（通信与信息系统专业论文）基于wonderware的钢厂能源信息管理系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大型钢厂生产一线的地理分布广、设备密集、产品种类繁多、组织架构复杂， 众多部门之间信息资源共享性和利用率差，信息更新不及时，不利于统一管理。 在经济快速发展的今天，企业的规模、经济实力、技术能力已经不再是判断企业 在市场竞争中取胜的主要条件，信息化的应用能力己成为企业在市场竞争中的一 个取胜的武器。虽然该钢厂生产过程实现了自动化控制，但是生产管理仍然是人 工作业，这是远远不够的，急需建立一个自动化水平高的集中管理系统。 为了解决钢厂的“信息化孤岛 问题，该项目组建了一个集办公自动化到生 产过程控制、监控、数据采集、生产调度、设备管理等为一体的企业综合信息管 理系统，可以大大提高企业能源调度信息的自动化管理水平，使得所有管理集中 于一个实体中。系统提供现场当前各个环节的生产信息，如管网的阀位、流量、 压力、温度等参数，生产调度部门可以进行信息访问、历史数据的查询和统计， 随时了解整个生产情况，因此可以及时地发现问题、解决问题，便于指挥和协调 生产。 本文研究了国内大型钢厂信息化现状，针对该钢厂的能源调度中心现状设计 合理的信息化建设计划，在网络构建，数据采集等方面深入探讨。介绍了o p c 技术的优点，并讨论了o p c 与传统控制系统相比的优势，研究了i n t e r b u s 现场 总线的特性，为实现能源调度系统提供理论指导。介绍了w o n d e r w a r e 系列套装 软件的各种优越性能，重点探讨了分布式系统集中管理平台i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s e r v e r ( i a s ) 和实时数据库i n d u s t d a l s q ls e r v e r 在工业控制领域的强大优势。 为了提高网络的稳定性，本系统采用工业上流行的单环拓扑结构作为主干网 络，采用双机热备技术设计冗余数据库系统。采用工业控制领域十分流行的 w o n d e r w a r e 系列套装软件进行二次开发，利用i n t o u c h 进行监控界面的组态，利 用i a s 平台对各个子站进行部署，建立各个采集点与数据库的连接。强大的 w o n d e r w a r e 套件使系统能很好地实现分布式系统的集中管理，并且有很强的系 统扩充和功能扩展能力。 关键词：o p c ，环网，现场总线，w o n d e r w a r e ，实时数据库 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a r g es t e e lm i l l sa r ed i s t r i b u t e dw i d e l y , w i t hal a r g en u m b e ro fe q u i p m e n t s ，m a n y k i n d so fp r o d u c t sa n dc o m p l e xc o n f i g u r a t i o n t h ei n f o r m a t i o nr e s o u r c ew a s n ts h a r e d a n du s e dv e r yw e l la n dw a s n tu p d a t e di nt i m eb e t w e e nt h o s ed e p a r t m e n t s ，s ot h e y w e r em a n a g e dd i f f i c u l t l y i nt o d a y sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，c o m p a n ys c a l ea n d e c o n o m yc a p a b i l i t ya sw e l la st e c h n i q u ea b i l i t ya t en o tt h em o s ti m p o r t a n t q u a l i f i c a t i o n so fj u d g i n gc o m p a n y ss u c c e s si nm a r k e tc o m p e t i t i o na n ym o r e t h e c a p a b i l i t yo fi n f o r m a t i o na p p l i c a t i o nh a sb e c o m e dt ot h ew e a p o nf o rc o m p a n yt og e t v i c t o r yi n m a r k e tc o m p e t i t o n t h es t e e lm i l lh a sr e a l i z e da u t o m a t i c c o n t r o l l i n g m a n u f a c t o r y , b u tt h em a n a g e m e n ti sm a n u a lw o r ka l lt h es a m e ，w h i c hi sn o te n o u g h ac o l l