（电力电子与电力传动专业论文）工业控制系统数据到开放平台的移植.pdf

论文第五章论述了 整个科研项目 的 框架结构和具体应用的实现， 包括数据库 的移植， ne t 平台的搭建，,b / s 跨平台的数据访问方式、 几个典型应用的实现以 及 对技术革新的一些尝试。 论文第六章讨论工业控制系统与企业 e r p系统的系统集成以 及整合后带来 的成效和新技术的应用性前景。 论文第七章是对项目 和课题的研究总结， 本着理论结合实践的态度， 对前沿 的工业控制系统和现代rr技术的整合做出了比 较客观的预见。 论文第八章是整个研究过程的结论性观点。 关键字: d c s , f c s ， 工业以 太网，数据移植，.n e t技术，b / s 构架， a d o ne t ,跨平台，j a v a, x ml ab s t r a c t d a t a m ig r a t io n is a v e ry p o p u la r t o p ic in t h e r e a c h in g f ie ld s o f in d u s t r ia l c o n t r o l n o w , f o r it m a y r e d u c e t h e n u m b e r o f in f o r m a t io n is la n d s a n d i m p r o v e t h e a u t o ma t io n le v e l a t t h e s a me t i me . wit h t h e r a p id p r o g r e s s o f t h e e n t e r p r is e i n f o r m a t io n s y s t e m , t h e r e q u i r e m e n t s f r o m a b o v e m o d e m m a n a g e m e n t s y s t e m , s u c h lik e e r r c r m a n d s u p p ly c h a i n , f o c u s m o r e a n d m o r e o n r e a l t im e in f o r m a t io n f r o m t h e f ie ld a n d r e s o u r ces . t h e m o d e r n in d u s t r ia l c o n t r o l s y s t e m is n o t o n 扮 f o r s u c c e s s f u l a n d s e c u r e p ro ces s b u t a ls o f o r e f f e c t iv e d a t a a c q u is it io n w h ic h c a n s u p p o rt t h e d e e p e r s y s t e m a n a ly s is . c o n v e n t io n a l b u s i n e s s h a s b e e n t o t a lly a lt e r e d w it h t h e c h a n g in g o f m o d e r n c o n t r o l a n d it t e c h n o lo g y r e cen t ly , m a r k e t o r ie n t e d o r d e m a n d o r ie n t e d a r c h it e c t u r e le a d s in d u s t r ia l c o n t r o l s y s t e m t o m o r e e ff e c t iv e a n d r e g u la r . t h e n e w c o n cep t , s y s t e m in t e g r a t io n , n o w o f t e n r e f e r s t o t h e in f o r m a t io n a n d a u t o m a t io n r e v o l u t io n w h ic h is u n d e r g o i n g i n t h e s t a t e o w n e d e n t e r p r is e . s o i j u s t d is c u s s o n e p ro b le m o f s y s t e m in t e g r a t io n - d a t a m ig r a t io n 加m in d u s t r ia l c o n t r o l s y s t e m t o o p e n p la t fo r m m a in 扮in m y p a p e r . t h e id e a o f t h is p a p e r is f r o m t h e p ro j e c t o f h u a n e n g n a n t o