（控制理论与控制工程专业论文）异构网络港口控制系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机网络技术的不断发展，使得生产过程的底层自动化监视和控制 逐渐完善，形成了基于可编程控制器、集散控制系统、现场总线控制系统的各 种工业控制网络，使生产的自动化水平大大提高。但工业控制网络日趋向大型 化、复杂化方向发展，在实际生产现场形成了多套监控网络平台，用以对各种 不同的生产现场或同一生产现场的不同部分进行实时监控，这些异构的监控平 台是由不同的控制网络构成，难以互相联系与数据共享。而另一方面，管理层 希望将管理深入到工业控制现场。因此，实现异构网络互联以及与信息网络的 集成和数据共享成为了控制系统发展的趋势和要求。本论文正是根据这些实际 情况，结合码头控制系统的异构网络，综合运用以太网技术和o p c 技术对异构 网络控制系统的同构进行研究的。 本文首先分析了异构网络控制系统同构的思想，提出网络级与接口级实现 同构的方法。针对网络级通过以太网实现同构，针对接口级通过o p c 技术实现 同构。 其次，本文对以太网的概念以及介质访问控制方式进行了介绍，分析了工 业以太网的发展现状和趋势，分析了以太网运用于工业控制现场所要解决的关 键问题，如实时性和确定性、工业可靠性、网络安全性等。同时本文对p r o f i b u s d p 和c o n t r o l n e t 总线协议进行了详细分析，对工业控制无线通信进行了介绍，讨 论了它们在异构网络港口控制系统中的作用以及所处的角色。 最后，本文以某港口铁矿石码头中控控制系统为项目背景，根据异构网络 港口控制系统的具体要求，结合理论知识以及港口的实际情况，重点研究了以 太网运用于港口时如何解决工业控制现场的关键问题的方法；接口同构方面详 细研究并实现了基于以太网与o p c 技术对a b b 的a c 4 5 0d c s 系统、a b c o n t r o l l o g i x5 5 5 0p l c 、d i g i t a lg p 2 4 0 0 触摸屏、s i e m e n ss 7 3 0 0 和$ 7 - 4 0 0p l c 实现数据整合的具体方法。 关键词：异构网络，以太网，o p c ，p r o f i b u s d p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g yo f b o t t o ma u t o m a t i cp r o d u c i n gp r o c e s sm o n i t o ra n dc o n t r o lh a sg r a d u a l l yb e c o m eb e t t e r a n db e t t e r f o r m e dv a r i e so fi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o g r a ml o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a n df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) t h e yp r o m o t et h ea u t o m a t i cp r o d u c i n g b u ti n d u s t r yn e t w o r kb e c a m em o r e a n dm o r em a j o ra n dc o m p l e x i t yl e a dt om u c hm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i e l d t h e s es y s t e m su s e dt om o n i t o rd i f f e r e n tp r o d u c tf i e l do rm o n i t o rd i f f e r e n tp a r to f t h ef i e l d 1 1 1 ch e t e r o g e n e o u sm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mm a k eu po fd i f f e r e n tc o n t r o l n e t w o r k s oi ti sd i m c n i tt oc o n t a c ta n dd a t as h a r e i na n o t h e rp a r t , m a n a g e rw a n t st 0 m a k em a n a g e m e mg o n ed e 印i n t oc o n t r o lf i e l d t h u st h er e a l i z a t i o no fi n t e r l i n kt h e h e t e r o g e n e o u sn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r ki st h et r e n do f t h ed e v e l o p m e n ta n d r e q u i r e m e n to fc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt 0a