（电工理论与新技术专业论文）基于工业以太网的企业信息集成系统底层研究与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 晰t ht h ef i e r c ec o m p e t i t i o ns t r e n g t h e ni n c r e a s eb e t w e e nt h ee n t e r p r i s ea n dt h ep o p u l a r i t yo f t h ea p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e r , i ti so b v i o u st h a tt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no f t h ei n n e ra n do u t e r o f t h ee n t e r p r i s eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ec o l l e c t i o np r e c i s i o no f t h ed a t ai nt h e f i e l ds p o ti nt h el o wl e v e la n dt h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fi n f o r m a t i o np l a yt h ek e yr o l eo f t h e m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o nt ot h em a n a g e m e n tl e v e l f o rt h eb a dc o n d i t i o n si nt h ef i e l d , t h e i n q u i s i t i o no fn e t w o r ki sd i f f e r e n tb e t w e e nt h ei n d u s t r yf i e l da n dt h em a n a g e m e n te n v i r o n m e n t t h ef i e l d b u st e c h n o l o g yc a n tr e a l i z et h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nr a d i c a l l yb e c a u s eo ft h ep r o t o c o l d i f f e r e n c e a st h eu n d e rl e v e ln e t w o r ko f t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e m , i n d u s t r i a le t h e m e t c a nr e a l i z et h ei n t e g r a t i o nw i t ht h eu p p e rl e v e l w ei n t r o d u c et h ei n d u s t r i a le t h e m e tt ot h em o n i t o r l e v e lo f t h es u b s t a t i o nt o r e a l i z et h ep o w e re n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t e ds y s t e mi nt h i sp a p e r i nt h et h e s i s ，w eb r i n gf o r w a r dt h ei n d u s t r i a le t h e m e ti n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nf r a m ea i ma tt h e g e n e r a le n t e r p r i s es t r u c t u r e ，a n dp r o v i d em u l t i s o l u t i o n so f t h ee q u i p m e n te n t e r i n gt on e t w o r k , t h e d i s t r i b u t i o no f1 只t h ed e s i g no f t h en e t w o r k , t h ep r o t o c o lc o m m u n i c a t i o ne t c t h ee n t e r p r i s e c h o o s et h er i g h ts o l u t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dd e m a n do f t h e i ro w n i nt h