n g p o w e r p la n t , w h ic h i n c l u d e t h e c o n t r o l s y s t e m n e t w o r k im p r o v e m e n t f o r t h e f u e l d o c k a n d m i s c o n s t r u c t io n . t h e p r o b le m o f d a t a m 匆 r a t io n m a y b e t h e m o s t d if f ic u lt o b s t a c le w h ic h i h a v e m e t la s t y e a r , s o i w a n t t o c o lle c t w h a t i h a v e le a rne d f r o m t h e s e a n d s u m m a r iz e t h e m t o s e v e r a l c h a p t e r s , w h ic h m a y b e d o s o m e h e lp t o o t h e r s . t h e c h a p t e r o n e f o c u s e s o n t h e a n d p r o j e c t b a c k g r o u n d t h e c h a p t e r t w o f o c u s e s o n t h e p r o b le m s o f t h e c o n v e n t io n a l d c s o r f c s , a n d b r in g o u t s o m e k e y s t o s o lv e t h e p r o b le m s . t h e c h a p t e r t h r e e f o c u s o n t h e o p p o rt u n 勺w h ic h t h e n e w t e c h n o lo g y h a s b r o u g h t u s , t h e n p r o v id e s o m e s o l u t io n s a f t e r a n a ly z e t h e p r e d o m in a n c e o f b / s a r c h it e c t u r e a n d c o m p a r i n g d if fe r e n t s y s t e m p la t f o r m s , a t la s t r a is e t h e p o i n t o f r e a l t i m e d a t a b a s e . t h e c h a p t e r f o u r f o c u s e s o n t h e p o s s ib ilit y o f d a t a m ig r a t io n , a n d p r o v id e s o m e r e f e r e n ce a b o u t t h e d a t a s t o r e , v is it , n e t w o r k in g a n d s e c u r ity . t h e c h a p t e r f iv e f o c u s e d o n t h e a p p lic a t io n o f t h e w h o le r e s e a r c h in g f r a m e w o r k , in c l u d in g . n e t a r c h it e c t u r e b u ild in g ， 日 i s d a t a a c q u is it io n , s e v e r a l a p p l ic a t io n e x a m p le s a n d s o m e a d v a n ced t r ia ls t h e c h a p t e r s ix f o c u s e s o n t h e i n t e g r a t io n o f in d u s t r ia l c o n t r o l s y s t e m a n d e r 只w h a t is m o r e it d e s c r ib e t h e f u t u r e o f m o d e m m a n u f a c t u r in g . t h e c h a p t e r s e v e n is t h e s u m m a r y o f t h e r e s e a r c h in g p ro j e c t , a ls o d o s o m e o b j e c t iv e p r e d ic t io n t o t h e in t e g r a t io n f ie ld s . t h e c h a p t e r e ig h t is