e c t e dm a n a g i n gs y s t e mw i t hh i g ha u t o m a t i cl e v e li sn e e d e dr i g h tn o w t or e s o l v et h e “i n f o r m a t i o nd e t a c h e di s l a n d ”p r o b l e mo fl a r g es t e e lm i l l ，a n i n t e g r a t e di n f o r m a t i o nm a n a g i n gs y s t e mf o re n t e r p r i s ei sc o n s t r u c t e di n t h i si t e m i n t h es y s t e m ，o f f i c ea u t o m a t i o n ，p r o c e s sc o n t r o l ，m o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i r i n g ，p r o d u c t i o n s c h e d u l i n g ，e q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，a n ds oo n ，a t eg a t h e r e di na ne n t i t y , w h i c hc a n e n o r m o u s l yi m p r o v et h ea u t o m a t i cm a n a g e m e n to fe n e r g ys o u r c e ss c h e d u l i n gf o r e n t e r p r i s e s t h es y s t e ms u p p l i e st h er e a l - t i m ep r o d u c t i n gi n f o r m a t i o nf o re x a m p l e s e v e r a lp a r a m e t e r ss u c ha sv a l v ep o s i t i o n ，f l u x ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，a n ds oo n p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gd e p a r t m e n t sc a nn o to n l ya c c e s st h er e a l - t i m ei m f o r m a t i o nb u t a l s oq u e r yt h eh i s t o r i c a ld a t at ou n d e r s t a n dt h ew h o l ep r o d u c t i n gs i t u a t i o nt h r o u g ht h e s y s t e m s ot h ep r o b l e m sc a nb ed e t e c t e da n dr e s o l v e dp r o m p t l y , w h i c hi sc o n v e n i e n t f o rc o m m a n d i n ga n dc o o r d i n a t i n gp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ei n f o r m a t i o na c t u a l i t yo fs e v e r a ld o m e s t i cl a r g es t e e lm i l l sa r e s t u d i e d ，a ni m f o r m a t i o nc o n s t r u c t i n gp l a ni sd e s i g n e dw i t ht h ea c t u a l i t yo fe n e r g y s o u r c e ss c h e d u l i n gc e n t e ri nt h a ts t e e lm i l l ，i na d d i t i o n ，h o wt ob u i l dn e t w o r ka n dh o w t o a c q u i r ed a t a a t ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y t h ea d v a n t a g eo fo p ct e c h n i q u ei s d i s c u s s e dc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o l l i n gs y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n t e r b u s f i e l d b u sa t er e s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i