i sa r t i c l e ，w e m a i n l yi n t r o d u c et h ep r o j e c to f t h ee t h e m e tw h i c ha p p l i e dt l l r o u g ht h ew h o l ei n f o r m a t i o n i n t e g r a t e ds y s t e m , f r o mt h em a n a g e m e nl e v e lt ot h ef i x t u r el e v e l f i n a l l y ，f o rt h ep a r t i c u l a r i t yo f t h ei n f o r m a t i o no f p o w e re n t e r p r i s e ，t h el o wl e v e l i n f o r m a t i o ns t r u c t u r eb a s i so nt h ee t h e m e ti sg i v e n , a n dt h ei n n e ri n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no f t h e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni sr e a l i z e d , i nw h i c ht h ed a t ai n t e g r a t i o ni sr e a l i z e db yt h ev b ，e g ：t h e c o l l e c t i o na n dt h ep r e s e r v a t i o no f t h ed a t a , t h es h o wo f t h ed a t ac u r v ea n dt h ea l a r m k e y w o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t , i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，o p c ，v b i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 、r 人、 签名： 导师签名：酬日期：口厶莎 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 2 1 世纪的市场环境日益表现出持续多变和不可预测的特点，企业要在这样的市场环境中 谋求发展必须同时采取两种措施：一、向内挖潜，即采用各种先进制造技术和管理技术最大 限度的发挥企业的潜能：二、向外延伸，即充分利用社会资源来弥补自身的不足，通过企业 问的各种形式的协作来谋求更大的可持续发展。信息系统作为现代企业管理的基石，是发现 和挖掘企业潜能的重要工具，无论是实现向内挖潜或是向外延伸，都离不开信息系统的支持， 同时如果要想把企业内在潜能和企业外部机会结合起来，更离不开企业间信息系统的集成。 但从企业信息化至今，许多企业已经建立了各种不同类型的信息系统，由于各种原因，这些 系统无法兼容，信息无法自动的传播，造成数据冗余、信息延迟，形成所谓的“信息孤岛”。 为了实现信息共享，减少信息交流的成本，应该尽可能的把已有系统连接起来，实现系统间 的信息流动，并随时根据商务需要能够实现流程的动态变化。 现场设备层、控制层作企业整个信息系统的中下层，在与管理层和决策层进行集成时， 也存在着现场数据与监控计算机以及监控计算机之间如何进行信息沟通和传递的问题。工业 现场的智能仪表可以提供以前无法做到的大量信息，这些信息不仅包括现场的温度、压力等 被测参数，也包括装置本身的运行状况，组态参数。当大量现场信息出智能仪表通过现场总 线传至监控计算机后，由于现场总线没有统一的通信标准，各个厂商的设备无法在不同的 现场总线控制系统中兼容。而且目前现场总线的数据传输速率较低，无法满足工业生产过程 中越来越多的信息高速传输的需要。 基于以太网的控制网络具有数据传输速率高、可靠性好、易于维护、互操作性良好并且 可以远程传输等优点，而且随着互联网技术的发展和推广，以太网数据通信速率的不断提高， 以太网数据交换技术的进步，使得它受到了世界厂商的认同和硬件软件支持，从而迅速发展 和普及应用。由于以往的管理层使用的是以太网技术，在控制层和设备层使用工业以太网可 以实现“e 网通”，达到企业信息集成系统真正的无缝连接。 1 2 国内外发展动态 国际上一些组织如工业以太网协会( i n d u s t r i a le t h e m e t a s s o c i a t i o n ) 、工业自动化开放网络 联合会i a o n a ( 1 n d u s t r i a la u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ) ，j d a ( i n t e f f a c ef o r d i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ) d 、组都在进行以太网应用于工业控制现场的相关技术和标准的研究。 