t h e c o n c lu s io n o f t h e p a p e r , p r o v id in g t h e lis t o f r e s u lt s a n d d e f ic ie n c y . k e y w o r d s : d c s , f c s , i n d u s t r ia l e t h e r n e t , d a t a m ig r a t io n , . n e t , a d o . n e 不b / s f r a m e w o r k , c r o s s - p la t f o r m, j a v a , x m l mi gr a t i n g y ou r i n d u s t r ai l c on t r ol d i r e c t e d b y : i n t o t h e op e n e n v i r on me n t g r a d u a 怕s t u d e n t : t o n g wa n g p rof e s s o r we ! gu a n d j i a n x i n ch u 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或其他机构己 经发表或 撰写过的研究成果。 其他同 志对本研究的启发所做的贡献均已 在论文中作了 明确的声明并表示了谢意。 作者签名:日 期 : 少0 , :z 论文使用授权声明 本人同意上海海运学院有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有权 保留送交论文复印件， 允许论文被查阅和借阅; 学校可以上网公布论文的全 部或部分内容， 可以 采用影印、 缩印 或者其它复制手段保存论文。 保密的论 文在解密后遵守此规定。 作者签名导师签名: 俩书 。 期 矛 -9 1 : 卜 海海运学院硕_ 卜 论文工业控制系统数据到开放平合的移植 第一章引言 1 . 1工业控制系统数据移植的重要性 工业控制系统数据到开放平台的移植， 来源于对工业企业自 动化和信息化集成方 案的技术发展， 来源于工业企业随着生产规模不断扩大，自 动化程度和信息化程度不 断提高所产生的迫切需求。 自 动控制技术从上个世纪中叶已经蓬勃的发展起来， 随着控制理论的不断成熟和 完善， 将先进的自 动控制技术应用到实际生产中成为了科技革命引发的一轮浪潮， 这 一浪潮一直延续到今天仍然丝毫没有消减， 工业企业现场控制领域的技术革新层出不 穷， 更优越的传感设备和控制器， 更科学的控制通讯网络以及更强大可靠的工业控制 计算机，推动着现代工业企业生产效率和生产安全性的不断提高。 随着新经济时代的到来， 传统企业的运营模式正在被打破， 按计划生产的时代已 经过去， 市场需求业已 成为现代企业生存发展的风向 标。 近些年来， 在市场竞争日 趋 激烈的压力面前， 无论是外资企业还是国有企业都兴起了一股信息化建设的热潮， 大 家都试图通过信息化建设提高企业的综合竞争力， 希望能在市场中占得先机， 信息技 术也常常被人们奉为神灵， 错误的“ 拿来就可以出效益”的思潮让一些人和一些企业 一度跌得很难看。 于是很多人又转而走向另一个极端， 对信息技术每每抱着怀疑和抵 制的态度，导致许多企业信息化进程严重受阻，停滞不前。 有人说过这样的话， “ 企业信息系统本身是不产出 效益的，其所带来的巨大成效 1 0 0 9 6 应取决于使用它的人。 ” 很多企业误认为，信息系统不过就是一些服务器，网络 设备， 个人电脑以及诸多系统或应用软件的组合。 严重忽视了人的主观作用，以至于 很多企业花费了巨大的投资，获得的却只是一个松散零乱的系统，部门与部门之间， 产供销各环节之间，生产与管理之间，企业与市场之间仍然相隔着难以逾越的鸿沟。 随着网络经济和知识经济的发展， 在制造业的三大要素 一一物质、 能源和信息中， 信息所占的比重越来越大。 信息化孤岛问 题愈发显得突出， 面对着传统企业信息化整 合的迫切愿望和实际实施过程中的严峻状况， 现实要求人们积极的来解决这些问题， 整合松散的应用， 让企业的信息系统更加有效通畅的运行， 为企业生产和管理提供科 卜 海海运学院硕 卜 论文 工业控制系统数据到开放平台的移植 学高效的平台，使企业在市场竞争中立于不败。 本文的重点旨 在讨论工业自 动控制系统( d c s ) 和企业管理系统( e r p ) 的信息整合， 主要关注工业生产现场监控数据移植的问题， 目的希望要填补工业企业从现场传感器 到企业e r p 上层管理信息系统的 数据沟壑。 这种填补作用的 最大收获在于将生产一线 的 数据和应用可以 透明的传输到管理和决策层， 为 企业生产的科学顺利的运行提供更 可靠的依据和保障。 论文将主要涉及工业控制网络和信息系统网络两个领域， 贯穿生 产数据的整个流向，涵盖到了数据移植问 题中的采集， 现场传输， 监控处理，导出， 存储，再处理，网络传输，缓冲，显示等等环节。 1 . 2课题的科研项目 背景和目 标任务 论文的背景来源于上海海运学院和华能南通电厂合作科研项目 企业信息管 理系统和工业控制系统的整合。 