st or e a l i z et h e e n e r g ys o u r c es c h e d u l i n gs y s t e m v a r i o u ss u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a c k a g e d s o f t w a r ew o n d e r w a r ea r ei n t r o d u c e d ，f o c u so nt h ep o w e r f u la d v a n t a g eo fd i s t r i b u t e d s y s t e mc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tp l a t f o r m ( l 峪) a n dt h er e a l t i m ed a t a b a s e ( i n d u s t r i a l s q l s e r v e r ) i ni n d u s t r i a lc o n t r o la r e a j 1 lo r d e rt on n p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h en e t w o r k ，t h es y s t e mu s e si n d u s t r y p o p u l a r s l n g l e 。n n gt o p o l o g yc o n f i g u r a t i o na sm a i nn e t w o r k ，a n du s e sc o m p u t e rd u p l e xh o t s t a i l d b yt e c h n i q u et od e s i g nr e d u n d a n td a t a b a s es y s t e m t h ep a c k a g e ds o 脚a r e w o n d e r w a r ei su s e dt o d e v e l o pt h es y s t e ms e c o n d a r i l y , t h ei n t o u c hi s u s e dt 0 c 0 i l f i g u n t e t h em o n i t o r i n gi n t e r f a c e ，a n dt h ep l a t f o r mi a si s u s e dt o d e p l o vt h e s u b s t a t l o n si no r d e rt oc o n n e c tt h ed a t a b a s et oe v e r y m o n i t o r i n gp o i n t s t h ep o w e 咖l p a c k a g es o f t w a r ew o n d e r w a r ee n a b l e st h e s y s t e m t o e x c e l l e n t l va c h i e v et h e c e n t r a l l z e dm a l l a g e m e mo fd i s t r i b u t e ds y s t e m s ，w i t hs t r o n ge x p a n s i o n a b i l i t vf o rb o t h s y s t e ma n df u n c t i o n k e yw o r d s ：o p c ，l o o pn e t ，f i e l d b u s ，w o n d e r w a r e ，r e a l t i m ed a t a b a s e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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。 期： 2 - 8 _ 篁监 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘整导师签名： 。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在强劲市场需求的推动下，近年来我国钢产量以超过2 0 的增幅高速增长， 而钢铁行业消耗的能源占整个工业总量的1 0 ，能源消耗比发达国家高1 5 2 0 ，节能不仅是企业降低成本、提高产品市场竞争力的重要途径，更是企业必 须承担的促进全社会资源永续利用的重要责任，也是促进企业以及整个国民经济 可持续发展的永恒主题，利用自动化系统做好钢铁业的节能工作对我国经济和社 会的可持续发展具有十分重要的意义。 在经济快速发展的今天，当前企业的规模、经济实力、技术能力已经不再是 判断企业在市场竞争中取胜的主要条件，信息化的应用能力已成为企业在市场竞 争中的一个取胜的武器【。大型钢厂生产一线的地理分布广，具有流程长而复杂、 工艺类型多样、设备密集、产品种类繁多和组织架构复杂等鲜明的业务特点，大 部分钢厂虽然生产过程实现了自动化控制，但是生产管理仍然是人工作业，这是 远远不够的，氧气、氮气、氩气、空气及水、电、蒸汽是冶金行业生产所需的重 要能源，管网覆盖于各个用户单位，急需建立一个自动化水平较高的集中管理系 统【2 1 。 