（控制理论与控制工程专业论文）管控一体化系统数据集成和预处理的研究.pdf

摘要 在全球经济一体化背景下，建立一个能够提高企业竞争力的企业信息管理 系统是对我国企业的一个挑战。由于历史的原因，企业生产设备和控制系统品 种繁多，要想实施先进的企业管理模式，就必须找到一种有效的方法将这些信 息“孤岛”的信息集成起来。本课题就是在这样的市场需求下开展研究的。 本文提出了面向中小型流程企业管控一体化系统的方案。作为企业生产过 程自动化和企业管理信息化相结合的桥梁，该系统设计了基于o p c 技术的能够 与以太网连接的企业级s c a d a 系统，确定了以实时数据库、关系数据库组成 的数据仓库为数据平台的数据集成基本构架，根据流程工业的特点和e r p 的管 理理念在方案中提出了面向生产过程的实时e r p 策略。为企业管理提供了一个 良好的结构框架。 o p c 是一套基于w i n d o w s 操作平台的工业应用程序之间的组件对象模型接 口标准。o p c 自动化接口是o p c 标准的一套可选的接口，它是为商业用户利 用v b 进行开发而提供的。本文利用该接口开发设计了o p c 客户端应用程序， 并对其进行了试验和测试，证明了利用o p c 技术完全可以有效的实现异构系统 数据的集成。 生产过程中大量的时序数据直接应用到信息管理系统是不现实的，为了提 高数据挖掘的效率，本文比较深入地讨论了时序数据的预处理，提出了一种基 于线性插值理论的数据压缩方法，并对该算法进行了证明和测试，试验结果也 证明了该算法的有效性和正确性。 关键词：企业信息化；管控一体化系统；s c a d a ；o p c ；时序数据预处理 a b s t r a c t i ti sac h a l l e n g ef o rn st ob u i l dt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fa n e n t e r p r i s ee n h a n c i n gt h ec o m p e t i t i o na b i l i t yu n d e r t h eb a c k g r o u n do fg l o b a l i z a t i o n o fw o r l de c o n o m y d u et oh i s t o r i c a lr e a s o n ，m a n u f a c t u r ee q u i p m e n t sa n dc o n t r o l s y s t e m sa r ev a r i o u s w em u s t f i n do u tt h ee f f e c t i v em e t h o dt oi n t e g r a t et h em e s s a g e o f 叩h ei s o l a t e di s l a n d ”，i fw ew a n tt o e x e c u t et h e e n t e r p r i s e s a d v a n c e d m a n a g e m e n t m o d e i no r d e rt om e e tt h ea b o v e r e q u i r e m e n t so f t h em a r k e t ，t h ep a p e r i ss t a r t e d t h i ss t u d yd e s c r i b e sp r o j e c to ft h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t i o ns y s t e m o r i e n t e dt h es m a l la n dm e d i u mp r o c e s se n t e r p r i s e s a st h eb r i d g eo fc o m b i n a t i o n m a n a g e m e n t i n f o r m a t i z a t i o nw i t h p r o c e s sa u t o m a t i o n ，t h es y s t e m c o n s i s t so fs e v e r a l c o m p o n e n t s a sf o l l o w e d t h ef i r s t ，w eh a v ed e s i g n e dt h es c a d a s y s t e mb a s e do n t h eo p ct h a tc a nb ec o n n e c t e dw i t ht h ee t h e r n e t t h es e c o n d w eh a v ea s c e r t a i n e d t h ed a t ai n t e g r a t i o nf r a m e w o r kw h o s ed a t ap l a t f o r mi sd a t aw a r e h o u s e c o n s i s t