法国施耐德公司( s c h n e i d e r ) 推出的基于嵌入式w e b 的“透明工厂”系统，其中将以太网、 嵌入式w e b 等商用互联网技术己经应用于信息管理层、监控层和现场设备层。并且s c h n e i d e r 公司于2 0 0 2 年5 月发表了工业以太网规范一m o d b u s t c p 规范，该规范用简单方式将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧或u d p 帧中，在e t h e m e tt c p i p 网络上的装置之间提供c l i e n t s e r v e r 模式的通 信，这种模式建立在4 种类型的报文基础上，它们是m o d b u s 请求、m o d b u s 证实、m o d b u s 指 示和m o d b u s 响应。m o d b u s j 艮务用于网络上装置之间的实时信息交换 1 9 9 8 年初，c o n t r o l n e t 国际组织( c o n t r o ln e ti n t e r n a t i o n a l ) 也开发了e t h e m e t ，i p 工业以太网 规范，该规范是一种开放的工业网络标准，它支持显性和隐性报文，并且使用目前流行的商 用以太网芯片和物理媒体；其物理层和数据链路层协议采用i e e e 8 0 2 3 标准，网络层和传输层 东南大学硕士学位论文 采用t c p i p 协议，同时在应用层采用控制和信息协议( c l a ) ，提供i ，o 报文和信息，以及对等 通信报文。 1 9 9 8 年，美国基金会现场总线组织( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，f f ) 也决定采用高速以太网 ( h i g hs p e e de t h e m e t ，h s e ) 技术开发h 2 现场总线，作为现场总线控制系统控制级以上通信 网络的主干网，并于2 0 0 0 年发布h s e 规范，h s e 的1 4 层由现有的以太网、t c p f l p 和i e e e 标 准所定义，h s e 和h 1 现场总线规范使用同样的用户层，现场总线信息规范( f m s ) 在h 1 中定义 了服务接口，现场设备访问代理( f d a ) 为h s e 提供接口。h s e 的用户层规定了功能模块、设 备描述( d d ) 、功能文件( c f ) 以及系统管理( s m ) 等功能 2 0 0 1 年8 月，p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 组织发表t p r o f i n e t 规范，这是一个在 p r o f i b u s 现场总线基础之上发展而来的工业以太网规范，它将工厂自动化和企业信息管理较 高层r r 技术有机地融为一体，同时保留了p r o f i b u s 现有的开放性。 在国内，国家“8 6 3 ”计划c 1 m s 主题重点课题“基于高速以太网技术的现场总线控制备”， “基于e p a 的分布式网络控制系统”专门支持对工业以太网的研究。该课题已经通过国家科 技部验收与成果鉴定。通过该课题的支持，国内目前在以太网应用于现场设备问通信的关 键技术上取得了重大突破，这些技术包括实时通信技术、总线供电技术、远距离传输技术、 网络安全技术和可靠性技术。同时，我国第一个关于工业以太网的标准“用于工业测量与控 制系统的e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准”( 草案) 也己诞生。除此之 外，在该课题的支持下还开发出一系列基于以太网技术的现场控制设备。并在此基础上，推 出了基于e p a 的分布式网络控制系统，该系统将以太网应用于变送器、执行机构、现场控制 器等现场设备间的通信，实现了从设备层、控制层和管理层等网络基于以太网的统一，即所 谓的”e ( e t h e m e t ) 网剑底”。 1 - 3 本文所做的工作 位于企业底层的数据采集、传输、处理是企业的信息集成系统的重要部分，而由于传统 的现场总线无法统一标准，且一般管理层都采用以太网，本文在监控层和设备层采用工业以 太网，实现真正意义上的无缝集成。本文内容如下： 1 总结了企业信息集成系统的定义和分类、发展动态、企业信息系统的发展过程和未 来趋势。总结了企业信息集成的原则和方法，提出了信息集成系统的一般构架，以及分析了 控制网络( 底层网络) 和信息网络集成的几种方法。文章还详细的分析了企业信息集成系统 相关的先进技术。 2 分析了工业以太网的特点和优势，并与现场总线进行了对比分析。传统的以太网在 工业现场应用方面存在着各种缺陷，本文详细分析了实时性的改进，并对其它不足的方面给 出了解决方案。并分析了工业以太网的协议。 3 给出了基于工业以太网的企业信息集成一般设计方案，详细介绍了各层系统的结构 和功能，并结合工业以太网对系统的实施提出了多种实施方案，提供了以太网网络多种选择 及冗余方法。给出了数据通信的两种方法及对比分析并详细介绍了通信协议t c p i p 。