三网一体化技术是建立水工业信息化监控系统的最新模式

“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术是建立水工业信息化 监控系统的最新模式 2008 年 07 月 07 日 来源：中国水协设备网 摘要：本文主要介绍了目前供水行业 SCADA 的应用现状等，详细讨论了一体化技术的特 点、发展趋势及设计时应注意的问题。 关键词：Web Infranet Intranet Internet SCADA 随着社会经济的发展，水对人民生活与企业生产的影响日益加强，对供水的质量与安全可 靠性的要求不断提高，人们也更加重视降低供水系统的能耗。针对上述问题水行业目前普 遍采用的 SCADA 管理系统已远远的不能满足人们的需求，尤其在应用的过程中 SCADA 管理系统主要存在： 1、统开放的局限性 早期 SCADA 系统，由于没有通讯规约的统一标准，使各个不同厂家的设备不能实现信息 交流。 2、可操作性与互用性的局限性 受系统平台和软件的制约，很难实现互连设备间、系统间的信息传送与通讯，不同生产厂 家的性能类似的产品不可互相替换，使各仪表之间采集的数据处于孤岛状态。 3、现场设备的选择与功能的局限性 应用的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等是分散到各现场设备中完成，由于采用 的通讯传输方式是单工传送，因此有传输时延大，传输距离短等缺点；同时又受软件开发 工具的限制，只能实现一些基本功能。 基于以上情况，本文探讨采用基于 Web 和自动化组态软件及“Infranet+Intranet+Internet” 一体化技术，完善水行业 SCADA 管理系统是在今后应用中的最新模式；本文重点讨论了 一体化技术的特点、发展趋势及设计时应注意的问题。 一、水工业的应用现状 现代化城市供水体系实现全公司及水厂的信息管理 MIS 系统，首先要强化生产及管网的监 控及数据采集 SCADA 的功能和长期稳定性，这是 MIS 系统的基础信息源和数据库。根据 目前自动控制设备和计算机技术的发展现状，实现三遥监控 SCADA 系统的理想硬件模式 就是：检测仪表+单片机（PLC）+数传电台+计算机，现阶段这种模式应比较稳定，特别 是管网端站。 目前水司自动化模式的应用现状大致可分为：SCADA 系统(Supervisory Control And Data Acquisi-tion)， DCS 集散型控制系统(Distributed Control System)，IPC 十 PLC 三种类型。 1、SCADA 系统 SCADA 系统是由一个主控站(MTU) 和若干个远程终端站(RTU)组成，MTU 与 RTU 之间用 物理链路层或数据链路层联系，该系统特点： (1)组网范围大，通讯平台灵活，可实现一个城市或地区这样较大的地理分布的监测和控制。 通讯方式可采用无线/有线或微波通讯； (2)系统分为主控机和远程机两部分， RTU 的控制较固定，处理能力较小；(3)MTU 或 RTU 通过通讯接口进行协议变换后可与其它网络链接，可以组成较大、较复杂的通讯网络； (4)系统实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较困难。 2、DCS 系统 DCS 系统是由多台计算机和现场端机组成。通过网络将现场控制站、检测站和操作管理站、 控制管理站及工程师站联系起来。共同完成分散控制和集中操作。管理的综合控制系统特 点： (1)采用分级，分布式控制； (2)在物理上实现了真正的分散控制，系统可靠性较高； (3)有较好的扩展能力； (4)系统的软硬件资源丰富，可适应各种要求； (5)响应时间较快；实时性较好； (6)应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周期长。 DCS 系统具有较高的可靠性及良好的扩展能力，他注重功能分散以求危险分散，他可根据 用户管理体系的需要和用户功能要求，组成层次化(纵向分散) 和功能化(横向分散)的各类系 统，借助于网络技术，完成纵向和横向的通信，或向最上层的管理机构通信。在软件方面， 有面向过程控制用的支持软件和功能软件包，以便于过程控制工程师摆脱软件人员而独立 编程(生成应用程序)。 