c t u a lr e q u e s t sa n do b j e c t i v es i t u a t i o n s ， c o m b m e dw i t he t h e m e tt e c h n o l o g ya n do p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) t e c h n i q u e ， t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mo nt h eh a r b o r m o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei s o m o 删ci d e ao fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m a n dp u tf o r w a r dt h ei s o m o 删cw a y si nt h eu e t w o r ka n di n t e r f a c e t ot h e n e t w o r kw eu s ee t h e r n e tt e c h n o l o g y t ot h ei n t e r f a c ew eu s e do p ct e c h n o l o g y s e c o n d l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fe t h e r u e ta n dt h ea c c e s sw a y o n c o m m u n i c a t i o n ，a n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt h et e n d e n c yo f t h ei n d u s t r y e t h e m c t , a n a l y s e st h ek e yp r o b l e m st h a te t h e m e ti su s e do ni n d u s t r yf i e l d , i n c l u d i n g t h er e a l - t i m ea n de x a c to fc o m m u n i c a t i o n , t h ei n d u s t r i a lr e l i a b i l i t y ，t h en e t w o r k s e c u r i t ya n ds oo n t h i sp a p e rd e t a i l e da n a l y z e st h ep r o t o c o lo fp r o f i b u s d pa n d c o n r c o l n c t , i n t r o d u c e st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m , d i s c u s st h e i rr o l ea n df u n c t i o no nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y t h i sp a p e ri sb a s e do no n eh a r b o rc e n t r a lc o n t r o ls y s t e m , a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to ft h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m , c o m b i n ew i t ht h et h e o r y k n o w l e d g ea n da c t u a ls i t u a t i o n , s t u d i e sa n de m p h a s i st h ew a y st h a th o w t os o l v et h e ， 玎 武汉理工大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o np r o b l e mo fe t h e m e ! tu s e di ni n d u s t r i a lf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e st h e w a yt h a th o wt o r e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nw i t ha b ba c 4 5 0s y s t e m ，a b c o n n o l l o g i x5 5 5 0p l c ，d i g i t a lg p 2 4 0 0t o u c hp a n e l ，s i e m e n ss 7 3 0 0a n d s 7 - 4 0 0p l cb a s e do i le t h e m e ta n do p ct e c h n o l o g y k e yw o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k , e t h e r n e t ，o p c ，p r o f i b u s - d p i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 一个工业信息监控网络，一般是采用三层网络结构，现场设备层完成现场 设备的控制，自动化层利用h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 软件开发上位机监 控程序，最上层为管理层，若要实现管理级网络监控，则将上位机连入企业网 内，实现信息网络与控制网络的集成f l 】。 