具体 的企业可以根据自身需求对以上给出的方案进行选择。 4 给出了应用的具体实例，工业以太网在电力企业信息集成系统底层的应用，即工业 以太网在变电站信息系统中的应用。分析了电力企业的信息特点，并提出了集成框架。给出 了变电站的结构及分析了相关的信息流，本例选择了b s 和c s 结合的方式，在变电站外部 应用b s 结构，在变电站内部使用c s 结构，并在数据通信方面选择0 p c 技术，结合数据库 2 第一章绪论 技术，采用了双以太网和冗余技术实现了变电站的信息集成。实现了数据采集，存储、传输 的软件设计。并对监控的界面进行了实现以及介绍了部分功能实现代码，如曲线绘制、报表 等。对整个信息系统的集成流程、方法用变电站实例进行了具体分析。 3 东南大学硕上学位论文 第二章企业信息集成系统概述 2 1 企业信息集成系统的概况 2 1 1 企业信息集成系统的涵义、分类 企业信息化是企业利用信息技术( 包括计算机技术、通信技术和自动化技术) 改善企业 的经营、管理、生产的各个环节，以提高效率、质量，降低消耗，提高企业的创新能力。 企业集成是通过连接企业各个功能实体来实现跨越组织界限的信息流、控制流和物流的 传递，通过改善企业内的通信、合作与协调，将企业组成一个协调的整体，达到提高生产率、 柔性以及应变管理( c h a n g em a n a g e m e n t ) 的能力。企业集成系统是在企业单元技术和系统 得到广泛应用的基础上，通过集成而形成的、支持企业生产经营全过程的集成化系统。 企业信息集成就是利用通信技术、数据库技术，各个应用系统的接口之间实现数据共享 和资源共享，它要集成多个系统并保证不改变每个系统的正常应用( 即在运行的每个阶段， 都能将正确的信息在正确的时间和正确的地点以正确的方式传送给正确的人) ，最终将企业 内部的应用集成剑一个虚拟的、统一的应用平台中。企业信息集成必须遵循应用程序的独立 性、独立于开发技术和原来的应用平台无关的原则。 企业信息系统的集成，可以从广度和深度两个方向来研究。不同的广度和深度，集成所 实现的目标是不同的。从系统内部的集成，到系统间的集成，到企业间的集成，集成的难度 和能够取得的效益也是不同的。关于集成的广度和深度，达到的目标以及实现的难易程度， 可表述如下： 从集成的广度上来看，从易到难有以下种类的集成【1 】： 部门内部的信息系统集成 部门之间的信息系统集成 企业级的信息系统集成 与有稳定关系的合作伙伴之间的信息系统集成 与随机遇到的合作伙伴之间的信息系统集成 从集成的深度上来说，从易到难有以下种类的集成： 数据的集成。为了完成应用集成和业务过程集成，必须首先解决数据和数据库的集成 问题。在集成之前，必须首先对数据进行标识并编成目录，另外还要确定元数据模型。这三 步完成以后，数据才能在数据库系统中分布和共享： 应用系统的集成。为两个应用中的数据和函数提供接近实时的集成。例如，在一些 b 2 b 集成中用来实现c r m 系统与企业后端应用和w e b 的集成，构建能够充分利用多个应 用系统资源的电子商务网站。业务流程的集成。当对业务过程进行集成的时候，企业必须在 各种业务系统中定义、授权和管理各种业务信息的交换，以便改进操作、减少成本、提高响 应速度。业务过程集成包括业务管理、进程模拟以及综合任务、流程、组织和迸出信息的 工作流，还包括业务处理中每一步都需要的工具。对信息系统集成来说，还包括各种标准的 统一和硬件网络平台的集成： 统一的标准。要实现完全的数据集成，必须首先选择数据的标准格式。集成的标准化 促成了信息和业务数据的共享和分布，构成了企业应用集成的核心，包括c o m + d c o m ， 4 第二章企业信息集成系统概述 c o r b a ，e d i ，j a v ar m i 矛1 1 x m l 平台的集成。要实现系统的集成，底层的结构、软件、硬 件以及异构网络的特殊需求都必须得到集成。平台集成处理一些过程和工具，以保证这些系 统进行快速安全的通信。 2 1 2 信息集成系统的发展趋势 伴随着c i m i a i 涵经历了从计算机集成制造系统到现代集成制造系统的发展过程，以集成 为核心的信息集成技术也在不断地向前发展。 从时间跨度上看，信息集成技术经历了从产品生命周期的局部阶段内的集成，到产品生 命周期的局部阶段间的集成，最终向产品的全生命周期集成发展的过程。一般来讲，产品生 命周期可以按照产品的演化过程分为概念产生、设计、采购、生产、销售、售后服务六个阶 段，每个阶段都有特定的活动，产生相应的信息，涉及相关的人员和部门。在信息集成技术 发展的初期主要侧重于产品生命周期的局部阶段内集成，如产品设计阶段的产品造型设计 c a i d 与c a d 之间的集成；在产品生产阶段的柔性制造系统实现了多台制造设备、物料传 输设备、立体仓库等设备的集成运行等。 近期的信息集成技术中的一个热点问题是对产品实施全生命周期的管理。通过p l m 可 以实现对产品生命周期的所有阶段所涉及到的信息、过程、组织或人员的协同及整个产品链 上的不同企业间的集成，包括生产计划与物料供应集成、产品设计制造过程的集成、制造企 业和商业企业的业务集成等。它以协作为基础，通过协同产品信息使产业链或价值链上的每 个经营实体都能够发挥自己最擅长的方面，实现强强联合，以获得更低的成本、更快的上市 时间和更好的满足顾客的需求。 