i n go f t h er e a l t i m ed a t a b a s ea n dt h er e l a t i o nd a t a b a s e t h el a s t t h er e a l t i m ee r p s t r a t e g yo r i e n t e dp r o d u c t i o np r o c e s si sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o f p r o c e s si n d u s t r ya n de r pm a n a g e m e n tt h e o r y t h es y s t e ms u p p l i e st h ef a v o r a b l e f r a m e w o r k ，i nf a v o ro f t h ee n t e r p r i s em a n a g e m e n t o p ci sa r li n t e r f a c es t a n d a r d a m o n gc o m p o n e n to b j e c t m o d e l sb a s e do n w i n d o w so p e r a t i n g s y s t e m ，i ts u p p l i e sh i 曲e f f i c i e n tm e s s a g ei n t e g r a t i o n a n d i n t e r a c t i o n o p ca u t o m a t i o ni n t e r f a c ei s o p t i o n a l i ti sn e c e s s a r yw h e nc o n s u m e r u s e sv bt oe x p l o i ta na p p l i c a t i o n t h ep a p e rh a sd e s i g n e do p cc l i e n ta p p l i c a t i o n ， a n dt h ea p p l i c a t i o nw a st e s t e da n de x p e r i m e n t e d 1 1 1 em e t h o dt a k i n ga d v a n t a g eo f o p c t e c h n o l o g y t or e a l i z ei n t e g r a t i o no f t h eh e t e r o g e n e o u sc o n t r o ls y s t e mi sp r o v e d t ob ep r a c t i c a b l e i ti sn o tp r a c t i c a b l et o a p p l yam a s so ft i m es e q u e n c ed a t ai nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o nt ot h em a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m t h es t u d yh a sd e e p l yd i s c u s s e d t h et i m es e q u e n c ed a t ap r e - p r o c e s s i n gi no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c eo fd a t a m i n i n g i td e s c r i b e sad a t ac o m p r e s s i n gm e t h o db a s e do nt h el i n e a rp l u g v a l u e i ti s p r o v e d t ob ee r i e c t i v ea n dr e a s o n a b l eb y e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e n t e r p r i s ei n f o r m a t i z a t i o n ；m a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t i o ns y s t e m s c a d a ；o p c ；t i m es e q u e n c ed a t ap r e p r o c e s s i n g h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同： 作的同志对本研究所做的任伺贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储签名= 阁士嵌签字吼圳年堋蟛开 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储躲7 司士 签字日期：2 o 。