工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1引言

上業(yè)控制技術(shù)作為信息技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，在信息技術(shù)的帶動(dòng)下迅速發(fā)展。上業(yè)控制系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的信號(hào)反饋控制、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展到以信息網(wǎng)絡(luò)為依托，以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中所有設(shè)備通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成了一個(gè)有機(jī)的整體。以信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，不僅為上業(yè)控制系統(tǒng)提供了基本結(jié)構(gòu)，也為各種現(xiàn)代控制理論在上業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了基本條件。

Internet和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)和實(shí)施，為上業(yè)控制系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間，提供了新的技術(shù)支持。網(wǎng)絡(luò)控制在Internet技術(shù)的支持下，從高成本復(fù)雜系統(tǒng)變成了低成本控制系統(tǒng)。相信在Internet是一種超資源概念的引導(dǎo)下，如何利用這種資源將是現(xiàn)在和將來(lái)TI'產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)課題，也是上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)集成的意義和發(fā)展方向。

場(chǎng)總線網(wǎng)段、普通局域網(wǎng)段和)‘一域網(wǎng)段三個(gè)層次。其中，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段用于上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的底層兩級(jí)中的總線和控制設(shè)備間的通信。

從典型的上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)集成的體系結(jié)構(gòu)及其集成原理的角度出發(fā)，將其分為兩部分來(lái)考慮，即Lt11與上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成以及上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet之間的集成。
本文將對(duì)其原理與集成方法加以介紹。

2. 1 LAN與上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成

LAN與上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成，實(shí)質(zhì)是現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段與LAN之間的集成。

2.1.1運(yùn)用OPC實(shí)現(xiàn)Lt11與上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成

在對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)一步完善前(2003年以前)，我們運(yùn)用OPC實(shí)現(xiàn)其之間的集成。

OPC( OLE for Process Control)指用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入(OLE)技術(shù)，或者說(shuō)是對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展。OPC建立OLE( object linking and embedding)規(guī)范之上，它為上業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制。而OPC是靠OPC服務(wù)器(包括OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器、OPC歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)服務(wù)器對(duì)下層現(xiàn)煩設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種信息能夠進(jìn)辦OPC服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)向下4_聯(lián)(如圖1①②③}

圖1左上部分亙表示數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)OPC歷史數(shù)據(jù)服劣器與LAN網(wǎng)段進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1右下部分歐現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段層的ProfiBus控制網(wǎng)異部分)表示了OPC服務(wù)器充當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口時(shí)的連接劣系。當(dāng)它作為下層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口時(shí)，它代替?zhèn)鹘y(tǒng)午"I/0驅(qū)動(dòng)器”來(lái)完成與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信。OPC服務(wù)器與" I/0驅(qū)動(dòng)器”的不同之處卞要在于它向客戶端(即需要訪位OPC數(shù)據(jù)源的客戶應(yīng)用程序)提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE括口。通過(guò)這些統(tǒng)一接口，所有客戶應(yīng)用(包括企業(yè)管理層}`高級(jí)客戶應(yīng)用)都可以采用一致的方式來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信。

這里，用WEVAC基本型作為OPC Server,與所有能作丈OPC Client端的應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[al。 從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葋?lái)講，OPC服務(wù)器實(shí)際上就是一個(gè)I/ 0驅(qū)動(dòng)器，它一方而提供與數(shù)據(jù)供應(yīng)方(包括硬件和軟件)的通信，另一方而又將來(lái)自數(shù)據(jù)供應(yīng)方的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)OPC接口“暴露’，給數(shù)據(jù)調(diào)用方，數(shù)據(jù)調(diào)用方充當(dāng)了OPC客戶(OPCClient)角色。

OPC服務(wù)器還向上層的應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口，使上層的應(yīng)用程序(如VB和VC應(yīng)用程序)能夠取到OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)向上4_聯(lián)。值得一提的是，OPC服務(wù)器不僅可以用于硬件設(shè)備與系統(tǒng)軟件之間的通信同時(shí)還可以用于各個(gè)軟件應(yīng)用程序之間的通信。只要每個(gè)應(yīng)用程序都給其他應(yīng)用提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，它們之間的數(shù)據(jù)交換就不再是個(gè)棘手的問(wèn)題。