企业信息化与自动化的层次模型如图1 1 所示。其中设备层中的设备种类繁 多，有传感器、启动器、驱动器、i o 部件、变送器、变换器、阀门等。设备的 多样性要求设备层满足开放性要求，来自不同厂家的设备要遵循公认的标准， 在功能上可以相互通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能，实现互操作性。 自动化层实现控制系统的网络化，是连接设备层与信息化层的桥梁。对设备层， 允许符合开放标准的设备方便地接入；对信息化层，允许与信息层互联、互通、 互操作。信息化层已较好实现开放性策略，各类局域网满足i e e e 8 0 2 标准，信 息网络的互联遵循t c p i p 协议，它的开放性为实现控制网络与信息网络的集成 提供了有力的支持。 信息化层 自动化层 设备层 图1 1企业信息化与自动化的层次模型 企业网络中异构网络的集成可以看成是处理企业管理与决策信息的信息网 络和处理企业现场实时测控信息的控制网络两种网络体系的集成。信息网络一 般处于企业中上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特 征。控制网络主要位于企业中下层，处理实时的、现场的信息，具有协议简单、 容错性强、安全可靠、成本低廉等特征。这二者的集成将为企业计算机综合自 动化与信息化创造有利的条件，即实现网络间信息与资源的共享，建立综合实 时信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据，其最终目标是实 现管理与控制一体化的、统一的、集成的企业网络。 武汉理工大学硕士学位论文 控制网络与信息网络集成的含义是实现网络间信息与资源的共享。从这个 意义来说，控制网络与信息网络的集成技术主要有互联技术、远程通信技术、 动态数据交换技术等。将信息网络与自动化层的控制网络统一组网，融为一体， 然后通过路由器与设备层控制网络，如现场总线网络，进行互联，从而形成统 一的企业网络，这就是实现控制网络与信息网络的无缝集成，形成一个统一的、 集成的企业网络的基本策略之一。 异构网络中各种总线有各自的应用协议，客户应用程序从数据源获取数据 时，由于软硬件的不一致性，不同设备需要不同的驱动程序，两个应用程序通 常不能同时访问同一设备，导致了驱动程序的不一致性。所以一种现场总线仅 能在一定应用范围内发挥优势，并不适合所有控制现场，在工业控制系统中仍 存在多种总线并存的现象，用户仍要面临现场总线的选择、集成以及不同协议 系统之间的信息交互问题。因此，在今后一段时间内，实现异构网络集成，利 用多种现场总线共同完成测控任务是现实而必要的1 2 】。 异构网络化控制系统的最终目标是在统一的网络平台上实现控制系统之间 的水平集成以及控制系统和信息系统的垂直集成，使测控信息能够纵向快速流 动和横向实时交互。这对企业建立综合决策信息库、实现生产控制过程的实时 数据交互、保持数据的一致性和完整性、实现远程监控诊断，加强企业内外部 信息交流都有着重要意义【3 1 。 工业控制系统的发展趋势是网络化、智能化、企业信息集成化。目前世界 上有2 0 0 多家p l c ，d c s 及其网络系统的制造公司，生产着4 0 0 多个系列的产 品。工业环境中一般总是多种总线技术并存，多种系统、多种网络结构并存。 由于底层控制器的品牌不同，不同现场总线的通信协议不同，要实现不同现场 总线网络间的互连非常困难。将不同制造厂、不同系列的设备、不同的软件、 不同的网络协议的自动化设备有机地揉合到一起，将孤立的自动化孤岛连接起 来形成网络结构，成为一种开放的、可互操作的、网络化的控制系统，实现网 络同构，最终达到应用厂家的管控一体化目标，成为目前自动化领域最关心和 最迫切的问题。 1 2 课题的背景与意义 随着我国钢铁工业的迅速发展，对铁矿石的需求日益增多，质量要求也日 益提高。国内许多钢铁企业通过从国外进口高品位的铁矿石来弥补原料的不足， 而且进口量越来越多。因此，建造2 0 3 0 万吨大吨级铁矿石码头，促进铁矿石进 2 武汉理工大学硕士学位论文 口运输，合理利用国内、国际两种矿石资源是发展我国钢铁工业的长远方针， 也是必然的趋势。 考虑该系统是年设计能力达8 5 0 万吨的大型深水专用铁矿石码头控制系统， 码头生产量大，大型设备多，电气设备分布点比较散，控制及监测点较多，本 系统采用了先进的工业控制设备以及计算机管理网络来实现现代化的生产管 理。其自动化系统采用分散控制、集中监控和集中管理结构。通过工业以太网 将四个控制子站组建成一个控制网络，通过该网络可实现对整个矿石码头的自 动控制。 该控制系统的底层控制网络上分布着来自不同厂商不同版本的工控产品， 即通常所说的异构，则它们的软件互不兼容，通信协议也不相同。而且在地理 上也存在分布在不同场地的情况，就构成了异构的分布式的企业工控环境。