；年住月珥日 舛样朋毒钆 季州 雠 眺 剔 磐 第一章绪论 第一章绪论 随着我国加入w t 0 和全球经济一体化的需求，加速我国企业信息化建设越 来越成为企业现代化的重要标志。 1 ，1 目前世界企业信息化理论技术发展状况及我国现状分析 企业信息化是一个很广泛的概念，总的来、醴就是将广泛的信息技术运用于 企业产品设计、制造、管理和销售的全过程，以提高企业对市场的应变能力。 即它是采用信息技术来支持围绕整个产品竞争能力全过程的一个整体概念，而 不是一个局部的、孤立的概斛”。 企业信息化大致可分为下面几个阶段： 第一阶段，单机的计算机应用。例如采用c a d 以提高工程设计及效率和质 量，采用会计、工资、合同等单项管理等等，与传统的手工作业方式相比，可 以提高工作效率。 第二阶段，局域网支持下的计算机应用。例如基于网络和数据库的产品设 计部门的c a d ，c a p p ，c a e 以及m r p i i 等应用。 以上两个阶段也可以称为企业的基础信息化阶段。该阶段的特点是企业的 局部部门使用，而不是一个企业整体的解决方案。不管从理论还是从技术上都 己经非常成熟了，并且其作用非常明显。它们在各自特定的领域，按照当前该 领域先进的理论，为企业的经营和管理提供有力的支撑。 第三阶段，网络数据库支持下的计算机应用综合系统。把企业的各个单元 的计算机应用，如c a d ，c a p p ，c a e ，c a m ，m r p i i ，车间管理与控制，质量保证 以至办公、辅助决策等集成起来，实现信息资源共享、优化运行，增强企业的 竞争能力。 该阶段也可以称为计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ， c i m ) 阶段，计算机集成制造( c i m ) 早在1 9 7 4 年就提出来了，c i m 实质上是一 种理念。它认为企业的各个环节组成了一个不可分割的系统，企业的整个制造 过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程，通过多方面采用信息技术 来提高系统的竞争力。 第四阶段，广域网、因特网支持下企业之间的信息集成和资源优化这个阶 段的信息化已经突破企业的界线，利用广泛的信息技术实现企业的信息化。在 第一章绪论 企业内部，在信息集成的基础l 实现过程重组和优化，如并行工程”。，通过计 算机网络环境支持，产品数据集中化、并行化。它的信息技术是全数字化的定 义，设计考虑装配，设计考虑制造，在计算机上实现反复，对开发过程实现重 建和优化。同时利用计算机技术实现虚拟制造和虚拟装配，在真f 生产出样品 之前产生“数字样品”。在企业和企业之间，实现资源优化，如敏捷制造”3 。企 业的制造和管理实现全球化，在整个全球更大范围内优化利用企业外部的各种 资源，通过结盟的形式可以更快响应市场。 在我国，这一阶段也被科技人员称为现代集成制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 阶段。 目前，美国等国家的信息化水平非常发达，不管是生产过程控制技术、系 统集成技术还是经营管理与决策系统技术，都代表了当今世界的最高水平。许 多象波音这样的大公司已经实现了诸如虚拟制造、敏捷制造以及电子商务等企 业信息化技术，具备了强大的竞争力，为公司创造了巨大的经济效益。 相比而言，我国的企业信息化水平还比较低1 4 】，虽然作为8 6 3 项目的一个 主题，c i m s 在1 9 8 6 年已经立项，到现在已有2 0 0 多家企业应用，而且也取得 了明显的经济效益，对我国的企业信息化起了重要的牵引导向作用。但据调查 表明，目前我国各种规模的企业绝大多数尚处在基础信息化建设阶段，企业的 生产制造层还远没有实现设备的高度自动化，由于我国引进的计算机软、硬件 及生产设备的种类繁多，解决异构问题的难度比国外大。而且新产品的开发设 计能力薄弱、管理粗放。所以说，现代意义上的企业信息化在我国远远还没有 普及，我国的企业信息化建设还有很长的路要走。 1 2 我国在企业信息化过程中提出的问题 在现阶段，我国企业信息化在应用推广的过程中遇到了许多亟待解决的问 题，主要表现在以下几个方面： 历史形成的异构的生产过程自动化系统之间缺少直接的信息沟通，形成 一个个信息孤岛。 企业管理信息系统和生产过程自动化系统之间相互独立，生成的管理信 息和决策信息缺乏现场信息依据。 生产过程自动化信息、生产管理信息、客户及市场信息难以融合沟通， 大量的生产过程数据、生产管理数据和客户及市场数据等信息资源不能充分利 用，无法提高企业响应市场信息的能力。 第一章绪论 新开发研制的管理和商务软件难以与企业原有的信息化系统平台进行 无缝连接。 原来面向生产的企业管理模式还没有转变过来，而现代企业管理模式应 该面向市场，以客户为中心。所以相应的企业信息化系统很难实现由大批量单 一化生产向小批量多样化和个性化生产转变。 以，e 的几个方面的问题，几乎全部都和历史遗留的问题有关。随着讨算机 网络技术的迅猛发展和市场形势的变化，企业迫切需要在更高层次上实现信息 化。