（电力电子与电力传动专业论文）管控一体化及其集成技术研究.pdf

关键词: 管控一体化， 数据库，集成， x ml ，工作流 i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m a n d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m a r e e s t a b l i s h e d s t e p b y s t e p f o r t h e n e e d s o f p r o d u c t i o n a n d m a n a g e m e n t. f o r n o t h a v i n g u n i f i e d a r c h i t e c t u r e a n d f r a m e w o r k , n o t c o n s i d e r i n g t h e m o d e o f c o m m u n i c a t i o n a n d c o o p e r a t i o n , t h e e s t a b l i s h e d s y s t e m s a r e i s o l a t e d a n d s e l f - g o v e r n e d f r o m e a c h o t h e r . f o r r a i s i n g s y s t e m a t i c a u t o m a t i o n l e v e l i s t o r e d u c e c o s t a n d r a i s e p r o d u c t i v i t y . t h e e n t e r p r i s e s n e e d t o d e v e l o p t h e i n f o r m a t i o n s y s t e m t h a t t h e i n f o r m a t i o n i s i n t e g r a t e d u n i f o r m l y a n d e v e r y p a r t o f s y s t e m c a n c o o p e r a t e m u t u a l l y . i n o r d e r t o f i n i s h t h e p r o d u c e s t a s k , t h e c o n t r o l s y s t e m n e e d s t h e m u t u a l c o m m u n i c a t i o n a n d c o o p e r a t i o n ; i n o r d e r t o c o m p l e t e m a n a g e m e n t p r o c e s s , t h e m a n a g e m e n t s h o u l d b e h i g h l y i n t e g r a t e d . c o n t r o l s y s t e m s h o u l d c o m m u n i c a t e w i t h m a n a g e m e n t f o r t h e i n t e r a c t i o n o f c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t . t h i s p a p e r i s b a s e d o n t h e d e v e i o p i n g w o r k o f p i e r p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m o f t h e n a n t o n g e l e c t r i c p o w e r p l a n t f u e l - t r a n s p o r t i n g c o m p a n y . o n t h e f o u n d a t i o n o f c o n t r o l s y s t e m , w e w i l l d e v e l o p i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m w h i c h i s i n t e g r a t e d w i t h c o n t r o l s y s t e m a n d a i m a t i n t e r n a l m a n a g e m e n t s t a n d a r d i z i n g a n d o p t i m i z a t i o n o f c o n t r o l . t h e m a i n a i m时 p a p e r i s u n d e r e x i s t e d p r o d u c t i o n c o n d i t i o n ， h o w t o g e t a m o d e b a s i n g o n t h e p o r t p r o d u c t i o n p a t t e r n , a n d t o m a k e t h e m a n a g e m e n t a n d c o n t r o l i n t e g r a t e d b y u s i n g i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y s u c h a s m i d d l e w a r e , r e a l 一i m e d a t a b a s e , w o r k f l o w , c o m p u t e r n e t w o r k , c o n t r o l s y s t e m e t c . m a i n c o n t e n t i n c l u d e s : o n t h e f o u n d a t i o n o f d e v e l o p e d c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t n e t w o r k , h o w t o i n t e g r a t e d n e t w o r k ;o n t h e f o u n d a t i o n o f c o n t r o l s o f t w a r e a n d r e l a t i o n d a t a b a s e , h o w t o f i n d a w a y t o c o m m u n i c a t e ; h o w t o e s t a b l i s h t h e i n t e g r a t e d m o d e l o f m a n a g e m e n t a n d c o n t r o l ， a n d g e t t h e s o l u t i o n t o i n t e g r a t e m a n a g e m e n t a n d c o n t r o l p r o c e s s ; h o w t o g e t t h e s o l u t i o n o f d a t a - i n t e g r a t e d a n d d a t a - s h a r i n g . b a s e o n t h e f o r m e r , h o w t o d e v e l o p p r o d u c t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m w i t h w o r k f l o w m i d d l e w a r e . t h e f i r s t p a r t o f p a p e r h a s s t a t e d i n t e g r a t e d r e q u i r e m e n t a n d p r e s e n t s i t u a t i o n o f i n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m a n d m a n a g e m e n t s y s t e m , a n d h a s e x p l a i n e d b r i e f l y v a r i o u s t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t