不 同的工控结构在数据定义、分类标准和规格制定上的不同，使得不同结构中的 实时数据不能自由流动，就产生了数据信息孤岛，为了能对数据信息进行集成 和一体化管理，并且考虑工业过程控制的实时性，就需要在底层支撑环境与上 层应用系统之间建立一个统一的实时数据平台，集成控制系统的各种实时数据 信息。只有实现了各种工控设备的无缝联接，不同协议网络的互联，异构网络 的同构，实现了对整个码头所有的控制网络进行整体连接，得到码头的实时数 据，才能实现真正意义上的经济核算，达到提高码头经济效益的目的。 1 3 论文结构 本文分为7 章。文章对世界上应用最广泛的几种现场总线控制网络及其工 业以太网的通信机制进行了分析研究，结合某港口2 0 万吨级铁矿石码头控制系 统，阐述了如何在大型工业控制系统中实现异构控制网络的同构。结构如下； 第l 章引出异构网络控制系统的概念，阐明本课题的研究背景和意义。 第2 章介绍了网络控制系统的发展及现状。 第3 章针对异构网络控制系统的特点，提出了异构网络同构化思想，分析 了分别在网络级与接口级实现同构的方法。 第4 章介绍了以太网的基本概念和关键技术，工业以太网的发展现状与趋 势，分析了以太网技术应用于工业自动化的关键问题。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章针对异构网络港口控制系统中所用到的网络，对p r o f f i 3 u s d p 现场总 线网络，c o n n o l n e t 现场总线网络和无线通信网络进行了详细的分析。 第6 章为笔者在参与某港口铁矿石码头控制系统建设时的工作内容。本章 针对铁矿石码头控制系统的实例，对异构网络的同构化问题进行了设计，设计 了各种异构网络进行数据通信时的方法。 第7 章总结了本文所做的工作，并指出了其它有待深入研究的问题和今后 工作的重点。 4 武汉理工大学硕士学位论文 期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品白成系统，不同厂家的设备 不能互连在一起，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统 存在很多困难。 2 2 现场总线控制系统 随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能程度越来越高，成本在不断下 降，因此，在智能设备之间使用基于开放标准的现场总线技术构建的自动化系 统逐渐成熟。通过标准的现场总线通信接口，现场的i 0 信号、传感器及变送器 的设备可以直接连接到现场总线上，现场总线控制系统通过一根总线电缆传递 所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高 了通信的可靠性。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。它作为过程自动化、 制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生 产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理网络之间的联系，为彻底打破自 动化系统的信息孤岛创造了条件。而智能仪表也为现场总线的出现奠定了基础， 这些仪表带有微处理器芯片，克服了单一模拟仪表的多种缺陷，使现场总线用 于工业现场成为可能。 现场总线控制系统为网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能由过 去的控制室设备变为智能现场仪表来承担，由于控制功能的分散化及全数字化， 就有可能组成大型的开放式控制系统。进而实现从最高决策到最低设备层的综 合管理和控制。现场总线的有关规范一经国际公认，通过功能模块参数标准化， 用户可以实现不同厂家产品的互操作择优集成。现场总线的特点体现在以下几 个方面【5 1 ： ( 1 ) 现场通信网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场仪表 或现场设备互连的现场通信网络，是c i p s c i m s ( 计算机集成过程系统计算机 集成制造系统) 的最底层； ( 2 ) 现场设备互连：各种现场设备( 传感器、变送器、执行器、智能仪表 和p l c 等) 通过一对一传输线互连，成为现场总线的各个节点； ( 3 ) 互操作性：由于现场设备种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一 个工厂所需的全部现场设备。在现场总线中允许不同厂商的现场设备既可互连 也可互换，并可以统一组态构成用户所需要的性能价格比最优的控制回路； 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 分散功能块：f c s 把传统的集散控制系统控制站的功能块分散地分配 给各现场仪表，从而构成虚拟控制站； ( 5 ) 通信线供电：允许现场仪表直接从通信线上摄取能量； ( 6 ) 开放式系统：现场总线为开放式互联网络，它既可与同层网络互连， 也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库共享。 