但是并不是所有的企业都有能力将整个信息化系统全部更新一遍，流程工 业的自身特点也不可能这样做，而且也没有这个必要。于是，在企业转变管理 思想的基础上，利用当前的新技术来改造原来的信息系统，使之实现更高层次 的信息化，为先进的企业管理模式提供有力的支撑，成为企业的首选。 1 3 管控一体化思路的提出 我国大多数中小型企业的信息化程度还处在企业基础信息化阶段。以前由 于企业存在管理思想和模式的局限，只片面孤立地提高企业管理信息化或生产 过程的自动化，引进先进的企业管理技术或高度自动化的生产设备，却没有实 现管理信息化与生产过程自动化之间的结合。 一些流程工业企业，尤其是一些断续( 间歇式) 中型企业实施生产过程自 动化的过程中，使用了大量的不同型号的工业设备自动控制系统。由于设备引 进的时间不同，在企业中所使用的控制设备的型号也有很多种，这些异构控制 器( 如各种不同品牌的p l c 、d c s 等) 无法直接同互联网连接，也为设备之间的 通信带来了很大的困难，不便直接从生产过程自动化中采集实时数据，从而无 法实现管理信息化与生产过程自动化之间直接进行信息沟通，在工业自动化控 制上形成了“孤岛”现象。 为提高我国企业的信息化水平，在企业原来信息化的基础上，本文提出了 一个开放式紧耦合型企业信息化系统方案，称为面向实时化以制造为核心的管 控一体化系统。该系统面向自动化程度相对较高的中小型流程工业企业，意在 将企业原有的异构的自动控制系统和企业管理系统紧密结合起来，形成一个强 大开放的数据库平台，利用当前流行的企业资源规划( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l a n n i n g ，e r p ) 的管理思想，对企业内部的和外部的资源进行管理，以适应当 前以客户和市场为中心的企业管理模式。 第一章绪论 1 。4 本论文的主要工作及其章节安排 本论文的研究工作是北京长峰公司“面向实时化以制造为核心的管控一体 化系统”的一部分，在总结以前开发的企业信息系统的基础上，意与力控、 组态王t m 等国内组态软件合作开发一种经济实用的管控一体化系统。其中实时 数据库的应用研究得到了三维公司的合作和支持，作者结合项目中的实际情况， 针对数据采集及数据处理等面i 临的问题，本论文主要在以下几个方面做了研究 工作： 参与了管控一体化系统总体方案的设计工作，负责s c a d a 子系统方案的 设计； 负责基于o p c 自动化接口的s c a d a 系统的o p c 客户端应用程序的丌发； 负责时序数据的预处理方法的研究及部分算法的实现； 参与时序数据的数据挖掘理论的研究。 本论文的章节安排如下： 论文共分六章，第一章讨论了世界当前企业信息化的发展水平、趋势以及 我国企业信息化的现状，针对我国企业的特点提出了本文的管控一体化思路； 第二章就管控一体化系统的思想基础、基本构架和研究意义进行阐述，并 对该系统的可行性进行了简要的论证。 第三章对管控一体化系统进行详细的阐述，该系统分为四个部分： 能将异构控制系统集成的基于以太网的企业级s c a d a 系统。 以实时数据库和关系数据库为基础的开放式紧耦型的数据库系统。 实时数据整合软件系统，包含实时数据预处理和时序数据挖掘子系统。 实时化的e r p 系统。 、 第四章就该系统的第一部分进行详细论证，提出具体的实施方案，利用o p c 技术进行异构系统的集成，并通过实例证明利用o p c 进行数据集成的可行性。 第五章就时序数据的预处理进行了较为深入的讨论，针对不同情况对时序 数据采用不同的数据预处理方法，并通过实例实现了一个旨在归约大量实时数 据的算法。 第六章对本论文的工作进行了简要的总结，并给出未来的工作展望。 第一章 管控一体化系统基本原理及其构架 第二章管控一体化系统基本方案可行性分析 2 1 引言 随着信息技术对各行各业的渗透，生产过程自动化与管理信息化的界限正 日趋模糊。生产过程自动化的核心问题正在演变为生产过程的信息化问题。而 企业资源计划也越来越强调“时间”作为企业资源，强调管理的适时性，强调 生产过程的实时数据作为企业重要资源的管理应用，这种“融合”正同趋发展。 而且，随着网络技术的在商业和企业中的应用，外部的信息，如供货商信息、 客户信息等也可以加入进来。虽然过去它们分属于不同的领域，但是企业信息 化的总目标，要求它们结合起来。这种结合体应该是种开放式紧耦合型的企 业信息化系统，即管控一体化系统。 2 2 管控一体化思想来源以及提出的必要洼 7 0 年代中期，随着市场的进一步全球化，世界工业市场竞争不断加剧，给 企业带来了巨大的压力，迫使企业纷纷寻求有效方法，加速推出高性能、高可 靠性、成本低的产品，以期更有力地参与竞争。而另一方面，计算机技术有了 飞速的发展，并不断应用于工业领域中。 1 9 7 4 年美国约瑟夫- 哈林顿博士针对企业所面临的激烈市场竞争形势提出 一种组织企业生产的新思想。这种新思想有两个基本观点： 一是制造业中的各个部分，即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过 程、质量控制、生产指挥到售后服务的各个生产环节是不可割的，互相紧密联 系在一起。即“系统的观点”。 