科研项目中本人负责的部分主要包括对华能南通电厂 姚港煤码头的输煤控制系统的网络化改造， 实时航道区图的模拟显示， 输配电系统模 拟状态显示和基于，n e t平台的企业信息和控制系统的集成。图 1 - 1 是姚港煤码头输 煤工艺系统图。 除铁粉 2 t 装般心 l 1 4装船机 电 动翻 板诵卸 船 饥z ;即 船 饥 续牛 鑫 笃聋 卸瓣 头 ， 、走 大块分离易 _ 二1 。 一 甲 己 卜侧坦 姚港煤码头输煤工艺系统图 图中所示的姚港煤码头是华能南通电厂重要的煤炭储运环节， 万吨级海轮装运的 卜 海海运学院硕 : 论文 工业控制系统数据到开放平台的移植 燃煤都需经过它转运至电厂， 它的正常生产与否直接关系到电厂能否正常发电。 因此 系统的安全性，可靠性是第一位的。姚港煤码头输煤工艺流程主要实现以 下功能: 1 煤炭装卸:利用五台卸船机将大型船舶上装载的煤料卸至皮带机上，经皮带机的 输送，由两台装船机装载至驳船上运往电厂。 2 .煤炭储存:经由卸船机、皮带机将煤料输送至斗轮堆取料机，将其储存在南北两 个堆场上。 3 煤炭驳运:由斗轮堆取料机将堆场的库存煤料取出输送至两台装船机，卸煤到驳 船上驳运至电厂。 4 .为相邻南通市燃料公司，代卸煤料:由 卸船机、皮带机将煤料输送至燃料公司。 在这个项目 启动之前，由我的导师带领的海运学院科研团队， 在之前的项目中已 经实现对了上述输煤流程的控制以及其它设备的控制， 设计完成了以开放式集散控制 原则为基础的输煤控制系统，见图1 - 2 e 此输煤控制系统主要实现三个层次的监控: . 过程控制级 3 # 远程站 现场设备 图 1 - 2 现场设备现场设备 姚港输煤控制系统组成结构图 卜 海海运学院t y i 卜 论文 下业控制系统数据到开放平台的移校 采用一主站三从站的方式，以p l c程控器通过r i o n e t( 远程输入/ 输出) 主从式 网络，把三个远程站 ( 从站) 与本地站 ( 主站) 联接起来，构成对现场设备的基本控 制。主站负责整个输煤系统的控制及各分站的调度、通信等，也处理适当的u o系统 ( s 台卸船机、 d s 6 皮带机、 f b i 电 动翻板等) ; 各分站负责既定区域内 设备的 控制( 斗 轮堆取料机、 装船机、各带式输送机、喷淋相关设备等) a . 控制管理级 即以监控计算机和mb + ( mo d b u s p l u s ) n e t 工控网络构成， 与p l c程控器相连， 实现对流程设备的上位机监控。 上位系统由监控微机组成， 在f i x工控组态软件支持 下，通过应用程序完成与 p l c的 通信，以图形方式动态显示生产流程和设备状态等 信息， 并可以 通过操作界面， 实施对过程控制级的 控制。 现场数据经应用程序处理后， 汇总成报表格式，可供工作人员查阅。 . 生产管理级 即以实时数据服务器、管理计算机及其i n t r a n e t 局域网与监控计算机相连接， 随 时读取现场信息， 实现公司的一线生产数据对生产管理层开放。 在这一级上， 从安全 性考虑，管理计算机不能直接千预输煤系统的控制。 本课题的目 标任务就是扩充和完善上述生产管理一级的需求，将生产现场数据从 输煤监控系统中移植出来，并依据采集到的数据将监控应用在企业i n t r a n e t 上通过浏 览器再现， 同时 采用b / s 构架强化数据在生 产管理级的 应用， 通过华能南通电 厂的远 程专线网络将煤码头的生产实时状况传递到天生港总厂，部分的实现了远程监控。 课题的另一个任务是设计变配电系统的模拟显示。 模拟显示面板主要是将姚港煤 码头中央控制室的电 气控制面板的状态发布到i n t r a n e t 上，便于厂内电 气维护人员随 时通过网络查看， 同时也可以提供给本地供电 系统的人员远程查看监控操作过程。 模 拟面板采用在线权限修订和后台操作保存模式，方便可靠易于使用。 课题中的实时 航道区图部分通过对中央调度数据的采集， 在网络上模拟显示燃料 运输过程中港口 和航道上船舶航行的状况。 该应用完全基于b / s 构架， 可以 无缝的连 接到企业信息管理系统， 课题最终的目 标是希望通过基于b / s 的网络应用， 整合华能南通电厂姚港煤码头 的工业控制和信息管理系统，并通过专线网络与总厂信息达到共享。 最终现场豹抿的 几 海海运学院硕土论文 工业控制系统数据到开放平台的移植 移植通过 f i x工控组态软件的o d b c导出方式，将现场采集数据分类导入生产实时 数据库服务器。 生产实时数据库系统采用的是o r a c l e 9 i 加外挂采集和缓冲程序的方式， 企业信息系统的数据库采用o r a c l e 9 i ， 服务器端应用技术采用最新c k n e t 编写的a s p 应用，实现跨平台的客户端访问。 最终在老师和同学们的共同努力下， 项目 组采用mi c ro s o ft的最新.n e i ， 平台技术， 顺利地完成了绝大部分工业生产数据的网络移植和再现， 在对传统工业系统的改造方 法上取得了技术上的一些创新和突破。 i 海海运学院硕 卜 论文 工业拎制系统数据到开放平台的移植 第二章传统工业控制系统的技术发展与存在问题 2 . 