从空间跨度上看，信息集成技术从支持部门内部集成，到部门间集成，向企业问集成发 展。在信息集成技术应用的早期阶段，部门内部集成是指通过应用具有一定集成度的软硬件 工具和技术实现某个管理或生产部门内部的集成化运行，如e r p 系统实现了财务、库存、采 购、计划的集成；c a d 软件实现了产品造型与绘图功能的集成等。这些以信息集成技术为 基础的集成化应用系统实现了企业部门级别上功能事务的集成化运作。 部门间集成是指由多个不同的功能系统通过集成形成功能更强的集成化系统，如c a d 、 c a p p 、c a m 系统与产品数据管理系统的集成可以形成全面支持企业产品研制的集成化系 统；产品数据管理系统与企业资源计划系统的集成可以更好地为产品研制生产提供一致的产 品物料清单，避免设计与制造的脱节；质量管理系统与企业资源计划系统的集成可以为企业 的质量控制提供更好的支持；企业资源计划系统与车间调度系统的集成可以更好地实现对产 品生产过程的控制与统计等。此时，c i m 技术已经从支持功能事务处理发展到支持过程集成 与过程管理的业务处理阶段。 从集成的深度和内容上看，信息集成技术从最初的信息集成扩展到了当今的过程集成， 并且制造向着知识集成的方向发展。信息集成是为解决设计、管理和加工制造中存在大量的 自动化孤岛和信息孤岛问题而提出的，其目的是实现不同应用系统之间信息的正确和高效。 它利用通信技术、数据库技术，在共享信息模型的支持下，实现不同应用系统之间的信息共 享，实现“在正确的时候将正确的信息以正确的方式传递给正确的人( 或者机器) ，从而做 出正确的决策”。通过信息集成，实现跨c a d 、c a p p 、c a m 系统的设计信息集成，以及车 间控制器和底层制造设备的信息共享，从而提高了企业的产品设计与制造的自动化水平。企 业的信息集成还解决了企业由于各部门之间信息不共享、信息反馈速度慢、信息不全等，造 成企业决策困难、计划不正确、存在量大、产品制造周期长、资金积压等问题，提高了企业 的现代化管理水平和整体经济效益。 5 东南大学硕：l ：学位论文 2 1 3 集成信息系统的目标 集成信息系统的目标在于企业的总体效益，而企业能否获得最大效益，很大程度上又取 决于企业各种功能的协调。一般来说，企业集成的程度越高，这些功能就越协调，竞争取胜 的机会也就越大。因为只有各种功能有机地集成在一起，才可能共享信息，才能在较短的时 间里做出高质量的经营决策，才能提高产品质量、降低成本、缩短交货期。由以上介绍可以 看出，信息集成技术的发展经历了由简单到复杂，由局部到整体，由低级到高级的发展过程。 在信息集成技术的推动下不断前进的企业必然会发展成为全面集成的数字化企业。 作为建立在先进的企业经营理念、管理方法、信息技术的基础上，能够不断改进和持续 创新的企业，全面集成的数字化企业的发展目标是通过全面采用先进的信息技术，实现设计 数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化，并通过集成实现企业与客户、供 应商的无缝集成，实现人、技术、经营目标和管理方法的集成，实现企业不同产品线的均衡 发展。全面集成的数字化企业不仅为用户提供满足其当前需求的产品，更重要的是实现对产 晶全生命周期( 从用户需求分析、产品设计、制造装配、维护服务到报废回收) 的管理和服 务。全面集成的企业还倡导一种全新的合作理念，即将对供应链上每个环节的管理模式从单 纯的合同契约管理变成共同发展伙伴的管理，伙伴之间充分实现知识共享、优势互补、利益 共享和风险共担。 全面集成的数字化企业不仅能及时响应市场的变化，而且能够主动抓住市场的变化，通 过采取技术上的改进来获取市场变化带来的商机。它通过集成企业的所有过程、规则、信息、 资源、人员、技术，使企业成为具有协同、学习、虚拟化、敏捷化和精良等良好特征的企业。 2 1 - 4 信息系统集成的原则和方法 ( 1 ) 系统集成的原则 集成的工作在项目建设中非常重要，它通过硬件平台、网络通信平台、数据库平台、工 具平台、应用软件平台将各类资源有机、高效地集成到一起，形成了一个完整的工作台面。 系统集成的工作好坏对系统开发、维护有极大的影响。因此，应遵循以下几个原则： a 开放性：一个集成的信息系统，必然是一个开放的信息系统。只有开放的系统，才 能满足互操作性、可移植性以及可伸缩性的要求，才可能与另一个标准兼容的系统实现无缝 的互操作。 b 结构化：复杂系统设计的最基本方法依然是结构化系统分析设计方法。把一个复杂 系统分解成相对独立和简单的子系统，每一个予系统又分解成更简单的模块，这样自项向下 逐层模块化分解，直到底层每一个模块都是可具体说明和可执行的为止。 c 先进性：系统的先进性建立在技术先进性和系统设计的先进性上。系统采用先进的技 术才能确保系统的优势和较长的生存周期。系统设计的先进性贯穿在系统开发的整个生命周 期。 d 主流性：系统构成的每一个产品应是属于该产品发展的主流，有可靠的技术支持，成 熟的使用环境，并具有良好的升级发展势头。 ( 2 ) 系统集成的方法 乱开展全面的调研工作 通过调研，收集大量技术资料，尤其是所选择的硬件产品、网络产品和软件产品的技术 资料。在资料收集基础上，结合实际工作背景和经验、知识，剖析系统硬软件特性，全面掌 握各种设备的配置、安装和测试方法。 