPC C1ient和OPC DA Server進(jìn)行通訊連接時(shí)，通常一個OPC Client可以與多個服務(wù)器同時(shí)連接，而一個OPC服務(wù)器也可同時(shí)被多個OPC應(yīng)用程序連接。與多個OPC Server連接時(shí)，對每個Server都要連接一次，當(dāng)不要某個OPC Server時(shí)，要將該服務(wù)線程終止，釋放占用資源。通過類COPCDAConnection來記錄每一個連接，用指針列表ServerList來記錄所有的連接。這里以與單服務(wù)器連接為例，連接和釋放的流程如圖4所示。
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圖4 OPC Client與服務(wù)器的連接和釋放流程
在OPC中，數(shù)據(jù)傳輸是以組為單位進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ谶\(yùn)行狀態(tài)中，為了不引起堵塞而導(dǎo)致畫面停頓，一般都采用異步方式寫數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)訂閱方式被動地接收數(shù)據(jù)。
5 結(jié)束語
Ethernet是信息技術(shù)中技術(shù)最為成熟、有眾多硬件供應(yīng)商支持的信息高速通道，它把大量的局域網(wǎng)聯(lián)成了廣域網(wǎng)，將其應(yīng)用到電廠控制領(lǐng)域，在現(xiàn)場設(shè)備中內(nèi)置Web服務(wù)器，使之具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，又能與現(xiàn)場總線技術(shù)相互滲透，實(shí)現(xiàn)電廠MIS、SIS和DCS系統(tǒng)的管控一體化。同時(shí)，與Internet技術(shù)的結(jié)合是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，這一切使得基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控在電廠有廣闊的發(fā)展前景。
（轉(zhuǎn)載）