1集散控制系统 d c s 早期的计算机控制系统，一般采用集中控制即一台计算机控制几十个控制回路， 目 的是充分发挥计算机强大的运算和控制功能， 降低每个回路的控制成本。 但这样做 会导致由于计算机故障产生的所有控制回路失控的情况因此限制了计算机在工业控 制领域的应用。 7 0 年代中期出现的集散控制系统d c s 使得计算机控制在现场过程控制的应用迅 速发展起来.集散控制系统采用在生产现场用若干台微处理机如 p l c等来控制具有 几个或几十个回路的整个生产过程， 从而解决了集中式计算机控制系统令人担心的可 靠性问题以及常规仪表控制功能单一的局限性。 在分散控制的基础上， 把大量的信息 通过数据通信电缆送到操作站。 操作站将送来的信息进行加工和处理，同时与上一级 监控计算机建立通信， 从而可以对生产过程实行集中控制、 监视和管理，有效地克服 了常规模拟仪表过于分散的缺陷。 可以用它进行直接数字控制、 顺序控制、 数据采集 与处理、 管理与决策等。 这种以 满足现代化企业生产、 相互关系日 益复杂的控制对象 的要求为前提，以微处理机为核心，从过程综合自 动化的角度出发， 集中处理信息、 集中管理， 而控制权分散的系统就是集中分散型综合控制与管理系统， 简称集散型系 统。 7 0 年代中期是d c s 的开创期， 称为单元仪表 控制系统， 比 较著名的有h o n e y w e l l 公 司 的t d c 2 0 0 0 , f o x b o ro公司 的s p e c t r u m等， 贝 利 公司 的 网 络9 0 ， 英国 肯 特公 司 的p 4 0 0 0 , 德国 西门 子公司的t e l e p e r m m，日 本东 芝公 司的t o s d i c ，日 立公司 的 u u i t r o l b e以及横河公司的c e n t u m. 8 0 年代中后期， 随着微处理器运算能力的增强， 大规模集成电路集成度的提高和 成本不断降 低， 推动以 微处理器为基础的过程控制设备和d c s , p l c , p l d等同步发 展。这一代产品的共同特点是: . 实现开放式系统通信，向上通过ma p ( ma c h i n e a u t o m a t i o n p r o t o c o l ) 和e t h e rn e t ( 以太网) 接口，与其它网相连，向下支持现场总线 ( f i e l d b u s ) ，实现过程控制 几 海海运学院硕士论文工业控制系统数据到开放平台的移植 或车间的智能变送器，执行器和本地控制器之间可靠的数字数据通信。 . 控制站使用3 2 位微处理器， 使i / o速度更快， 控制功能更强， 可以方便地使用先 进控制算法; 采用专用集成电 路和表面安装技术，使底板上的元件数更少，体积 更小，可靠性更高。 . 操作站采用3 2 位高档微计算机， 增强图形显示功能， 采用多窗口 技术和触摸屏调 出界面，使其操作简单，操作响应速度加快。 . 过程控制组态采用c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i gn) 方法， 使其更直观方便， 引 入 专家系统，实现自 整定功能。 . 与主计算机相连，使其实时控制信息成为企业整个信息管理系统中的一部分。 这一阶段的 产品主要有: t d c 3 0 0 0 / p m ( h o n e y w e l l ) , c e n t u m - x l ( y o k o g a w a ) , i / a s e r i e s ( f o x b o r o ) ， m o d 3 0 0( t a y l o r i n s t r u m e n t s ) ，i n f i - 9 0 ( b a l l e y c o n t r o l ) 等。 9 0年代由于u p( 微处理器) 和 v l s i ( 超大规模集成电路) 技术的发展，r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ) 工作 站的 开发 将使 操作站的g u i ( g r a p h i c s i n t e r f a c e ) 技术日 趋 完美， 操作方便。 a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i fi c i n t e g r a t e d c ir c u i t ) 和s m t ( s t a n d a r d s , m e a s u r e m e n t s a n d t e s t in g )在 硬 件设 计 上的 使 用， 使 板 级 上 元 件数量更少， 硬件的可靠性大大提高。 智能半导体渗入到现场一级， 推动数字传感器， 光纤传感器和智能执行器的发展。 计算机容错技术和人机接口技术及窗口技术， 交互 图形技术机出现， 标准化的数据通信链路和通信网 络技术的发展， 人工智能和知识工 程方 法的出 现， m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m) 系 统的 发 展， 无一 不 都 深刻影 响着d c s 的发展。