现场总线发展迅速，现在处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前国际上有四 十多种现场总线，如i n t c r b u s 、b i t b u s 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c c n t 、p - n e t 、f i p 等，其中最有影响力的有五种，分别为基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、h a r t 协议( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 、c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 和l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) f 6 】。 然而就目前情况来看，现场总线技术的发展还存在许多问题，最主要的是 没有一个统一的国际标准( 目前的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，包含了8 种不 同类型的现场总线，因此可以说没标准) ，并且由于支持各总线的集团间的利 益冲突等原因，近期产生统一的现场总线标准是不可能的。由于现场总线均有 自己的协议，要构成一个控制系统，必须采用相应的开发工具、平台、软件包， 这需要较昂贵的代价，且实现不同总线产品间的互连非常困难。这使得f c s 的 开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现。 当现场总线由于以上不足而停滞不前时，人们开始寻找新的出路，以太网 进入了入们的视线。 2 - 3 工业以太网控制系统 工业自动控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂， 内部的连接越来越高速化与紧密化。由于系统细分成了独立的控制孤岛，对驱 动器和用户接口的需求越来越多。对于分布式实时控制来说，其前提即确定性 的概念是一种网络技术，而在所有的网络技术中，以太网技术是较为理想的选 择，它能满足如下的所有要求： ( 1 ) 充分考虑今后的发展需要，具有高传输速率，目前到1 0 g b p s ； ( 2 ) 高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性； ( 3 ) 几乎不考虑网络的拓扑结构； ( 4 ) 传输物理介质：双绞线、光纤、同轴电缆； 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 集线器的应用可不需考虑网络的扩展； ( 6 ) 与i t 连接，“世界标准”的t c p i p 技术的应用； ( 7 ) 在整个网络中的随机网络存取技术； ( 8 ) 低成本高性能面向未来的开发。 虽然以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) ， 一般认为这种协议不能满足控制系统的实时性要求，但是1 0 0 m b p s 的以太网已 经开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现。而且以太网交换技术的出现，通 过全双工交换技术，可以完全避免c s m a c d 中的碰撞，并且可以方便的实现 优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好的实时性能 7 1 。 尽管基于以太网的控制系统具备诸多优点，但作为传统上面向商业用途的 局域网络，以太网的应用仍受到来自自动控制领域的多方质疑，其理由主要集 中在以太网的不确定性和实时性能欠佳等问题上，因为这将直接影响网络控制 系统的稳定性及能否满足工业控制网络的要求等。然而，由于快速以太网和交 换式以太网技术的发展，给解决以太网的不确定性问题带来了新的契机，而全 双工交换式以太网的诞生意味着以太网有条件成为确定性的网络。另外，通过 虚拟局域网设计、对数据传输引入优先权以及利用i p v 6 技术等手段也可以基本 解决以太网的上述问题。目前，各自动化公司纷纷推出工业以太网标准，为以 太网进入工业控制领域提出了各种解决方案。 在工业控制现场，能否将以太网用于网络控制系统的底层完全替代现场总 线，目前还处于研究和讨论阶段。普通以太网向下延伸到工业现场，面临一系 列的技术难题，如确定性、实时性、安全性、抗干扰能力，还有现场设备的供 电问题、网线的物理性能的提高等。总之以太网有其优势，也有其技术上的缺 陷，它的研究方向应在尽可能的保留原有协议的基础上，加入实时性控制措施。 工业以太网是当前工业控制领域新的研究热点。尽管它现在还有许多不成熟的 地方，但它巨大的应用前景吸引着众多研究机构和公司进行研究探索。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章异构网络控制系统同构的设计方案 网络化控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 是指传感器、控制器和 执行器等部件通过数据网络构成闭环回路的反馈控制系统罔，是一种系统部件高 度分散、采用异步运行模式，通过有线或无线连接进行通信的分布式实时控制 系统。异构网络化控制系统则是指网络体系结构或网络协议不同的网络化控制 系统。对于控制系统的异构网络，包含不同结构和协议的d c s ，f c s ，p l c 和智能仪表。 3 1 异构网络同构化思想 在设计异构网络化控制系统时需要考虑多方面的因素。