OPC規(guī)范提供了兩套接口方案，即COM和OLE自動(dòng)化接口。COM接口效率高，通過(guò)該接口，客戶能夠發(fā)揮OPC服務(wù)器的最佳性能，采用C+ +語(yǔ)A的客戶一般采用COM接口方案;自動(dòng)化接口使解釋性語(yǔ)A和宏語(yǔ)A客戶應(yīng)用程序變得簡(jiǎn)單，令用這些語(yǔ)A訪問(wèn)OPC服務(wù)器成為可能。采用VB語(yǔ)A的客戶一般采用自動(dòng)化接口。

基于上述的特點(diǎn)，OPC技術(shù)為不同的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)間提供了一個(gè)通用的I/ O接口。不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線可以通過(guò)運(yùn)用OPC技術(shù)，間接地實(shí)現(xiàn)信息的交4-。而在上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)用中，這確實(shí)也是現(xiàn)今解決因8種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)不同而造成總線勺_操作極其困難的較佳方法之一，因而，這就使上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)橫向和縱向集成的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單。(如圖1了l下部分助

同時(shí)，還需要指出，本系統(tǒng)在Lt11網(wǎng)段中的中間設(shè)備是通過(guò)DOOM( Distributed Component Object Model)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其連通性的。DOOM網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器和客戶機(jī)組成。

2. 1. 2運(yùn)用PROFINET實(shí)現(xiàn)LAN與上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的集成

在對(duì)本系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)一步完善時(shí)，我們對(duì)部分新加入的組件，也嘗試了這些方案—PROFINEI'方案(如圖1中國(guó)h示)。

PROFINET采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/ IP以太網(wǎng)作為連接介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/ UDP/ IP協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DOOM來(lái)完成N點(diǎn)之間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址。它可以同時(shí)掛接傳統(tǒng)PROFIBUS系統(tǒng)和新型的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[‘一3J?，F(xiàn)有的PROFIBUS網(wǎng)段可以通過(guò)一個(gè)代理設(shè)備(PROXY)連接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中(如圖1中國(guó)h示)。

PROFINET方案易于實(shí)現(xiàn)整個(gè)上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)橫向與縱向的網(wǎng)絡(luò)集成:PROFINET基于TCP/ IP，能將上廠的商務(wù)網(wǎng)、車間制造網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的儀表、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成透明網(wǎng)絡(luò)，并易于與WPh功能相結(jié)合。但是，PROFINET方案技術(shù)尚未經(jīng)過(guò)民時(shí)間的實(shí)踐檢驗(yàn)，技術(shù)也并非完善，如實(shí)時(shí)性問(wèn)題，滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境問(wèn)題尚需要得到更好的解決。

用發(fā)展的眼光看，各現(xiàn)場(chǎng)總線捆綁以太網(wǎng)是技術(shù)進(jìn)步與適應(yīng)巾場(chǎng)的趨勢(shì)。而對(duì)于本課題—上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)集成而A其意義在于應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)讓橫向、縱向的信息集成與交換變得更簡(jiǎn)單與方便。

2. 2上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與IntPrnPt之間的集成

上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與IntPrnPt之間的集成可以有兩種方式:

(1)上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(這里是FCS)通過(guò)企業(yè)網(wǎng)間接和Internet集成;(2)上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)(這里是FCS)直接和Internet集成。在本系統(tǒng)中，用后一種方式。

出于安全性以及可行性考慮，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)勺_聯(lián)技術(shù)，運(yùn)用網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)上業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet集成(如圖1的

通過(guò)配置以下兒項(xiàng)，可以執(zhí)行一項(xiàng)服務(wù)(這里，服務(wù)被看作一次請(qǐng)求)。

( 1)需要監(jiān)測(cè)或者控制的OPC group/ items(包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù))。
( 2)用戶細(xì)}u
( 3)每個(gè)服務(wù)器指定的介紹格式以及報(bào)告類型。

WG的詳細(xì)結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考圖20

3結(jié)語(yǔ)

隨著Internet的迅猛發(fā)展，TCP/ IP的簡(jiǎn)單實(shí)用已為)‘一大用戶所接受，以太網(wǎng)技術(shù)已成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的新殼點(diǎn)，各利‘現(xiàn)場(chǎng)總線都在致力于與以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合。以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)深入到控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域這一發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑有利于企業(yè)信息系統(tǒng)的層次簡(jiǎn)化，以及橫向、縱向的信息集成與交換，也有利于進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制在Internet技術(shù)的支持下，已從高成本復(fù)雜系統(tǒng)變成了低成本控制系統(tǒng)。可以斷言，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。相信在Internet是一種超資源概念的引導(dǎo)下，如何利用這種資源將是現(xiàn)在和將來(lái)IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)課題。