总之，9 0 年代集散型控制系统进入一个新的阶段，生产过程控制 系统与信息管理系统紧密结合的的新一代d c s 目前的d c s 系统大多采用3 层或4 层结构的计算机控制系统。 图2 - 1 为典型的d c s 结构图。采用多种硬件和软件设计，层次化构造己成为d c s的体系特点，使之体现 集中操作管理， 分散控制的思想， 实现了 控制， 调度与生产管理一体化与自 动化。 d c s 系统的工程化特点是: 卜 海海运学院1 iio卜 论文 丁业控制系统数据到开放平台的移植 硬件单元化，用搭积木的方式构成硬件系统，系统结构灵活，易于扩展。 软件模块化，采用组态方式生成各种控制系统。 系统可靠性高。 降低了成本，提高了性能/ 价格比。 中央计算机 中间层计算机中间层计算机 中间层计算机 徽 型 机)( 徽型 机 徽型机徽型机 徽型机 )( 徽型机 现场设备单元 现场设备单元 现场设备单元 图 2 - 1典型d c s 系统 2 . 2现场总线f c s 现场总线控制系统 ( f i e l d b u s c o n t ro l s y s t e m ， 简称f c s ) 是在集散 控制系统的 基 础上建立和发展起来的。从结构组成上看，f c s继承了 d c s分散控制的特征。f c s 可以 看成是由 遵守现场总线协议的计算机网络和现场的智能化仪表组成的系统. 现场总线是连接现场智能化控制装置和控制， 是自动化系统的一个标准化数字通 信链路， 可以 进行全数字化、 双向、多站总线式信息数字通信， 实现相互操作以 及数 据共享。现场总线出具有集散控制系统的一般特点外，还有以下主要特点: . 总线方式可以集中、实时获取大范围内各个测控点数据和故障信息，便于整 个系统的优化操作和管理，并且可以把控制、报警、趋势分析等功能分在现 场级装置中。分散现场的检测、控制信息与控制室的通信联系完全数字化， 而不是传统的 4 - 2 0 m a模拟信号。 这可以提高数据传输的可靠性和准确性， i 二 海海运学院硕 i s 论文t业控制系统数据到开放平台的移植 提高测量和控制精度。 . 采取开放式结构， 取消了计算机中的i / o模板， 将i / o通过现场总线延伸到机 外。任何 i/ o点，包括传感器、执行器、调节器甚至显示器等，只要符合现 场总线标准都可以 挂在现场总线上。现场仪表智能化，可以独立完成就地测 量和控制功能。 控制室内的仪表装置主要完成数据处理及监督、 优化、 协调、 管理等功能。 . 现场总线都能实现节点到节点通信，无须系统计算机调度与中转。每个节点 上都可以进行数据采集和输出、p i d运算等处理。这样降低了现场仪表对系 统计算机的依赖性，一旦系统计算机发生故障，现场总线上的模块仍能按组 态要求正常工作，增加了整个系统的可靠性。 . 现场总线系统网络结构简单，且通信线缆比集散系统少，布线简单，节省材 料和费用，减少了 维护工作量。为适应危险环境，现场总线有本质安全防爆 措施。现场总线按统一标准设计和工作，各个厂家的产品可以交户操作，用 户使用方便。 2 .3姚港煤码头控制系统的结构 华能南通电厂姚港输煤控制系统是集散型控制的一种具体实现， 根据华能姚港煤 码头输煤控制系统设备配置的控制要求，该控制系统在过程控制级上主一 从控制结构， 即一个主控制站 ( 本地站) 控制若千个控制分站， 各控制分站定时或随机向主控制站 传送信息，主控制站负责全局的综合控制、管理等工作。 华能姚港输煤控制系统在过程控制级上， 其结构图见图2 - 2 所示。图中:主控制 站、1 # , 2 # , 3 # 分站分别对应实际应用中的本地站、1 # , 2 # , 3 # 远程站，它们分别可 通过各自的i / o通道与不同的现场设备相连，诸如卸船机、装船机、带式输送机、斗 轮 堆 取 料 机 等 ; 而主 控 制 站 又 与1 # , 2 # , 3 # 分 站 相 连 ， 进 行 数 据 通 讯 . 设r ( t ) 为 中 央 控 制 站 对 于 人 机 界 面 或 监 控 计 算 机 的 参 考 输 入 ; x (t ) 为 现 场设 备 的 状 态 信 息; u ( t ) 为 控 制 器 的 输出( 即 作 用 于 执 行 器 的 控 制 量) ， 且r ( t ) , x ( t ) , u ( t ) 均 为 向 量 函 数 。 卜 海海运学院硕 卜 论文t业控制系统数据到开放平台的移植 主控制站 图2 一 输煤控制系统结构图 图2 - 3 中的主控制站本质上是一个工业控制计算机或带有c p u的p l c主机，运 行系统的控制律 ( 控制模型) 。因此，主控制站可转化为图2 - 3 所示的形式: 图 2 一 主控制站控制模型图 输煤控制系统基本控制模型， 把输煤控制系统看作一个整体， 它实质是一个特殊 的多输入多输出的多变量控制系统。 