二是整个制造过程本质上可抽象成个数据的采集、传递、加工和利用的 过程。即“信息的观点”。 这两个紧密联系的基本观点构成了c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ) 的概念，而c i m s 是基于c i m 哲理构成的系统。c i m 哲理的提 出，引起了各国的重视，许多国家纷纷列入国家重点计划，并取得显著成效。 8 0 年代至9 0 年代，c i m 进入了一个迅速发展的阶段，在其内涵与概念上 都有了许多新的丰富，并与许多新概念相结合，形成互补。例如人工智能( a i ) 、 准时制造( j i t ) 、精良生产( l e a n p r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、 第一章管控一体化系统基本原理及其构架 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 等。 c i m 是针对整个制造业提出的，流程工业的c i m s 具有自己的特点。流程 工业是指通过混合、分离、成型或化学反应使原材料增值的行业，其生产过程 一般是连续的或成批的，需要严格的过程控制和安全性措施，具有工艺过程相 对固定、生产周期短、产品规格少批量大等特点，主要包括化工、冶金、石油、 电力、橡胶、制药、食品、造纸、塑料、陶瓷等行业。 一方面，生产现场需要采集大量的生产过程数据、工艺质量数据、设备状 态数据等，并及时处理大量的动态数据，保存有用的历史数据，以图表、图形 的形式显示。 另一方面，生产计划、工艺控制、新产品开发等部门非常需要使用这些保 存下来的历史数据来指导生产、优化生产。 另外，为适应市场和客户的要求，需要将网上的信息( 如市场客户信息、 电子商务等) 和企业内部信息进行处理，为经营管理者辅助决策，然后将决策 通过管理的形式或以直接下达给自动生产设备的方式来控制和优化生产过程， 使企业的生产过程保持柔性。 根据c i m 理念，流程工业的生产、管理、外部信息三者构成了企业赖以生 存的一个系统，系统内部的各种信息通过采集、传递和加工处理使系统高效币 常运转。可见三者之间应该紧密结合，互通信息。我们就把这种开放式耦合型 的企业信息化系统称为流程工业的管控一体化系统。 制造业( 包括流程工业) 发展到今天，企业市场的竞争实际上是企业信息 化水平的竞争，表现在： 产品开发周期越来越短。基于管控一体化系统的产品开发，其周期将大 大缩短，其依赖于对大量历史数据的数据挖掘和企业计算机网络的支持。 企业管理越来越高效。管控一体化系统使产品的设计、制造、管理、销 售和服务可以在同一个平台上实现，使得管理成本降低，更加有的放矢。 可以更加有效地满足市场上个性化的需求。市场上个性化需求越来越普 遍，企业不得不面对从原来单一品种、大批量生产向多品种、小批量生产的转 变，这就要求企业生产具有较好的柔性，管控一体化能够较好地解决这个问题。 全球化的趋势要求企业能够对外部环境的变化作出迅速的反应，还要注 意充分利用外部资源，管控一体化系统应该能够和因特网进行无缝连接。 基于c i m 的管控一体化系统融合了现代企业管理的理念，成为企业建 立现代化企业管理模式的有力支撑。 第二章管控一体化系统基本原理及其构架 特别对于我国企业信息化水平较低的中小型流程工业企、也迫切需要寻找 。种切实可行的途径，实现第二阶段乃至更高阶段的企业信息化。 2 3 管控一体化系统方案确定及可行性分析 管控一体化系统有，“义和狭义的两个概念。广义地说，管控一体化系统是 一个真f 意义上的企业信息化系统。它基于以太网技术构成一个开放的信息系 统，包括生产现场的自动化设备、各种异构自动化系统集成的企业级s c a d a 系 统、企业管理系统( 本系统使用e r p 系统) 、以及和因特网进行连接的办公自动 化、电子商务等。 狭义地说6 1 ，管控一体化系统是生产自动化系统和企业管理系统相互进行数 据通讯的连接部位，它具有将异构自动化系统集成在一起的s c a d a 系统，和用 于数据交换的统一的数据库平台。一方面，生产过程的实时数据可以直接集成 在其中的实时数据库服务器中：另一方面，企业管理过程中的数据可以利用其 中功能强大的关系数据库服务器。 随着i n t e r n e t 技术的迅猛发展以及电子商务应用的逐渐普及，e r p 的内容 和概念也发生了深刻的变化。首先，一个现代意义上的企业管理系统应该是基 于i n t e r n e t 的，只有这样才能适应企业制造和管理的全球化；其次，一个现代 意义上的e r p 系统应该是信息高度集成的管理系统，制造、供销和财务是系统 不可分割的组成部分。特别是制造信息的集成，对于企业信息化程度向更高阶 段的发展具有十分重要的意义，不管是并行开发、虚拟制造还是敏捷制造，都 要依靠制造信息的高度集成。 另外，随着工控领域标准的逐步确立，越来越多的设备制造商和开发商开 始提供具有标准接口的工控设备，考虑到企业未来的发展，管控一体化系统也l 应该具备与这些标准接口通信的能力。 基于以上考虑，现代意义上的管控一体化系统应该具备以下特征： 具有分布式开放结构，这就要求系统的主要结构是基于以太网的，即能 够和i n t e m e t 进行连接的。 