为了提高钢厂能源调度信息准确及时和快速反应的能力，为了解决钢厂的 “信息化孤岛问题，该能源调度信息系统组建了一个集办公自动化到生产过程 控制、监控、数据采集、生产调度、设备管理等为一体的企业综合信息管理系统。 该系统能实现全厂若干计量点、压力点和开关量点的实时数据采集和处理的能源 信息调度系统。本系统以数据库为基础支持大型钢厂调度信息管理活动的各个环 节和各管理控制功能的实现。生产调度部门可以通过实时的信息访问，及时地发 现问题和解决问题。 由于缺乏共用平台和统一标准，钢厂各二级单位信息资源共享性和利用率 差，信息更新不及时，安全措施不到位造成安全隐患很大，以部门信息为主，未 能及时汇总信息，不能满足现在钢厂高层决策人员掌握全局能源信息的需要。因 此，建立能源调度中心，实现钢厂各二级单位统一的共用平台和信息标准已迫在 眉睫。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 大型钢厂信息化现状 1 2 1 国内其他钢厂能源调度中心介绍 目前，国内钢铁企业认识到了建设能源管理中心的重要性，有了不少成功的 实践经验。宝钢、水钢、鞍钢、首钢、攀钢、本钢和济钢等企业先后进行了自动 化改造工作，并建设了先进程度不一的能源管理控制中心。 ( 1 ) 宝钢的现代化的能源调度管理中心 宝钢现代化的能源调度管理中心，是一个覆盖宝钢一、二、三期工程各单元 的全局性能源管理系统，其构成覆盖基础自动化、过程监控及管理三个层面的计 算机网络系统，建立了全厂范围的计算机数据通讯网络，完成了监测、控制、优 化、故障诊断等各类应用软件，实现了对供配电、给排水、动力和环保等有关能 源子系统的自动控制及监测，进而实现了能源的优化调度和管理，为宝钢生产、 管理、节能、降耗及提高生产管理水平发挥了重要作用【3 j 。 能源中心实施监控和信息管理系统的核心是能源信息，由于系统的工艺对象 覆盖宝钢全厂的各种大型能源设施，如变电站、水泵站、煤气加压站、煤气混合 站、重油泵站、蒸汽管网等，采集的过程信息达11 5 2 5 点，且分布在宝钢几十平 方公里的广大地域内，作为实时监控与信息管理系统，信息的实时采集、数据的 海量储存、二次加工等都是富有挑战性的问题，是一个典型的计算机集成信息系 统。 ( 2 ) 水钢炼钢厂自动化系统改造 水钢炼钢厂改造前，炼钢系统存在着生产能力小，装备水平低，供需能耗高， 劳动条件差，环境污染大等诸多问题，炼钢的发展己不能满足企业节能、环保、 调整产品结构和提高产品质量的要求，针对这一突出问题，公司决定对转炉系统 进行高效扩容性改造。在扩容改造项目中，针对炼钢生产工艺，结合自动化和传 动控制系统的特点，成功完成了对各个生产环节的检测、分析、计量、控制、诊 断、维护、报表和生产调度的系统集成，提高了设备装备水平和生产操作水平【4 j 。 炼钢厂改造以后的设备实现了全计算机自动控制，使用效果良好，运行可靠，维 护方便，真正实现了高效、低耗、安全、环保、标准化操作的目标，为下一步实 现水钢公司生产管理的信息化打下了坚实基础。 1 2 2 该厂能源调度现状 该钢厂内部能源控制网络相互独立，有若干个供电站所、水站、供热系统和 气站，由于没有统一的窗口，只能提供本部门的信息和业务服务，无法实现跨部 门的信息整合和业务整合。该厂能源调度中心存在以下问题g 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 能源管理缺乏规范 厂内各能源系统建设缺少统一规划和标准，能源项目重复投资开发现象严 重。建设中的控制系统结构、控制系统网络设备、运行平台、数据库选型、数据 库表信息格式及数据库管理层次结构模式各不相同。同时，在建设时没有考虑系 统衔接问题，使得不同控制系统之间无法实现数据共享和交换。 2 跨部门业务严重缺乏 从为生产服务及管理的角度考虑，各部门应实现职能协调统一，提供一站式 服务。在生产服务方面，企业和管理人员有着更多的服务需求，许多部门，以及 许多部门下的许多机构，企业和管理人员根本管不过来，他们只是希望在一个窗 口能把事情办好就够了。目前厂内各单位各自为政，跨部门业务几乎没有，“能 源调度中心 应以此为切入点，重点建设跨部门间的总体应用系统。 3 安全体系不够完备 内部局域网在信息安全管理方面的基础非常薄弱，整体上没有成熟的安全体 系结构的设计，管理上缺乏安全标准和条例，应用中缺乏实践经验。随着信息化 进程的推进，出现了许多安全问题，如有些单位内部网接入公众网，这些都带来 了潜在的安全隐患。 4 信息共享程度较低 各类能源控制系统网络化、集成化程度低。各单位、甚至单位各业务部门内 部由于信息不能共享，造成资源的浪费和数据的不一致性，难以实现信息共享。 5 数据挖掘很不充分 钢厂内部各单位有丰富的信息资源，这些信息资源具有极大的经济价值，目 前对于这些信息的综合利用还很不充分。 6 各部门发展很不平衡 各单位控制系统网络的发展很不平衡，有些单位已组建内部网并已开展网上 发布信息服务，有些单位到目前为止还未组建内部网。 7 整体急需统一规划 各单位控制系统缺少统一规划和标准，存在人为的技术封锁，各系统在各个 业务部门独立使用，自成体系，成为“信息孤岛 ，不能组合成一个有机整体。 因此，从技术上和体制上保障信息的高度共享和综合利用，成为当前迫切需要解 决的问题。 