例如大量传感器、 启动器、驱动器、i o 部件、变送器、变换器、阀门等设备接口开发及转换；各 类组态、监控、h 以及s c a d a 系统等软件的兼容性及扩展性；异构数据库 管理系统之间互访、管理及实时数据动态交换：异构现场总线互联的工程要求、 设计规范、设计标准及应用协议的统一规划：异构控制系统实时性、可靠性、 稳定性协调以及网络安全性、扩展性和数据的有效隔离等问题。 异构网络化控制系统的同构要包括网络级与接口级两个方面的同构。目前 基于工业以太网的t c p i p 体系架构已逐渐为众多的工业控制器厂商接受，工业 以太网本身的开放性及其在大多数应用领域中能够满足高传输速率、高可靠性、 抗干扰、实时确定传输、可扩展和维护、标准化和互操作等要求，并且允许在 同一网络上运行不同的应用层协议，能够通过i n t e m e t 实现工业生产过程的远程 监控，使企业自动化系统能够在更大范围内实现跨部门、跨地域的集成，因此 成为网络级同构的最佳选择。在接口级的同构问题中有多种方式可供选择，如 动态数据交换( d d e ) 方式、开放数据库连接( o d b c ) 方式、0 p c ( 0 l ef o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 方式等。采用哪种方式要根据具体情况而定。 网络级同构的思想主要就是解决网络体系结构和网络通信协议这两方面的 异构性，其实现方法就是采用t c p i p 协议。对于e t h e r n e t 与t o k e nr i n g 这样低 层网络技术异构的网络，t c p f l p 协议抽象和屏蔽了网络硬件细节，向上提供统 一的、协作的、通用的通信系统。对于n o v e l l 网或w i n d o w sn t 这样高层协议 9 武汉理工大学硕士学位论文 异构的网络，t c p i p 已经成为既成事实的工业标准。这些网络操作系统固有的 网络通信协议虽然各不相同，有i p x s p x 、n e t b e u i 等，但当今各主流操作系 统都在其新的版本里加入了对t c p i p 协议的支持。所以，如果基于不同系统的 通信程序都使用t c p i p 协议，利用t c p i p 屏蔽其网络上的异构细节，从而提 供一个统一的通信系统。 两络级同构实现之后，就拥有了一个统一的t c p 月口网络系统。位于不同平 台的应用程序相互通信时必须使用t c p i p ，其中间接口层就是套接字s o c k e t ， 不同系统的s o c k e t 层是存在差异的。 应用程序接口级同构的思想就是要解决这种差异，要实现程序接口的一致。 s o c k e t 是一个编程界面，一个系统调用接口。虽然各种s o c k e t 规范存在不同程 度的差异，但它们都支持b e r k e l e ys o c k e t 。所以，程序接口级同构思想的核心就 在于应用程序不管建立在何种操作系统之上，不管使用哪一种s o c k e t 接口，只 要调用b e r k e l e ys o c k e t 的功能，那么就可以认为这些应用程序都建立在统一的 s o c k e t 接口层之上，可以保证网络进程通信的正确进行。 工业控制系统逐渐向着多元化、网络化发展，一个大型系统往往包含了许 多控制系统，并且网络结构与通讯协议各不相同。通过以太网方式和o p c 技术， 分别在网络级和应用程序接口级这两个层次上实现了异构网络化控制系统的同 构，这就提供了解决异构网络间通信问题的一条途径。 3 2 基于工业以太网的网络级同构 以太网控制系统是随着控制、计算机、通信、网络技术的发展而发展起来 的，以太网以其成熟的技术、开放和统一的标准、广泛的应用和高传输速率等 优势，弥补了现场总线的缺陷，满足了工业网络在开放性、互联性、带宽方面 提出的高要求；从信息集成的角度出发，达到了“同构化”的最佳状态，为工业控 制网络的发展带来了又一次变革。其基本思想是将以太网由信息网络延伸到控 制现场，为异构网络的同构化提供了统一的网络平台。其结构如图3 1 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 以太孵 现场屡 掇柞员站c 捌师站警理屡 图3 1以太网系统体系结构图 以太网在其发展的2 0 年中得到了极为广泛的应用，己经成为一种主流技术。 目前在构筑信息高速公路、企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用高速 以太网。与d c s 或者f c s 比较以太网有如下一些优势【9 j ： ( 1 ) 开放性好 基于t c p i p 协议的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容 易互联。这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的 问题。 ( 2 ) 数据传输率高 以太网支持的数据传输速率包括i o m b p s ，1 0 0 m b p s 和1 g b p s ，比目前任 何一种现场总线都快。在相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负 荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着确定性的提高。 ( 3 ) 远程技术的应用 w e b 技术和以太网技术的结合，将实现生产过程的远程监控，远程设备管 理、远程软件维护和远程设备诊断。 ( 4 ) 容易与信息网络集成，有利于资源共享 由于具有相同的通信协议，以太网能实现办公自动化网络和工业控制网络 的无缝连接。 ( 5 ) 支持多种的物理介质和拓扑结构 以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用 户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。以太网支持总线型和星型拓扑 结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式，提高网络的性能。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 成本和费用低廉 由于以太网的应用最为广泛，受到了硬件开发商和生产厂商的高度重视与 广泛的支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择；与目前众多的现场总线相 比，价格也低廉得多。 以上这些优势使得以太网非常适合用于构建同构化网络系统。异构网络中 的p l c ，d c s ，f c s 等不同协议或标准的系统通过以太网通讯处理器实现在网 络结构上的同构。 网络级同构主要是解决网络体系结构和网络通信协议这两方面的异构性， 由于以太网的开放性以及对信息网络良好的集成性，使得基于t c p l p 协议的以 太网成为网络级同构的主要方法，其结构图如图3 2 所示。 撩作员站= 亡稷筛站管理屡 f 岱 图3 2 网络级同构图 系统结构说明： ( 1 ) 所有d c s 系统、f c s 系统、p l c 、智能仪表、管理层都统一到以t c p i p 协议为基础的以太网平台上，实现了对异构网络在网络级的同构。 ( 2 ) d c s 和f c s 上的计算机操作站通过网卡接入以太网交换机，实现d c s ， f c s 的集成。 ( 3 ) 对于分散在现场的p l c 设备和智能仪表通过以太网模块直接连入以太 网控制层，实现对p l c 和智能仪表的集成。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 各种控制系统通过通讯模块实现不同协议向t c p i p 协议的转换。在 整个网络级同构过程中起到了关键作用。 ( 5 ) 分布在现场的交换机连入中心交换机。 ( 6 ) 操作员站与工程师站通过以太网直接归入管理层网络体系，实现管理 层计算机对生产现场的直接监控。 3 3 基于o p c 技术的接口级同构 网络级同构实现之后，就拥有了一个统一的t c p i p 网络系统，但也并没有 完全解决问题，因为各产品与设备之间在网络应用层的协议存在巨大差异，因 此必须通过软件的形式进行接口级的同构。这样，同构最终转变为应用程序( 进 程) 之间的通讯，而应用程序之间的通讯是建立在m i c r o s o f t 组件技术的基础之 上的。 目前在控制系统中，应用程序之间的数据通讯方法较多，主要有d d e 方式、 o d b c 方式以及o p c 方式等，各种方式都有各自的特点以及适用的场合，必须 根据具体的情况选择不同的方式【1 0 l 。o p c 技术是一种通讯快捷，安插容易的通 讯方式，是实现异构网络集成的较好方法。 3 3 io p c 技术 o p c 是用于过程控制的对象链接嵌入( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，o l e ) 技术。它是世界上多个自动化大公司、软硬件供应商和微软联合开发的一套工 业标准是专为在现场设备、自动控制应用、企业管理应用软件之间实现信息 无缝集成而设计的接口规范。o p c 以o l e c o m d c o m 机制作为应用程序级的 通信标准，采用客户服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或 第三方厂家，以o p c 服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾， 完成了系统的集成，提高了系统的开放性和互操作性。为分布式计算机集成环 境，如不同的总线协议、不同厂商产品的系统集成提供了公开方便的途径i l l 】。 o p c 是基于c o m d c o m 的一项技术规范，从而它沿袭了c l i e n t s e r v e r 的 数据访问模式，将数据采集端视为o p cs e r v e r ，其它所有的访问端视为o p c c l i e n t 。o p cs e r v e r 封装了针对具体硬件设备的数据通信逻辑，提供标准的o p c 接口供客户访问，从而实现了软硬件的隔离f 1 2 1 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 o p c 的核心是实时数据访问( o p cd a t aa c c e s s ) 接口规范，它面向实时数 据处理。对于高敏感度的实时数据，o p c 将其从普通实时数据中分离，提出报 警事件的概念，制定了专门的o p c 报警事件( o p ca l a r ma n de v e n t s ) 接口规 范；对于面向趋势显示、历史分析、报表的数据，o p c 制定了历史数据访问( o p c h i s t o r i c a ld a t a a c c e s s ) 接口规范。其他的o p c 规范还包括o p c 安全处理( o p c s e c u r i t y ) 接1 ：3 规范，o p c 批处理( o p cb a t c h ) 接1 2 规范，以及最近制定的x m l 数据访问( x m l d a ) 规范，o p c 数据交换( o p c d x ) 规范等【l ”。