具有统一的紧密耦合的开放的数据库平台，使制造信息和其他信息能够 进行统一管理，实现制造、供销、财务信息的集成。 s c a d a 系统应该具有标准的接口，便于异构自动控制系统的集成和自 动控制系统的新增和维护。 具有对基于数据仓库概念的各种各样的数据进行数据挖掘的能力，从而 第二章管控一体化系统基本原理及其构架 使e r p 系统具备准确及时的信息来源，使企业保持高度的柔性。 基于t c p i p 协 义的以太网本身就具备分御式和开放性的特点，而且现场总 线的产生使得传统的控制系统结构变成了新型的网络集成式的控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，利用一定的技术可以很容易地使f c s 与以太网 之间进行通信。由于光纤技术的发展，以太网上信息的传输在速度j ! = 已经不存 在问题。 实时数据库技术是工控领域中一个热点，其研究的主要方向是分布式、开 放型。一些成果正在实践中得到应用，其开放的应用程序开发接口( a p i ) 使得 与关系型数据库紧密耦合成为可能。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术是为过程控制软件设计的基于 c 0 m d c o m 技术的标准，而d c o m 是协议中性的，可以使用包括t c p i p 在内的各 种传输协议。而且工f 在逐渐成为过程控制领域的标准。 数据挖掘技术已经成为国际计算机科学界的一大热点，已经有大量成熟的 技术和理论在实践中应用，对于工业过程中产生的大量的时序数据的挖掘虽然 是一个崭新的领域，但仍然可以找到许多理论和技术上的借鉴。 另外，本系统应该立足于我国中小型流程工业企业的现状，融合当前企业 信息化的新思想，使用符合当代企业管理模式的e r p 系统，以提高企业的信息 化程度和提高企业的竞争能力为目的，顺应我国企业未来发展的趋势，只有这 样才会具有广阔的前景和强大的生命力。 2 4 管控一体化系统的基本构架 该系统以以太网为基础，以统一开放的数据库平台为中心，为生产过程和 企业管理提供了一个良好的信息化环境。生产过程自动化系统和实时数据库直 接通讯，e r p 系统的数据库是关系型数据库，这两种不同类型的数据库系统通 过各自开放的接口进行交互。考虑到中小型流程工业的规模以及存储技术的发 展，一般来说，这两种类型的数据库应在同一个w e b 服务器上，通过网络的发 布功能，企业内部生产现场的画面监控和业务层的管理都可以在浏览器上进行， 通过一定的权限的设置，可以满足不同岗位的需要。在这种环境中，不但生产 过程自动化系统和企业管理系统之间可以互相通信，它们还可以和基于因特网 的电子商务、办公自动化等系统进行通信。因而该系统是一个涉及企业内部各 个领域、辐射企业外部因特网的开放式紧耦合型的企业信息化系统。 管控一体化系统的基本构架如图所示： 第二章管控一体化系统基本原理及其构架 现场设备现场设备 现场设各 图3管控一体化系统结构原理图 第三章管控一体化系统理论研究及应用开发 第三章管控一体化系统总体方案设计及其理论研究 流程 ：业企业信息化功能结构框架，可以描述为五层功能层次”1 ，如图3 l 所示： 决策层 管理层 调度层 监控层 控制层 图3 一l 流程工业企业信息化总体结构框架( 五层结构模式) 流程工、l k 自动化涉及整个企业的牛产控制层、监控层和调度层；而流程工 业管理现代化，至少涉及到管理层( 包括财务、人力资源、供应链管理以及多 种方式的制造管理) 以及决策层( 包括经营、生产决策) 。这两个领域，随着网 络技术、计算机技术、自动化技术以及企业经营管理思想、模式的发展，彼此 互相渗透，形成一种统一的企业信息化模式。本文研究的是狭义的管控一体化 系统，即生产自动化系统和e r p 系统的结合部位，如图3 2 所示。 生产蛄控实时e r p 实时数据实时数据 图3 2 管控一体化系统工业自动化与e r p 系统的桥粱 第三章管控一体化系统理论研究及应用开发 本文提出的管控一体化系统包括4 个部分：s c a d a 系统、数据库系统、数据 预处理和数据挖掘系统以及实时e r p 系统。 3 1基于以太网连接的s c a d a 系统 3 流程工业s c a d a 现状分析 目前，在流程工业( 或间歇式流程工业) 中，p l c 和d c s ( d i s v i b u t e dc o m r o l s y s t e m ) 是两类影响最大的计算机控制系统。d c s + p l c 控制系统目前在流程j ： 业企业中已占主要地位，传统的工业控制大多采用专用系统。虽然专用系统具 有高可靠性等优点，由于专用系统的不兼容，导致用户在设备选择方面受到限 制。 近年来控制系统更呈现多元化格局，现场总线控制系统f c s 和以p c 为基础 的控制系统都有了重要发展。通用系统逐渐进入工业控制领域，基于w i n d o w s 操作系统( 尤其是w i n d o w sn t ) 的p c 系统在工控领域，尤其是基于现场总线 的控制系统中占据了越来越大的份额。 