8 专业人员严重匮乏 网络和控制系统建设以及应用软件开发可以由专业公司协作完成，但系统的 使用和维护应由内部人员完成，目前绝大部分机关单位的技术队伍在规模和水平 上都不能满足要求，缺乏熟练的系统操作人员，使得系统的运行效率较低。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 该厂能源调度系统建设目标 1 3 1 调度中心关键是集中式管理 要克服发展调度中心过程中认识上的误区，一种是把现在管理职能计算机 化，用计算机系统去模仿传统的手工管理处理模式，这就等于固化和强化了现有 管理结构，不利于公司经营服务方式的改造；另一种是简单地把调度中心等同于 数据上网，以为把生产中一些数据、信息搬上网络就万事大吉，没有把生产信息 化与管理职能转变有机结合起来，只注重信息手段而忽视管理业务流程的改进。 随着信息革命的发展和信息时代的来临，管理组织形态正在由传统金字塔模 式的垂直结构，向错综复杂的、水平的网状结构转变。如果一个部门说它的生产 自动化已经实现了，而运行方式却原封不动，那么这个部门的信息化肯定是不成 功的【5 1 。该厂能源调度中心要取得成功，必须实现生产管理传统观念以及传统服 务模式的转变。 1 3 2 调度系统建设目标 该厂能源调度系统建设目标是完善能源信息的采集、存储、管理和利用完善 的能源信息采集系统，实时掌握系统运行情况、及时采取调度措施，使系统尽可 能运行在最佳状态，可将事故的发生的可能性降到最低。 针对该厂能源系统分散控制和集中管理的特点，建立能源调度中心管理系统 可以满足能源工艺系统的分散控制和集中管理，使该厂能源管理水平适应企业的 未来战略发展需要。 减少能源管理环节，优化能源管理流程，建立客观能源消耗评价体系，能源 调度中心管理系统的建设，可实现在信息分析基础上的能源监控和能源管理的流 程优化，实现能源设备管理、运行管理等自动化和无纸化，有效实施客观的以数 据为依据的能源消耗评价体系，减少能源管理的成本，提高能源管理的效率，及 时了解真实的能耗情况和提出节能降耗的技术和管理措施，向能源管理要效益。 减少能源系统运行管理成本，提高劳动生产率。作为规模较大的钢铁企业， 该钢厂现有的能源系统规模较大，结构复杂，传统的现场管理模式、运行值班和 检修及其管理的工作量大，成本高，是构成公司能源系统成本较高的重要原因。 能源调度中心的建设，将在公司的管理体制改革中起到重要示范作用。系统的最 终目标可以实现简化能源运行管理，减少日常管理的人力投入，节约人力资源成 本，从而提高劳动生产率。 加快能源系统的故障和异常处理，提高对全厂能源事故的反应能力，能源调 度可以通过系统迅速从全局的角度了解系统的运行状况，故障的影响程度等，通 4 武汉理工大学硕士学位论文 过计算机辅助信息来加快处理事故措施，限制故障范围的进一步扩大，并使系统 尽快地的正常运行。 通过优化能源调度和平衡指挥系统，可节约能源和改善环境。能源调度中心 系统的建成，将通过优化能源管理的方式和方法，改进能源平衡的技术手段，实 时了解钢厂的能源需求和消耗的状况，将能有效地减少高炉煤气的放散，提高转 炉煤气的回收率，采用综合平衡和燃料转换使用的系统方法，使能源的合理利用 达到一个新的水平。 为进一步对能源数据进行挖掘、分析、加工和处理提供条件，数据是财富， 数据可以成为信息，它将为公司的高端能源管理提供现实的可能性。 综上所述，建设能源调度信息系统能提高能源系统运行和管理的水平，减少 能源消耗，提高供能质量，强化和完善能源考核和评价体系，提高劳动生产率， 改善环境质量，逐步提高管理装备水平，使企业能源管理逐步趋于最优。 1 4 本论文的主要工作 根据课题的相关背景，结合该大型钢厂能源调度中心的项目实际，本论文提 出了能源调度信息管理系统的组网方案，研究了w o n d e r w a r e 套装软件用于工业 控制系统的优越性能，经过实际的运行，本系统效果良好，给技术人员带来极大 便利，有效地提高了钢厂信息化程度。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 针对钢厂信息化现状及其实际地理情况进行网络结构方案设计，为了构 建可靠性高的数据采集网络，采用工业上流行的单环网结构构建光纤环网，环中 的某个节点因模块故障或线路中断，都可以通过另外一条路径将数据传送出去。 根据双机热备技术设计出冗余的实时数据库服务器方案，当主服务器因故障不能 工作时，热备服务器将自动启动，接管所有工作。因而提高了整个系统的稳定性。 ( 2 ) 研究了o p c 技术和i n t e r b u s 现场总线技术，针对现场已有控制系统的现 状，将采集点分为两类，对于带有p c 操作站的控制系统利用o p c 接口采集数 据，对于不带有p c 操作站的控制系统采用i n t e r b u s 现场总线进行采集。 ( 3 ) 介绍了w o n d e r w a r e 产品f a c t o r y s u i t ea 2 工业套装软件，重点探讨了分 布式系统集中管理平台i n d u s t r i a la p p l i c a t i o ns e r v e r ( i a s ) 和实时数据库 i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 在工业控制领域的强大优势。i a s 平台使系统能很好地实现 分布式系统的集中管理。