我们把对现场设备的具体控制从系统控制中分离 出来后，系统可以用如下形式来描述，其状态方程: -k (t ) = q d (t ) x ( t ) 十 p (t ) u (t ) 十 q ( t ) r ( t ) ( 2 - 1 ) 观测方程: y ( t ) = 0 0 0 ) ( 2 - 2 ) 式中 : d (t ) 为 状 态 函 数 矩 阵 ; t ( t ) 为 输 出 函 数 矩 阵 ; 钟) 为 控 制 函 数 矩 阵 ; o ( t ) 为 状 态 观 测 函 数 矩 阵 ; 对 于 我 们 的 实 际 输 煤 系 统 ， 式 中 的 状 态向 量 x (t ) 二 ( x , ( t ) - a ( t ) 一 ) r 为 传感器直接可测;控制向量u (t ) = ( u , ( t ) u 2 (1 ) . . .) 直接作用于执行器; 卜 海海运学院硕 1 : 论文 t业控制系统数据到开放平台的移植 r ( t ) = ( r , ( t ) r , (t ) . 二为 人 机 界 面 的 参 考 输 入( 参 考向 量) 。 通 常 情 况 下， 输 煤 控 制 系 统 中 众 设 备 状 态 量 对 时 间 的 关 系 为 线 性的 ， 故x ( t ) = c 常 数) 。 令 一 甲 一 ， (t ) - s 2 ( t ) = a ( t ) 一 ,p - 1 w - 0 0 二 b (t ) 一 t - (t ) . -k (t ) = c (t ) 则从式 ( 2 - 1 ) 直接可得输煤系统的控制律: u (t ) = a (t ) r (t ) + b (t ) x (t ) + c (t ) ( 2 - 3 ) 式中 :r ( t ) 为 人 机 界 面 的 参 考 输 入向 量 ， e r ; x ( t ) 为 现 场 设 备 的 状 态向 量 ， e r ; u (t ) 为 控 制向 量， e r ; c ( t ) 为 常向 量 ， s r ; a ( t ) 为 控 制 函 数 矩 阵， 。 r -: b (t ) 为 状 态 函 数 矩 阵 ， 。 r . x r ; 基于以上多输入多输出控制律，姚港煤码头输煤工艺流程主要实现以下功能: . 煤炭装卸:利用四台卸船机将大型船舶上装载的煤料卸至皮带机上，经皮带机的 输送，由两台装船机装载至驳船上运往电厂。 . 煤炭储存:经由 卸船机、皮带机将煤料输送至斗轮堆取料机， 将其储存在南北两 个堆场上。 . 煤炭驳运:由斗轮堆取料机将堆场的库存煤料取出 输送至两台装船机，卸煤到驳 船上驳运至电厂。 f i l l爪 t 0t d s 3 - 一 4m d s 4 尸厘 d s s一区 呸 z c l i v l i 一 一 匕 一 一 、巨巡竺生卜一匾巫画 j ：海海运学院填l ：论文t 业挖制系统数据到开放j 卜台的移植 为相邻南通市燃料公司，代卸煤料：由卸船机、皮带机将煤料输送至燃料公司。 ! 鲨e 盛篙剞燃o s z h 燃o s s h 竺! ：h 竺型i 向通空整! 魍 考虑整个系统的控制逻辑，可以看出，系统数据采集点和控制点是繁多的，但控 制逻辑主要是基于四项八条输煤流程的应用，互相的关联性主要体现在局部设备的控 制逻辑是否与流程运行模式相符，这样的主从关系决定了模型本身是复杂但清晰的， 监控应用移植的可能性相当大。 在充分分析了原有模型的硬件结构和软件逻辑之后，我们基本得到了监控计算机 组态的应用模型，依据经验构建了在华能南通电厂i n t r a n c t 中的移植输煤控制系统应 用的方案。具体实现请参阅第五章。 2 4 系统孤立性和数据访问问题 通过以上的分析，华能南通电厂姚港煤码头的d c s 集散控制系统在控制模型上 是非常成熟和可靠的。目前面临的主要问题是系统的孤立性问题，该项目的前期建设 控制系统是采用相对传统的d c s 集散系统，系统虽然通过m a p 与内部以太网相连接， 但是控制应用和人机界面却很难实施移植，暴露出传统d c s 系统目前最突出的问题， 即只能集中监控，没有分布式的应用，无法实现远程监控，企业上层管理系统也无法 针对一线生产数据实现再分析和利用。原有系统如图2 4 所示，粗虚线描述了工业网 络和企业信息网络之间的数据和应用交换的屏障。在码头日常的工作中，这道信息的 屏障不仅影响到中央控制室和基层生产运行班组沟通的信息一致性，还阻碍了应该提 供的对码头工程技术人员的远程信息支持，屏障的存在还导致企业信息网络不能给生 产管理人员提供直观的一线生产作业情况，从而使码头高效的管理运行没有得到好的 保障。 i ：海海运学院颂i ：论文r 业拄制系统数据到开放平台的移植 图2 - 4 工业控制网络与企业信息网络 具体看来网络系统的结构改造以及工业控制数据的处理方式成为这次改造项目 的核心任务，改造的任务重点在以太网控制层和管理控制层的集成。硬件网络改造方 案经分析，具体实施在工业以太网部分，引入性能优越的实时监控服务器( 应用层网 关) ，在中央控制室改造原有总线型的工业以太网络为星型以太网，原有的监控计算 机采用i o m 交换网络的方式与实时监控服务器相连接，实时监控服务器兼充当应用 层网关的角色，通过1 0 0 m 交换网络方式接入姚港煤码头的局域网。