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统需要解决的问题就 是如何实现各种异构控制系统的数据集成，以消除信息“孤岛”，企业级s c a d a 系统面临的关键问题是如何把这些多元化的异构控制系统联成统一网络，实现 数据集成。 3 1 2 s c a d a 系统方案分析 在操作系统上，u n i x 和o s 2 等一直是工业系统的首选。主要是由于这些系 统的实时多任务的处理能力和高可靠性，这两个方面一直是工控领域决定性的 要求。但是，由于w i n d o w sn t 以及以后版本都支持多任务，可靠性很强，而且 已经经过长时间的验证。考虑到其通用性和性价比，应选用w i n d o w s 操作系统 作为工控软件的平台。 以太网由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的 通信领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信。现在更有进一步直接应用 到工业现场的趋势。以太网具有成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可 持续发展潜力大等诸多明显的优势，成为企业级s c a d a 系统的网络解决方案。 因此，各种异构控制系统的数据集成就转化为如何实现各种异构控制系统同以 太网的连接。 实现的异构控制器同以太网连接方案可以有两个： 第乏章管控一体化系统理论研究及应用开发 改造这些异构控制系统，使它们具有同以太网的连接功能； 通过加入的网关装置达到同以太网的连接目的。 前者，往往要涉及对各种控制系统的技改，对于一个已经和f 在运转的系 统来况比较麻烦。 后者相对独立性较强，对原来正在运转的控制系统影响较小，而且可以同 时兼顾到设备以后的升级和更新。因此，可以采用网关装置解决方案。 网关装置实现的功能需要包括以下几点： 同以太网联网； 能同控制系统设备p l c 、d c s 回路控制器或智能仪表进行通讯； 能同各种现场总线控制系统( f c s ) 具有标准的接口； 同管控一体化系统的实时数据库服务器进行高效可靠的数据通讯。 网关装置的硬件平台一般采取工业控制计算机或者嵌入式工业计算机，通 过串行接口同异构控制器通讯，用以太网卡可以连接到i n t e r n e t 上。 软件平台包括操作系统和网关软件两部分，操作系统根据硬件不同可分别 采用w i n d o w s n t 或者w i n d o w sc e ，网关软件主要包括允许无限点要求的实时数 据库、各种异构控制器的驱动程序以及其他通讯软件“。 3 1 3s c a d d a 通讯方案比较与分析 s c a d a 通讯问题主要有两个方面： s c a d a 监控站与现场设备之间的通讯。 分布式的$ c a d a 监控站与实时数据库服务器之间的通讯； 对于s c a d a 监控站与现场设备之间的通讯，除了考虑企业现有的各种各样 的设备需要根据各自的通信协议使用不同的驱动程序之外，对当前流行的各种 现场总线的通信是管控一体化系统主要研究的问题。 工控机和现场总线通信的时候，一般都基于一块能够与现场总线通讯的板 卡。这是一块基本的物理设备，负责解释现场总线协议，发送和接收数据、接 收中断等。采用哪种类型的协议关系到管控一体化系统的通用性和可扩展性， 本文在讨论各种方案可行性和优缺点的基础上，试图得出一种实用有效的方案 1 0 0 第一种方案，“硬件+ 专用软件”，如图3 3 。 专用软件中的主程序需要完成所有的中断响应，访问i o 端口，处理所有 变量，并且负责管理用户界面。这是一种完全集中式的设计方案，不符合s c a d a 第二章管控一体化系统理论研究及应川开发 系统分布式通用性的初衷，显然不是一种好的设计。 图3 3 方案一模型 第二种方案，“硬件+ d l l + 应用软件”。 图3 3 方案二模型 这种模型中软件有两部分组成：一部分d l l ( 动态连接库) 负责和硬件通讯， 另一部分负责数据处理和用户界面。其中d l l 由系统硬件供应商负责开发，也 可以由第三方厂商提供，它通过函数库为软件提供一组接口，使得软件开发时 工控机与现场总线之间实现透明的事务处理。这样，过程控制系统就具有一定 的灵活性和互操作性，较第一种方案先进一些。 第三种方案，“硬件+ o l e d d e 服务器+ o l e d d e 客户机”，如图3 - 4 所示。 基于w i n d o w s 的s c a d a 系统应该支持d d e 和o l e ，这是一种基于客户机n 务器模式的技术。该方案中，仍保留d l l 作为服务器的一部分，服务器通过d l l 从现场总线网络中获取数据，借助d d e 和o i 。e 客户端提供数据信息。但是，d d e 或者o l e 作为一种技术，并不是一种标准，不同丌发商提供的客户程序有可能 与客户程序不完全兼容。如果可以制定一种标准，实现接口的标准化，就可以 第三章管控一体化系统理论研究及应用开发 实现全面的兼容。诈是基于这种需求，0 p c ( 0 h ef o rp r o c c e s sc o n tc 0 1 ) 标准被 提出来，并正在广泛应用。 图3 - 4 方案三模型 第四种方案，“硬件+ o p t 服务器+ 0 p c 客户”。 