6 第二章企业信息集成系统概述 b 深入研究目标系统的特点 在全面体现用户需求的基础上，从系统上、全局上做好应用软件的集成工作。同时，密 切关注新技术的发展，在系统开发中运用成熟、先进的技术，包括多媒体技术。 c 制定总体集成方案 在调研及分析、研究的基础上，指定详细系统集成方案。其中，开放性、可靠性、可扩 展性以及可维护性是方案的重点研究内容，在方案中一定要分清哪些是当前必须的，哪些是 后期工程所需的。 2 2 企业信息集成系统构成 企业信息集成系统的项层为决策层，底层为现场控制层，自下而上中间各层分别为监控 优化层，调度层，计划层，管理层，决策层。各功能块在计算机网络和数据库支持下运行。 企业决策系统根据企业内部，外部信息，对企业经营，产品策略的中长期目标与规划提出决 策支持；管理系统对厂级，车间，科室的业务信息实现集成管理，并按照决策系统的指令形 成逻辑策略；生产计划调度系统完成生产计划分解，生产调度，生产统计等功能，形成详细 的生产计划，生产策略和过程策略；监控系统实现过程优化，高等控制，统计控制，故障诊 断等功能；现场直接控制系统则完成生产过程的检测与常规控制功能。如图2 1 所示： 决策层 管理层 计划层 调度层 监控层 控制层 产品策略 逻辑策略 生产策略 过程策略 回路策略 图2 1 企业信息集成系统框架图 2 3 控制网络与信息网络的集成 企业网络一般包括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 的控制网络两部分。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 7 东南大学硕士学位论文 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。 控制网络作为底层网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产一线测量与控制信 息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能晕的运动和转换。因此，它通常应满足强实时性 与确定性、高可靠性与安全性、工业现场恶劣环境的适应性、总线供电与本质安全等特殊要 求。而本文的控制网络选择工业以太网作为通信网络。 2 3 1 控制网络和信息网络集成的必要性 控制网络与信息网络的集成将为企业计算机综合f l 动化c i p a ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp l a n t a l i t o m 撕o n ) 与信息化创造有利的条件。 1 ) 实现控制网络与信息网络的信息集成，建立综合实时数据库，为企业优化控制、生 产调度、计划决策提供依据。 2 ) 建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可操作性。 3 ) 实现对控制网络工作的远程监控、优化调度及控制网络的远程诊断等。 4 ) 实现控制网络的远程软件维护与更新。 2 3 2 控制网络与信息网络集成的技术 控制网络与信息网络集成的目的是为了实现网络间信息与资源共享。控制网络与信息网 络的集成技术主要有【2 】： ( 1 ) 控制网络与信息网络的互联，是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接， 构成更大规模的互联网络系统。控制网络与信息网络可以是同种类型的网络，也可以是不同 类型的网络。不同类型的网络运行于不同的网络操作系统和网络协议。控制网络与信息网络 互联时，每个网络的网络资源实现共享。互联网络的资源共享服务与物理网络结构是分层的。 互联网络应该屏蔽控制网络与信息网络在网络协议、服务功能与网络管理上的差异。 控制网络与信息网络互联要解决物理互联和逻辑互联两个问题。对于同构的控制网络与 信息网络，可通过网桥进行连接，对于异构的控制网络与信息网络，路由器和网关是网络互 联的两种主要部件，它们的作用是： 构成网间数据的传送通道； 终止每个网络内部协议，并实现不同通信协议间转换： 必须有一互联网络双方所能识别的统一的寻址方式； 必须具有一致的信息帧长度。 鉴于控制网络的内在特点，控制网络与信息网络互联的网关，路由器与一般信息网络间 互联的网关路由器有所不同。对控制网络与信息网络问互联网关路由器的要求是： 互联设备必须容易实现i p 地址编址，从而使控制网络容易成为信息网络上带自己 i p 地址的接入网； 能方便地实现控制网络与信息网络异构网之间数据格式的转换； 要求控制网络接入的网关路由器体积更小、使用更方便、工作更可靠、价格更便 宜。 ( 2 ) 控制网络与信息网络集成的动态数据交换技术。当控制网络与信息网络有一共享工 作站或通信处理机时，可通过动态数据交换技术实现控制网络中实时数据与信息网络中数据 库数据的动态交换，从而实现控制网络与信息网络的集成。 8 第二章企业信息集成系统概述 动态数据交换( d d e ) 技术在控制网络与信息网络的集成中得到了实际应用。这种方法的 实时性较好，作为连接控制网络与信息网络的通信处理机比较容易实现。