i n d u s t r i a l s q ls e r v e r 采用了高效的实时压缩算法，不论 是存储速度还是存储时间都比传统关系型数据库都要占优势得多。 ( 4 ) 利用w o n d e r w a r e 系列套装软件的各种优越性能实现能源调度信息管理 系统。本系统根据厂区采集点的实际情况，在i a s 平台上为每个子站服务器建 5 武汉理工大学硕士学位论文 立一个平台，每个平台至少建立一个引擎，在引擎下建立区域，并将相同性质的 计量点建立在一个区域中，这些点可以反映现场中某一具体的计量点值，从而达 到数据采集的目的。然后利用i n t o u c h 将采集点的数据与管网图集成为友好的人 机界面。 ( 5 ) 除了使用w o n d e r w a r e 套件之外，还通过e x c e l v b a 环境开发带有自动 刷新功能的实时数据报表，方便技术人员监测。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数据采集系统实现技术的研究 2 1 网络的构建 随着控制、计算机、通信及网络技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速 覆盖控制应用的现场设备、控制及管理的各个层次。信息技术的飞速发展，引发 了自动化系统结构的深刻变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息 系统。 在工业自动化方面最新设想的目标是，削减通向自动化各层次路径上的复杂 程度各异的联接，以跨越不同的总线技术，并借助于以太网直接建立统一的通信。 以太网作为可靠的通信标准，侧重于数据处理方面。当今的以太网满足了制造业 自动化现场级一定的要求，且得到了相当广泛的应用。但是，有些现场级的要求 是以太网所不能满足的，例如过程自动化系统中需要本质安全防爆要求等等。因 此，还需要进一步加以完善1 6 j 。 目前实际应用的方法是将以太网同现场总线相结合，利用这两种通信技术在 其各自领域中的优点，提供令用户满意的解决方案，具体表现为在控制层网络更 多地采用高速以太网技术，而在现场设备层则较多地采用现场总线技术【。 企业网络一般包含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。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。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 【8 1 。因此，企业网络是控制网络与信息网络的集成，实现集成的、统一的企业网 络成为企业综合自动化与信息化的努力目标。按照这个目标，可以在以太网基础 上将控制网络与信息网络统一构建，设计一种混合控制的网络结构，典型系统如 图2 1 所示，本系统就是采用了这种混合控制的网络结构。 7 武汉理工大学硕上学位论文 图2 - 1 集成以太控制网络系统组成 2 1 1 网络的稳定性 当以太网应用于工业现场控制时，必须具有很强的网络稳定性。如果任何一 个网络系统软硬件组件出现故障，导致操作系统、控制网络、控制设备和应用程 序甚至整个控制系统的瘫痪，就说明网络可用性差【9 】。为了提高网络稳定性，使 网络正常运行时间最大，需要可靠的技术保证网络在复杂恶劣的工业现场环境 中、网络在维护或升级时，控制系统正常工作。 工业控制网络的稳定性需要考虑以下内容： ( 1 ) 可靠性 工业现场的机械、气候( 包括温度、湿度) 、尘埃等条件非常恶劣，因此对设 备的可靠性提出了更高的要求。 在基于以太网的控制系统中，网络成了相关装置的核心，从i 0 功能模块到 控制器中的任何一部分都是网络的一部分。网络硬件把内部系统总线和外部世界 连成一体，同时网络软件驱动程序为程序的应用提供必要的逻辑通道。系统和网 络的结合使得可靠性成了自动化设备制造商的设计重点【1 0 l 。 ( 2 ) 可恢复性 所谓可恢复性，是指当以太网系统中任一设备或网段发生故障而不能正常工 作时，系统能依靠事先设计的自动恢复程序将断开的网络重新链接起来，并将故 障进行隔离，以使任一局部故障不会影响整个系统的正常运行，也不会影响生产 装置的正常生产。同时，系统能自动定位故障，以使故障能够得到及时修复。 可恢复性不仅仅是网络节点和通信信道所具有的功能，通过网络界面和软件 8 武汉理工大学硕士学位论文 驱动程序，网络可恢复性以各种方式扩展到其子系统。一般来讲，网络系统的可 恢复性取决于网络装置和基础组件的组合情况。 ( 3 ) 可维护性 可维护性是高可用性系统的最受关注的焦点之一。通过对系统和网络的在线 管理，可以及时地发现紧急情况，并使得故障能够得到及时地处理。可管理性一 般包括性能管理、配置管理、变化管理等内容。 基于以上个方面的考虑，采用环型拓扑结构组建网络来提高网络的稳定性， 此外，还采用双机热备份技术，对核，t 二, l l 务器进行冗余设计，防止意外故障影响 网络稳定性，以下分别详细介绍。 2 1 2 光纤冗余环网 根据钢厂各子站实际分布的地理位置，以及考虑到组网的可靠性原则、可扩 展性原则、开放性等原则，调度网络采用环形冗余结构，可以提高网络稳定性【1 1 j 。 冗余设计是增强系统稳定性至关重要的一环。按照冗余理论分析，所谓冗余简而 言之就是增加多余的硬件设备，以保证系统可靠工作。 