在过程控制 系统的架构中，整个系统以o p c d a 服务器为中心，o p ca e 服务器从o p c d a 服务器上得到实时数据，并根据客户的设置进行逻辑分析，产生相应的事件和 报警信息发送到客户端：o p c h d a 服务器将从o p c d a 服务器上获得的数据根 据客户要求进行保存，便于客户端进行查询和分析数据的变化情况；o p c d x 服 务器将多个o p c d a 服务器的数据组织起来，根据需要进行各个o p c d a 服务器 之间的数据交换；x m l d a 服务器将o p c d a 服务器上的数据转换成x m l 文本， 并发布到互联网上，实现数据更大范围内的共享：o p cs e c u r i t y 服务器则对整个 数据层的数据加上了一层安全保护。o p c 规范的发展动态如表3 1 所示【1 4 1 。 表3 - 1o p c 规范发展动态表 标准版本内容 d a t a a c c e $ $ 1 o ，2 0 ，3 o数据访问规范 a l a r m sa n de v c n t s 1 o o ， 1 1 0报警和事件规范 h i s t o d c a ld a t aa c g e s s1 o ，1 2 0历史数据存取规范 b a l e hl o ，2 o批量过程规范 s e c u r i t y 1 o安全性规范 c o m p l i a n c e 1 0数据访问标准的测试工具 0 p c d a t e x m l1 0 0 ，0 1 8过程数据的x m l 规范 o p cd a t ee x c h a n g e1 o数据交换规范 o p cc o m m a n d s正在开发命令规范 o p cc o m m o ni ，o 正在开发公共i o 规范 o p c c o m p l e xd a t a正在开发 复杂数据规范 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2o p c 结构模式 在目前的大多数分布式系统常用的客户服务器结构中，没有设备接口的通 用标准，各个厂家都是按照自己的标准接口来开发服务器和应用程序。尽管各 个厂家都尽量的使自己的系统具有开放的特点，但从系统集成角度来看，不免 有各自的局限性。而o p c 定义了一种在多数据源和多客户之间通信和交换数据 的工业标准，如果硬件和软件开发商都按照这个标准来开发产品，则工业控制 系统应用软件就可以做成“插件式”的，在系统集成中可以实现即插即用和无缝连 接，图3 3 和图3 - 4 比较了传统的客户端服务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 模式与采 用o p c 标准设计的模式【i ”。 图3 - 3 传统的客户朋艮务器模式图 1 # 应用程序 2 # 应用程序 l # o p cc l i e n t2 撑o p cc l i e n t ii 1 iii 7 il # 。p c s e r v 盯2 # o p cs e r v e r3 缎) p cs e r v e r 图3 - 4 采用o p c 标准的模式 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 传统的控制系统中，数据访问如图3 3 所示，设备之间及设备与控制系统之 间的信息共享是通过驱动程序实现的。图3 3 所示的系统中有2 个应用和3 个设 备。假如1 群应用程序需要从3 个设备中取得数据，那么就需开发出3 个相应的 驱动。同样，2 # 程序也需要开发出3 个相应的驱动。这样一个小系统就需要开 发6 种驱动。由于系统中共存各种各样的驱动，使的维护运转环境的稳定性和 信赖性相对较差。 ， 现在通过如图3 _ 4 所示的o p c “软总线”技术，解决了上述的问题。应用程序 提供了一种通用的方法来访问诸如设备或数据库等任何数据源。应用程序只需 要知道怎样从o p c 数据源中读取数据，因而它们使用较简单容易；而设备驱动 器( 服务器) 只需要知道怎样以单一的模式( o p c 服务器) 提供数据。 3 3 3o p c 软件体系 传统的数据采集方式必须需要知道设备的驱动程序，也就是针对设备的数 据报文格式，如前所述，软件开发商必须知道各品牌设备的通讯协议才能实现 通讯，而各大公司往往为了保护各自的产品，一般是不公开的这些设备的协议。 要实现数据采集，需要购买硬件制造商针对于硬件的驱动程序或软件。 o p c 技术作为一种新的接口标准，并不能独立于传统的设备驱动协议而存 在，从本质上来看，它是驱动程序与o p c 接口的集合，也就是说，负责采集数 据的还是设备驱动程序，只是在数据采集工作完成之后，将数据的协议转换成 o p c 协议的统一方式，这种转变需要通过软件来实现，这样的软件就是o p c 服 务器软件。如图3 5 可以看出它们之间的关系。 io p c 客户机 i ：王 ，： i转化为o p c 接口 i控制设备驱动程序 ：王 一 i现场控制设备 i 图3 - 5o p c 服务器 1 6 o p c 服务器 武汉理工大学硕士学位论文 从图3 5 可以看出，o p c 也是软件之间的数据通讯标准，包括服务器与客 户机，而并不负责与硬件打交道。因此，o p c 的通讯就要求硬件制造商提供对 应于其硬件的o p c 服务器软件，这样，软件开发商只要其软件支持o p c 接口就