w i n d o w s 的动态 数据交换技术d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 实际上是一种协议。d d e 协议使用共享内存在应 用程序之间传输数据，完成应用程序之间的数据交换。 两个最基本的d d e 术语如下： 对话：d d e 对话是指两个w i n d o w s 应用程序使用d d e 交换数据。 通道：由两个应用程序之间通过计算机进行连接而构成，d d e 对话经通道被传输。 d d e 协议使得应用程序之间能够实时地进行数据交换，如在一个服务器应用程序中更 新数据时，客户机应用程序也同时被更新。若要完成这个数据交换，两个相关的应用程序必 须先占用一个d d e 对话，启动对话的应用程序作为客户机应用程序，而响应客户机请求的 程序则作为服务器应用程序。两个应用程序之间的所有d d e 通信都是在一个通道中发生的。 d d e 通信功能包括：启动、请求、推动、执行、终止。 启动 请求 推动 执行 终止 启动功能是为客户机应用程序打开一个d d e 通道到服务器应用程序。 从服务器应用程序中获取数据。 向服务器应用程序发送数据。 向服务器应用程序发送命令。 关闭一个d d e 通道。 应用d d e 技术实现控制网络和信息网络集成的关键设备是通信处理机。通信处理机既 是信息网络的一个工作站，也是控制网络的一个工作站或分布式控制系统的上位机。通信处 理机完成控制网络与信息网络动态数据交换任务。 为了完成动态数据交换任务，在通信处理机上运行两个应用程序：一个是实时通信程序， 实现实时信息的接收、检错、数据格式转换等功能，它作为d d e j 最务器应用程序；另一个 是数据访问应用程序，它接收d d e j 艮务器送来的实时数据并写到数据库服务器中，提供信 息网络实现信息处理、统计分析、信息管理等功能。工业以太网通过共享内存实现动态数据 交换，要求控制网络与信息网络平台必须支持w i n d o w s 的d d e 功能。 ( 3 ) 控制网络与信息网络集成的远程通信技术。当控制网络与信息网络地理上相距较远 时，远程通信技术是实现网络集成的有效方法之一。远程通信技术有：利用调制解调器的数 据通信、基于t c p i p 的远程通信，包括应用t c p i p 中的f t p 协议和p p p 协议。 利用调制解调器的数据通信 通过标准的电话线可实现两台计算机或两个通信设备间的高速数据通信，实现这种通信 必须使用调制解调器( m o d e m ) ，并需要配置和使用通信软件。 控制网络工作站与信息网络工作站通过m o d e m 、公用电话网p s t n 进行数据通信。通 信程序可以由w i n d o w s 的电话应用程序接e i ( t a p i ) 实现。t a p i 提供了通过m o d e m 和标准电话 线实现远程数据通信的手段。 i n t e m e t 是当今规模最大的网络，i n t r a n e t 也已成为企业信息网络的主流。t c p i p 是i n t e r n e t 和i n t r a n e t 的基础协议。因此，基于t c p i p 的远程通信技术对实现控制网络与信息网络的集 成具有广阔的前景。我们简要讨论t c p i p 中的f t p 协议和p p p 协议在信息和控制网络集成中 的使用。 文件传输协议f 1 p 文件传输协议f t p 实现主机间的文件传送，可以用文件的形式实现控制网络与信息网络 9 东南大学硕十学位论文 之间大量数据交换。 f r p 使用两个t c p 连接来完成文件传送操作，一个连接用于命令传送，一个连接用于数 据传输。首先建立控制连接，双方进入交互式会话状态。然后，客户机每调用一个数据传输 命令，双方再建立一个数据连接以进行数据传输。该数据传输命令执行完后，再回到交互式 会话状态，可继续执行别的数据传输命令，最后，用户发出退出命令，f 1 甲会话中止，控制 连接释放。 点对点协议p p p p p p 点对点协议是一个正式的i n t e m e t 标准。它定义串行的、点对点的数据通信协议。每 个p p p 帧都由一个标准字节表示开始和结束。协议域是p p p 封装的关键部分。p p p 通过使用协 议域在单个串行链路上支持多个协议。 p p p 通信过程是这样的： p p p 连接总是以链路死亡状态作为开始和结束。在链路死亡状态时，网络的物理层还没 有准备好进行数据通信。当物理层准备好后，p p p 从链路死亡状态转移到链路建立状态。在 链路建立状态，每个主机的p p p 软件模块使用链路控制协议建立和配置数据链路。 p p p 建立好数据链路后，进入链路鉴别状态。鉴别用来判断一台主机是否有权与另一台 主机进行通信。当鉴别通过时，转入网络层协议状态。这时p p p 使用网络控制协议配置一个 或多个网络层协议。 p p p 配置完网络层协议后，连接就可以进行数据通信了。传输的是符合网络层协议的数 据包。p p p 可使用网络控制协议打开、配置和关闭多个网络层协议的网络对话。传输结束， 进入链路终止状态，p p p 关闭连接。 ( 4 ) 控制网络与信息网络集成的数据库访问技术。 信息网络一般采用开放数据库系统，这样数据库访问技术可实现控制网络与信息网络的 集成。