本系统采用环型拓扑结构，以单环结构以太网作为主干网络，控制管理上层 交换机除了作为以太网交换机，完成交换式以太网数据交换的功能，还把传统以 太网的两端连接起来形成一个物理环。 控制交换机同时也是网络冗余管理组件，通过冗余管理程序，向相反的两个 方向接收和发送故障诊断信息，根据接收的诊断信息监视网络运行情况，并生成 网络在任意时刻的实时状态报告。交换机对网络的操作是透明的，它对网络的数 据传输不会产生影响。当网络故障发生，即网络节点或链接丢失，交换机的两个 端口仍然保持正常通信，但是因为网络故障，网络环中缺少某个目标的诊断信息， 控制交换机把诊断信息丢失作为网络故障，其内部的逻辑开关会把断开的节点链 接起来，保证网络正常继续运行。这种结构的故障检测和网络恢复可以在2 0 0 - - 3 0 0 毫秒内完成，完全满足控制需要。 这种结构利用控制交换机，同时也是冗余管理器，其两个端口实现以太网环 型拓扑结构的连接，因此通常被称作双节点冗余以太网。双节点冗余以太网可以 减少物理线路连接，网络有更快的响应时间。采用单环拓扑结构以太网作为主干 网络具备介质冗余的特点，若环中的某个节点因模块故障或线路中断，都可以通 过另外一条路径将数据传送出去，因而提高了整个系统的可靠性【1 2 j 。 环形以太网自愈图示如图2 2 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 双机热备技术 图2 - 2 环形以太网自愈图示 网络系统是否能够可靠、高速、稳定的运行很大程度上取决于服务器是否有 最佳的容错，备份手段。为了提高网络的稳定性，作为整个系统运行核心的服务 器也必须进行冗余设计。常用的方案是双机热备冗余，该技术是解决由软件或硬 件引起可靠性降低的有效措施。当主服务器因故障不能工作时，热备服务器将自 动启动，接管所有工作。双机备份结构如图2 3 所示。 以太网 磁盘阵列 2 图2 3 双机热备示意图 在该系统中，服务器采用i b mx s e r i e s ，磁盘阵列采用i b m 公司e x p3 0 0 磁 盘阵列，服务器中装有双机热备软件s e r v r a i dm a n a g e r 。s e r v r a i dm a n a g e r 是一组高可靠性的软件系统，可使联入网络中的两台服务器达到一种近乎无差错 的容错级，它运行于两台服务器之上构成一个高可用性集群，保障业务不停顿。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 高可用性集群的功能是当一台服务器出现故障后还可以保持正常的工作。为了完 成故障切换机制，s e r v r a i dm a n a g e r 完成诸如冗余资源管理，故障检测，故障 恢复，日志记录和报警工作。s e r v r a i dm a n a g e r 被设计成实时处理异常事件。 图中的两台w e b 服务器，装有相同的网络操作系统，w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 通过s c s i 总线连接到一个外存子系统。服务器通过网卡连接并经由s c s i 通道 和一个网络上的监视器侦测主服务器故障。当发生故障时，热备服务器接替故障 主机管理磁盘阵列、网络通讯、数据库等，s e r v r a i dm a n a g e r 起到主副机之间 容错切换开关的作用。 2 2 基于0 p c 的数据采集 2 2 1 传统控制系统的弊端 在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息 共享是通过驱动程序来实现的，任何一种上位监控软件或其它应用软件在使用某 种硬件设备时都需要开发专用的驱动程序，不同厂家的设备又使用不同的驱动程 序，迫使工业控制软件中包含了越来越多的底层通信模块，如图2 4 所示。 图2 4 传统的接口方式 这种开发方式存在以下弊端： ( 1 ) 访问冲突 一般来说在同一时刻两个客户应用一般不能对同一个设备进行数据读写，因 为它们拥有不同的、相互独立的驱动程序，同时对同一个设备进行操作，可能会 引起存取冲突，甚至导致系统崩溃。 ( 2 ) 不支持硬件特性的变化 由于驱动程序由软件开发者开发，硬件特性的变化将会使所有的驱动程序失 效，为适应硬件特性的变化，软件开发者必须为硬件开发新的驱动程序，这样使 武汉理工大学硕士学位论文 得工业控制软硬件的升级和维护极其不便。 ( 3 ) 重复开发和驱动程序的不一致 每个软件开发者必须为每个特定的硬件开发一个相应的驱动程序。而且各软 件开发者都从自己的需要出发，采用不同的数据交换协议( 如d d e ，o d b c 等) ， 因而造成开发的驱动程序的不一致。 为了解决上述问题，硬件制造商们一直试图开发出一种可以被任何客户应用 使用的超级“i o 驱动 程序。但是由于客户协议的不一致，这项工作至今没有取 得成功，o p c 和现场总线标准的制定正好为上述问题的解决开辟了新的道路，它 的出现为基于w i n d o w s 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。 2 2 20 p c 技术优点 o p c 全称是0 b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ( o l e ) f o rp r o c e s sc o n t r o l ，它是 微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用。