o p co p c d 到 o p c 定制 j 服务 l j t 1 自动 接口化接 器 口 王 d 匕：j 瓤总线q 现场总线板卡 i ll 图3 - 5 方案四模型 该模型中，符合o p c 接口标准的服务器一般由设备生产商提供。这种0 p c 服务器有两种接口，分别适用于不同的开发用户，用户可以根据自己的情况选 择使用定制接e l 或者自动化接口来访问0 p c 服务器。由此可以看出，该模型中 的0 p c 服务器的接口标准化，而且0 p c 的服务器客户体系结构是多对多的一种 结构，非常符合s c a d a 系统对灵活性和开放性的要求。 有关0 p c 技术的细节将在第四章进行详细的讨论。 3 1 4 基于以太网连接的s c a d a 系统体系结构 如上所述基于以太网连接的企业级s c a d a 系统的拓扑结构图如图3 - 6 所 7 r i 。 第三章管控一体化系统理论研究及应用开发 e 层组态软件实时数据库系统浏览器1浏览器n w e b 应用服务器 i ei e 0 p cc l i e n t l 以太网 l l ；1 o p c s e ii o p c s e ll o p c s e | ；1 月关髓备ii - l 网关设备nii 网关设簖l 新增系统 ll 驱动程序ll 驱动程序l i 。k 罂t i 以太网 ；i 现 i lll l l 鬈 p l c 或 坚。型卜荠| | ”寻 d c s ： 现场设备 线 总i l 1 io c s 系统il 儿c 图3 - 6基于以太网连接的s c a d a 系统体系结构图 该系统具有多层拓扑结构，系统包括底层、中层、上层和浏览器层共四层。 底层也即控制系统层，主要包括异构控制设备或系统( p l c 、d c s 、智能仪表、数 采模块等) ，该层提供串行接口或设备网卡及其通讯协议。 中层即连接层，采用网关装置把底层异构控制系统实时数据通过网关软件 的驱动程序或0 p c 等技术集成到网关的实时数据库中。网关实时数据库利用0 p c 技术同上层的w e b 实时数据库服务器进行通讯。 上层即服务器层，w e b 实时数据库服务器把连接层多个网关( 可达几十个) 的实时数据集成到w e b 应用服务器上的组态软件实时数据库中。同时通过组态 软件组态形成实时过程的各种流程图、棒图、动画、实时及历史趋势、报警以 及报表等画面，并利用该组态软件的w e b 功能把形成的所有画面以网页形式发 布。 在浏览层，只要具有i p 地址，经注册批准具有权限，利用口令即可利用通 用浏览器浏览实时过程画面，同时对于具有特殊权限的用户，还可通过浏览器 进行报警设置以及远程控制。 3 2 包括实时数据库和关系数据库的开放式紧耦型数据库系统 流程工业的特点要求全过程的实时监控，高速的实时数据处理，长期的历 史数据存储，以及生产信息的集成和共享。要满足上述流程工业对生产数据的 第三章管控一体化系统理论研究及应用开发 处理要求，仅靠大量采用集散式控制系统( d c s ) 和关系数据库技术并不能完全 解决问题。d c s 数据存储能力有限，同时企业中异构的d c s 无法进行数据的共 享。而关系数据库数据处理速度低，关系数据模型无法对生产过程数据进行高 效的存储。因而在大型流程工业中，常常会造成生产控制信息孤岛和历史数据 的真空。 为了解决上述问题“”，实时数据库将作为一个关键的支撑技术引入管控一体 化系统体系结构。结构开放的分布式实时数据库系统不仅可以高效地处理和存 储生产过程中的实时数据，为生产过程控制优化、工艺改进和经营决策提供实 时数据和完备的历史信息，还可以作为生产控制与管理的桥梁向下集成生产控 制系统，向上通过与关系数据库的无缝连接集成管理决策系统，从而实现生产 设备、异构控制系统与生产经营的集成，为经营决策、计划调度、先进过程控 制、质量监控等分系统提供高速、统一的数据平台。 3 2 1 基于o p c 技术的实时数据库平台 实时数据库通信组件要求能够提供标准的接口模块，能够支持o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 以及开放数据库互联( o d b c ) 等标准接口，还要提供开放的 a p i ，以便对相应的数据库系统、控制系统和自动化设备进行方便地集成。 考虑到o p c 技术已经逐渐成为过程控制领域软硬件的接口标准，实时数据 库主要的通讯功能应该是基于o p t 技术的。 一方面，实现o p c 客户端的功能，主要负责与现场系统的o p t 服务器进行 通讯，实现数据采集和数据回写。还要将采集的数据进行加工，形成历史数据、 报警数据等。 另一方面，实现o p c 服务器的功能，主要是实现o p c 接口，供其他应用程 序( 如本地监控程序、远程监控服务器及各种高级控制程序等) 来访问实时实 据库的数据。 由于数据采集、处理、存储和查询都有较高的速度和时间连续性要求，所 以实时数据库的存储模型的建立也是一个复杂而艰巨的任务，在此不作深入的 研究。其基本原则是根据不同的数据功能建立相适应的数据存储模型，合理使 用动态内存和磁盘空间，使用高效的索引查询算法以及压缩解压缩算法。实时 数据库的数据根据其形态可分为动态的