工业控制数据和 应用，主要部署在应用层网关也就是所谓实时监控服务器上，该网关采用 w i n d o w s 2 0 0 0 s e r v e r 平台，对内采用虚拟指定i p 的方式对监控计算机实旆访问控制， 对外采用固定i p 的方式，结合m i c r o s o f t 基于n e t 的i i s ( i m e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) ， 通过服务器端w e b 数据库的应用来实现工业控制数据的移植和工业应用的再现。网 海海运学院坝i ：论文t 业挣制系统数据到开放，f 台的移植 络结构如图2 5 所示。 图2 - 5 改造后的集成网络 - 1 4 ! ：塑塑垩兰堕堡i ! 堡苎 二些篓型墨竺塑塑型互苎兰鱼! ! ! 兰旦 第三章工业控制系统网络化技术的发展 3 1 工业以太网技术的应用 以太网技术起源于上个世纪6 0 年代，到上个世纪8 0 年代初才正式确定了以太网 标准i e e e 8 0 2 3 。在经历了总线粗缆型、总线细缆型、星型共享型、星型交换型等等 一系列的发展之后以太网技术逐渐成熟，越来越多的新技术和新材料也不断的投入到 以太网技术的进一步开发中去，从上个世纪9 0 年代中期开始一直到现在，以太网技 术已经占据了局域网技术的主导地位，其优异的性能加之方便却又并不昂贵的运行方 式为网络应用的实施提供了良好的平台。 工业以太网技术主要是指在监控层面上全面采用以太网技术实现删1 人机界面的 应用，在智能终端，监控计算机，监控服务器之间构建方便快捷的数据交换桥梁。 传统工业控制系统的监控层网络通讯系统，一般都是采用另外铺设的专用电缆， 软硬件通信方式也是采用相应的专用网络协议。由于我国国有大中型企业的自动化水 平发展的程度各异，采用的控制网络种类繁多，虽然专用网络和专用协议的工业控制 应用是可靠有效的，但是系统的扩展性能却是不佳的。很多控制网络互相之间并不兼 容，控制应用和逻辑只能各自实现，结果常常造成一个企业生产控制现场多个控制系 统并行的状况，这给工业企业的集中监控带来了不小的麻烦，为现场工程师的监控工 作增加了相当的工作量。没有一个共同的标准，使得各控制系统成为工业企业内部一 个又一个的信息化孤岛。 应用整合或者说系统集成的任务，将人们关注的焦点很自然的转移到了工业以太 网技术上，因为以太网所遵守的t c p i p 五层网络协议，早已经成为业内成熟和公认 的通信标准。于是工业自动化设备提供商和系统集成商在本世纪初纷纷投入到这块科 研领域，工业自动化也拉开了面向网络的时代。 在上一章中已经提到的，华能南通电厂姚港煤码头的中央监控系统中，原有的总 线型以太网主要提供的是控制系统冗余的功能，加强了控制系统的鲁棒性。在网络硬 件和布线改造完毕之后，基于星型的以太网仍然可以满足原有的监控计算机和监控冗 海海运学院硕i ：论文 t 业控制系统数据到开放，r 舟的移植 余机之间的通信。在这个基础上，课题组先后参考了国外目前最先进的两例控制软件 应用模型i n t e l l u t i o n 和w o n d e r w a r e 公司分别提出的监控层的应用方案。见图 3 l ，3 2 文档数据库 图3 - 1i n t e ll u t i o n 工业控制以太网模型 图3 - 2w o n d e r v e a r e 工业控制以太网模型 上海海运学院硕士论文 工业控制系统数据到开放甲台的移植 最终在吸收了两者各自的优点之后，即i n t e l l u t i o n 的i h i s t o r i a n 历史数据库、 i w e b s e r v e r 工业控制网页服务器，和w o n d e r w a r e 的i n s q l 实时数据库、f a c t o r y s u i t e 企业控制网络平台，拿出了自己开发的方案。实时数据库系统采用了依托业内著名的 关系型数据库o r a c l e 9 i 系统，同时自行开发外挂的实时和海量数据处理程序，仿照 w o n d e r w a r e 的i n s q l 外挂m ss q l s e r v e r 的方式，为i n l 人机界面的应用移植提供了 可靠的数据来源。在w e b s e r v e r 应用方面，课题组依据开发人员原本在 a s p + w i n 2 0 0 0 + i i s + m s s q l s e r v e r 长期经验的前提保证下，根据应用需要进一步升级了 到a s p 混合a s p n e t + w i n 2 0 0 0 s e r v e r + i i s ( n e tf r a m e w o r k ) + o r a c l e 9 i 的高端平台， 系统最终结构如图3 - 3 所示 图3 - 3 华能南通电厂姚港煤码头控制系统应用改造模型 如图3 - 3 这样的改造方案应该适用的场合是相当多的，稍微先进一点的控制系统 只要是提供对t c p i p 协议支持的，都可以将监控级的应用升级到以太网结构上来， 至于数据的处理和监控应用的移植请参见第四和第五章有关陈述。 上海海运学院硕士论文 1 _ = 业控制系统数据到开放平台的移植 3 2 开放性b s 构架在工业网络中的应用 本节主要陈述b t s 技术构架的发展和特点，以及国内外b s 技术构架在工业控制 网络中的前沿应用。