信息网络i n t e m e t 的一个浏览器接入控制网络，基y - w e b 技术，通过浏览器可与信息网 络数据库进行动态的交互式的信息交换，实现控制网络与信息网络的集成。 当控制网络采用以太局域网时，控制网络中的工作站可采用w i n d o w s 操作系统平台。 信息网络一般采用开放数据库系统，这样可方便地通过数据库访问技术实现控制网络与信息 网络的集成。 根据编程语言的不同，有三种访问数据库应用编程接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) a p i ： o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) a p i 、固有连接a p i 以及j d b c ( j a v a d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) a p i a 1 ) o d b c a p i o d b c 是一种建立数据库驱动程序的开放标准。建立这个标准的目的是为了能够以统一 的方式访问不同的数据库系统。访问数据库的过程就是调用o d b ca p i ，通过o d b ca p i 驱 动程序管理器，然后由驱动器驱动数据源。 2 ) 同有连接a p i 固有连接一般包含一个特定的应用程序开发包，根据特定的数据库进行固有连接编程。 固有连接只适用于某一种数据库系统，无互操作性，优点是它的访问速度较快。 3 ) j d b c a p i j d b c 是面向j a 、，a 语言的，j d b c 设计成既能保证查询语句的简洁性，又能保证需要时 1 0 第二章企业信息集成系统概述 提供一些高级功能。应用j d b c 可实现数据库与应用程序之间双向、全动态、实时的数据交 换。 2 4 信息集成系统的相关先进技术 2 4 1w e b 自动化技术 i n t e m e t 网把全世界连成了一个整体，而w e b 技术引发了信息技术的革命。把w e b 技术 应用到工业控制领域就产生了w e b 自动化。w e b 自动化的基本思想是只要需要，在任何时间 和地点都可以对丁业现场的数据进行实时访问和控制。w e b 数据采集和控制的基本要求是： 必须要有一个能够通过w e b 网络和t c p i p 协议连接监控设备和过程数据的界面，即用户界 面层：要有一台能够使所需显示或控制页面通过过程浏览器访问的w 曲服务器，即运行逻辑 层；要有一个处理本地事务( 即w | e b 服务器) 和远端系统( 即客户端) 之间数据接收和存储的数据 库服务器，即数据库层。这就是典型的三层结构，如图2 2 所示。 i 数据库服务器 工 卜略器 i lt c p i p l i l 鼬 第三层数据库层 第二层运行逻辑层 第一层用户界面层 图2 - 2 w e b 的三层结构图 在w e b 模式下可以实现用户界面和运行逻辑的有效分离，用户浏览器仅负责界面的显 示，操作者可直接通过浏览器访问w 曲服务器上的各类信息而将运行逻辑迁移至w e b 服务器 端：无需对客户端的应用软件进行安装，也无需对客户端的控件进行注册，应用软件的升级 很方便，如果应用程序的功能和运行逻辑需要改变，系统维护人员可直接在w 曲服务器上对 相应的页面和组件进行修改，用户立即能得到新的功能。 2 4 2 数据库技术 数据库系统是企业综合自动化系统的核心，是过程控制和管理层相互联系的纽带。在工 业企业，数据库同样重要。今天的c i m s 支撑系统，一般都要对企业的中长期发展目标和未 来可能的应用给予足够的考虑，基于因特网厂局域网，规划合理的实施方案，以免形成新的 东南大学硕士学位论文 “信息孤岛”，并结合新型网络应用，提高企业的信息化水平，使得c i m s 网络数据库系统 成为企业的信息基础设施和信息存储仓库。 数据库在工业生产单位有着非常广泛的应用。而且可以看出，在生产过程监控系统中， 对数据的实时性要求比较高，它是通过在先进控制及优化层建立的称之为“实时数据库”的 实时数据区为核心的分布实时数据库为核心，根据生产工艺流程的具体特点，通过对生产过 程数据的处理，达到在正常工况下保证产品的质量，降低生产消耗，平稳生产，而在异常工 况下保证产品的质量，及时处理事故，恢复正常工况的目的。 在生产、销售和管理系统中，对数据的实时性要求不高，但在信息处理时涉及的数据量 非常多，它需要管理的信息大致分为三类：生产信息、市场信息和管理信息。这些信息数据 涉及面广、数据量大、数据量增长快，且其中大部分是历史数据。管理信息系统( m i s ) 是决 策支持系统的基础，因此要求数据库不但能管理大规模的数据量，而且能够在短时间内处理 大批量的数据和同时支持多用户数据处理( 并发用户) 。所以，生产管理、销售和行政管理信 息系统通常采用大型关系数据库作为核心。以关系数据库为何新的经营管理信息系统实现了 企业生产数据、管理信息和决策信息的集成，实现了各类数据统计计算并以各种方式实现数 据和信息的直观呈现，为科学决策提供依据和辅助决策支持。 2 4 2 1 关系数据库 目前数据库管理系统种类很多，但用于企业级的关系数据库主要是m ss q ls e r v e r ， o r a c l e ，s y b a s e ，m sa c c e s s 等由各厂家提供的