3、IPC 十 PLC 系统 该系统是 IPC 和 PLC 组成的分布控制系统，可实现 DCS 系统的功能，其性能已经达到 DCS 要求，而价格比 DCS 低的多。开发方便，在国内水厂自动控制中得到最广泛的应用。 该系统特点： (1)可实现分级分布控制; (2)可实现集中管理分散控制的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠性； (3)可靠性高，组网方便； (4)编程方便，开发周期短，维护方便； (5)系统内的配置和调整非常灵活； (6)与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化； (7)系统分布不大。 由于 DCS 系统运行可靠性高，能实现中心控制室、现场监控子站和就地控制的分级控制， 结构模块化，扩展灵活，结构开放，组网能力强等优越性，而被众多水厂采用。 二、基于 Web 及“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术的特点 进入 90 年代以来，基于 Internet(国际互联网) 的 Web 应用技术爆炸性发展，同样也引发了 工业控制领域深刻的技术变革这一领域的专家们长期追求的以实现“企业综合自动化” 为目标的“管控一体化”工业流程生产集成解决方案所面临的各种所谓技术标准化问题、用 户程序可移植性问题、系统功能可伸缩性问题、控制设备互操作性问题等等，似乎都已找 到了一个已既成事实的解决方法这就是在全球范围内得到广泛而深层次成功应用的基 于 TCP/IP 协议的网络技术和基于 WWW 协议的 Web 技术也就是说，组成“企业综合 自动化”的企业 MIS(管理信息系统 )和企业生产过程 SCADA 都以 TCP/IP 和 Web 技术为基 础，实现了企业“管”、“ 控”数据流之间无缝连接，“管控一体化”解决方案变得简捷和现实可 行，产生了以开放性、网络化为特征的立足于 Web 和“Infranet+Intranet+Internet”一体化 技术的应用可靠成熟的 SCADA 系列产品，其主要特点表现在如下几个方面： 1.微电子集成技术的进一步发展促使微机、工作站、服务器等计算机设备以及 PLC、智能 仪表等控制器设备在硬件上相互兼容，在性能上完全可以满足 Web 技术应用的条件。 2.网络技术：基于 TCP/IP 协议实现现场总线、非标准控制网络和信息网络的透明互连， 并最终形成“Infranet+Intranet+Internet”一体化。 3.操作系统：主要由 Unix、Windows-NT 及 Linux 构成相互透明的大系统操作平台。 4.数据库：企业 MIS 数据库和生产过程实时数据库无缝互连，并成为 SCADA 的核心功能 之一。 5.基于 Web 技术的分布式人机界面(HMI)功能。 在 Infranet 层 由实时数据库、Web 服务器、操作台浏览器等组成，主要完成生产过程 的实时监控功能；如果实时数据库、Web 服务器、操作台例览器等都基于同一台计算机设 备，则可称为 Web 嵌入式控制系统这也是当前机电一体化设备控制系统的发展模式。 在 Intranet 层 由数据库服务器、Web 服务器、办公用户浏览器等组成，主要完成生产 过程的实时监视功能和企业数据的管理功能。 在 Internet 层 由企业 Internet 网站和用户浏览器(如家用微机等) 组成，主要完成远程 数据交互功能和向城市居民公布给水工况及处理结果。 6.编程软件：控制系统的编程软件同样经历了从最初的语句系列、面向对象的结构化程序， 到工业控制组态软件的发展过程；随着 Internet 的发展，由 Microsoft 公司基于 Windows 操作系统所提出的 COM（Component Object Model）、 DCOM(Distributed Coponent Object Model)、ActiveX 等概念事实上引导着世界计算机软件产业界的编程思想和方法， 在工控领域这种概念的一个重要成果就是 OPC(OLE for Process Control，过程控制中的 对象嵌入技术)技术规范。基于 OPC 技术，从传统的“组态软件” 概念，发展到了已有成熟 产品的“组件软件”概念。 7.