o p c 以 o l e c o m d c o m 技术为基础，采用客户服务器模式，为工业自动化软件面向对 象的开发提供了统一的标准，这个标准定义了应用m i c r o s o f t 操作系统在基于p c 的客户机之间交换自动化实时数据的方、法【1 3 】。采用这项标准后，硬件开发商将取 代软件开发商为自己的硬件产品开发统一的o p c 接口程序，而软件开发者可免除 开发驱动程序的工作，充分发挥自己的特长，把更多的精力投入到其核心产品的 开发上。这样不但可避免开发的重复性，也提高了系统的开放性和可互操作性。 o p c 是以o l e c o m 机制作为应用程序的通讯标准。o l e c o m 是一种客户 服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点【1 4 】。o p c 规范了 接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保 证软件对客户的透明性，使得用户完全从底层的开发中脱离出来。 应用程序与o p c 服务器之间必须有o p c 接口，o p c 规范提供了两套标准接 口：c u s t o m 标准接口，o l e 自动化标准接口。通常在系统设计中采用o l e 自动 化标准接口。 o l e 自动化标准接口定义了以下三层接口，依次呈包含关系。 ( 1 ) o p cs e r v e r ：o p c 启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返 回o p cg r o u p 类对象； ( 2 ) o p cg r o u p ：存储由若干o p ci t e m 组成的g r o u p 信息，并用于返回o p c i t e m 类对象。 ( 3 ) o p ci t e m ：存储具体i t e m 的定义、数据值、状态值等信息。 o p c 服务器向客户应用提供一套标准的o l e c o m 接口，接口协议是开放统 一的，任何支持o l e 的应用软件都可以通过这套标准接口与现场设备通信。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 o l e c o m 的扩展远程o l e 自动化与d c o m 技术支持t c p 口等多种网络协议， 因此可以将o p c 客户、服务器在物理上分开，分布于网络不同节点上。 应用程序1 o p c 接口 应用程序2 o p c 接口 应用程序n o p c 接口 工工工 l o p c 服务器ao p c 服务器b o p c 服务器c 图2 5 通过o p c 对设备统一访问 如图2 5 所示，客户程序只需要知道如何从o p c 服务器中读取数据，而设备 接口程序( o p c 服务器) 只需要知道如何以单一的方式提供数据即可，因而使用 简单容易，使得过程控制和工厂自动化的每一系统、每一设备、每一驱动器都能 够自由地连结和通信【1 5 】。这个标准不但能够应用于单台计算机，而且可以支持网 络上分布式应用程序之间通讯，以及不同平台上应用程序之间的通讯。 o p c 技术所带来的主要好处包括：对过程数据存取有更多的选择和更好的 操作方法、享用即插即用技术带来的好处以及对开发资源的有效利用。o p c 是 以提供容易移植并具有可以满足大多数设备厂家要求的灵活性和高水平的机能 性为目标而开发的，对于制造厂商和用户来说，都可以从o p c 得到实惠。对于 设备开发者，可以使设备驱动器开发的单一化成为可能；对于应用程序软件开发 者，可以使用通用的开发工具。不必开发特别的接口，使得设备接口的开发更为 简单易行。同时可以更加容易地实现由不同供应厂商提供的设备所混合构成的工 业控制系统1 1 6 。 随着基于o p c 标准的控制组件的推广和普及，不仅使控制系统的增设和组 件的置换更加简单，而且使过程数据的访问也变得容易。过程控制程序可以直接 和数据分析软件包或电子表格应用程序连接，从而达成高度的工厂控制系统的信 息化。 2 2 3 0 p c 与d d e 的比较 在o p c 技术出现以前，d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 技术作为工程工业中的 通信标准，曾经对过程控制做出巨大贡献。d d e 是微软公司的一项数据交换，使 客户应用能够独立于数据源的开发商不必再像以往那样定义专用的接口，成为许 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 多类型的自动化设备的标准接口【1 7 1 。但是d d e 是基于w i n d o w s 消息( m e s s a g e ) 传 递而建立的技术，所以d d e 技术存在以下问题： 数据的传送速度较慢 没有安全性管理机制 开发困难 功能缺乏柔软性 可靠性也难以令人满意和信赖 所以基于先进的c o m 技术的o p c 技术将逐渐取代现在在过程控制中广泛 使用的d d e 的位置是顺理成章的事情。随着o p c 技术的导入，和过去的d d e 技术相比，在以下方面显示出它的优越性【1 8 】： ， 高速的数据传送性能 基于分布式c