与地理信息管理系统 GIS(Geographic Information System)的接口：鉴于 GIS 在市政管 理中日益重要的作用，作为市政系统一部分的城市给水体系，通过 Internet，实现其 SCADA 与市政 GIS 的在线连接具有重要的意义。 三、在 Web 平台下，用 “Infranet+Intranet+Internet”一体化技术是完善当前水工业 SCADA 管理系统的最新模式 从工程控制的角度看，城市供水体系是一个直接由城市人群生产生活过程产生的、物理位 置分散、分布时变参数多、生产过程及结果透明度高的开放型大系统。系统设计、软硬件 设备选型都要坚持开放性原则在目前以“信息化、全球化、以人为本” 为标志的知识经 济时代，这不仅是当前仪表自动化产业的发展规范，也是降低综合成本(主要是设备成本和 人工成本)的有效措施只有坚持全开放性原则，充分利用各种社会资源( 通讯资源、人 力资源、技术服务资源等等)，才能节省投资。根据以上的技术特点，基于 TCP/IP 网络协 议和 Web 应用技术的 SCADA 结构模型（见图 1），可从三个方面描述： 1.网络拓扑结构：Infranet+Intranet+Internet： 面向工厂控制设备的现场总线及工业控制网络层 Infranet(Infrastructure Networks)； 以“实时数据库管理” 和“人机操作界面”为主要内容的企业内部互联网层Intranet(Intra- Networks)； 以实现“ 远程人机交互” 为主要内容的国际互联网层Internet(International Networks)； 2.数据库分布结构：企业管理数据库+生产实时数据库； 3.HMI(Human-Machine Interface：人机界面)分布结构： 4.生产工况监控+ 数据库管理。 支持 TCP/IP 协议以实现三层网络无缝互联，应用 Web 技术实现 “企业综合自动化”，是当 前 SCADA 发展的主要方向，国际上一些著名的工控领域软硬件制造商、系统集成商如： Rockwell、Siemens、Foxbro、Fisher- Rosemount、Schneider、Intellution、Wanderware、PC-Soft 等等最近 2、3 年中所推出 的基于“整体自动化”和“ 工厂自动化” 概念的各种系列产品基本上都是这种结构的典型范例和 事实“标准” ，并且在发达国家城市供水体系中得到了广泛应用。综上所述，基于 Web 平台 下开发及应用 “Infranet+Intranet+Internet”一体化技术是当前完善供水 SCADA 管理系统的 发展趋势 四、基于 Web 平台下，设计“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术时应注意的问题 基于 Web 平台下，用“Infranet+Intranet+Internet” 一体化技术进行开发设计时应注意： 1、应对现有的 SCADA 系统进行客观的分析，充分调研该系统是否满足用户需求、业务需 求、功能需求，然后编写详细的需求说明书；最后确定建设目标，完成系统设计方案。 2、系统采用的技术尽可能是当前的先进技术，但这些技术应是经过考验、即是成熟的。 在系统设计时，必须采用统一的技术标准、统一设备选型。 3、在选择系统平台时，应选用开放性、兼容性、互移性、安全性好的系统平台。在 Web 平台下，“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术分三层，即基于 TCP/IP 协议集通向远程 监控计算机的 Internet 体系结构为骨干层；基于 TCP/IP 协议集的企业内部网络 Intranet 体 系结构为核心层；基于 ProfibusDP 协议集的水厂监控网络 RS232/485 体系结构为应 用层；这样完全可以实现企业内部用户通过 Intranet 访问 Internet。 4、在选用计算模式时，应选用系统稳定、维护量小的计算模式，采用 B/S（浏览器/服务 器）（Broswer/Server）计算模式是比较好的选择。因为它于客户机/ 服务器（C/S）计算 模式相比，B/S 结构是一种平面型多层次的网状结构，最主要的特点是 B/S 结构与软、硬 件平台的无关性，所以浏览器、Web、Server 、Java、HTML 以及数据库资源都可以做到 与软、硬件平台无