n e e d e d i n t h e c o u r s e o f i n t e g r a t i n g , s h o w e d t h e m a i n t a s k o f t h i s p a p e r t h e s e c o n d p a r t s h o w s t h e w a y t h a t a d d i n g a v i d e o s e r v e r o n i n f o r m a t i o n n e t w o r k m a k e s i n d u s t r i a l t e l e v i s i o n m o n i t o r i n g n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n n e t w o r k i n t e g r a t e d , a n d a d d i n g r e a l 一 i m e d a t a s e r v e r o n c o n t r o l n e t w o r k m a k e s c o n t r o l n e t w o r k a n d i n f o r m a t i o n n e t w o r k i n t e g r a t e d . t h e t h i r d p a r t n a r r a t e s t h e r e a l 一i m e d a t a t r a n s m i s s i o n a n d i n t e r f a c e i n c l u d i n g d d e , o d b c , o p c a n d i h i s t r o i a n , a n d h o w t o t r a n s m i t t h e s w i t c h e d r e a l 一 i m e d a t a w i t h o d b c，h o w t o t r a n s m i t t h e s i m u l a t e d r e a l 沈 i m e d a t a w i t h o p c . t h e f o r t h p a r t i n t r o d u c e s t h e p r o c e s s o f e s t a b l i s h i n g m a n a g e m e n t a n d c o n t r o l u n i f i e d m o d e l ， w h i c h i s b a s e d o n t h e p l a n m o d e l ， m a n a g e m e n t m o d e l a n d t h e d e c i s i o n m o d e l o f c o a l t r a n s p o r t a t i o n , a s w e l l a s s h o w s t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e s e m o d e l s . t h e f i f t h p a r t s h o w s t h e p r o c e s s o f d e v e l o p i n g 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 , w h i c h i s b a s e d o n t h e x m l d a t a - i n t e g r a t i n g m i d d l e w a r e a n d w o r k f l o w m i d d l e w a r e , a s w e l l a s t h e a r c h i t e c t u r e 叶 s y s t e m . f i n a l l y e x p l a i n s s y s t e m a p p l i c a t i o n c o u r s e w i t h p l a n m a n a g e m e n t s y s t e m f o r e x a m p l e . k e y w o r d s : c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t i n t e g r a t i o n , x m l , w o r k f l o w , d a t a b a s e , i n t e g r a t i o n g r a d u a t e s t u d e n t : h e x i n g l i a n g c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t i n t e g r a t i o n a n d i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y d i r e c t e d b y : p r o f e s s o r c h u j i a n x i n a n d g u w e i 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 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 。 其 他 同 志 对 本 研 究 的 启 发 和 所 做 的 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 了明 确的 声明 并表示了谢意、 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 迸妇纹复 印 件， 允 许 论文 被 查 阅 和 借 阅 、 学 校 可 以 上 月 公 布 论 文 的 全 部或 部 分 内容， 可以 采用影印、保密的 论 师签名:日 期 : 之 , ( l 上海海运学院硕士论文概论 第一章 概论 1 . 1 信息管理系统和控制系统 1 . 1 . 1 工业控制系统的现状及其在信息管理方面存在的问题 工业控制系统是基于被控对象要求建立起来的。随着技术的更新和生产的需 要， 各种控制系统和测控设备出现在生产现场。由 于没有充分考虑设备之间的协作 和互操作问题，各种控制系统的集成问题， 或者基于过去的现状没有充分考虑上层 管理系统对控制系统的要求。底层的工业控制系统在发展和完善的过程中成为了一 个个单独的控制体，也即控制信息孤岛。 这不但使设备之间和各个控制系统之间不 能够共同通信协作完成一个完整的工作流程，同时随之而来的控制和操作的复杂化 和多样化也造成了人力物力的浪费。面对更多的设备和控制系统，需要不断增加人 力和物力，这使企业的上层管理工作流程和决策环境复杂化。 1 . 1 .2 信息管理系统的现状及其对控制系统的要求 信息管理系统更多是基于上层业务流程，在建立上层业务流程模型的过程中， 根据企业管理的现状，考虑最多的是怎么样让业务流程正确运行，各个业务工作点 正确执行，各种文档和表单的正确流转，达到企业管理信息化，无纸化高效率的目 的。很少考虑怎样去对下层的工业控制系统进行控制，实现上层管理系统的业务操 作点在生产现场中得到具体的映射。 实现信息的正确化、准确化、共享化，必须要求底层控制系统提供原生数据， 信息系统中流程的规范化和正确执行，需要控制系统和企业管理系统进行交互操 作。 企业管理系统发出生产的控制指令， 控制系统执行指令并且反馈执行结果。 管 理系统不但要实现业务流程的正确运转，还要根据业务具体要求及其专家系统和模 型库生成正确的控制指令. 这就要求信息管理系统在控制系统反馈数据的基础上进 行再次的采集，即在生产实时数据库的基础上建立过程历史数据库，让业务流程得 到正确的数据以便正确执行。 1 . 1 .3 控制系统和管 理系统的 集成阶段 第一阶段:实现生产设备的计算机控制: 第二阶段:实现对上层业务流程的部分计算机管理; 上海海运学院硕士论文 概论 第三阶段:对底层控制系统实现内 部整合，使各种生产设备和控制子系统网络 化、一体化、协作化; 第四阶段:对上层管理系统各个模块和子系统实现内部整合，使企业内部运作 规律化、共享化、集成化; 第五阶段:实现信息管理系统与控制系统的整合集成，实现管理控制一体化， 并在此基础上建立专家系统和决策管理系统，实现企业管理的智能化、科学化。 1 .2 管理与控制一体化及其集成系统技术的发展状况 1 .2 . 1 d c s 系统的发展 上世纪 50 年代以来，随着大规模集成电路技术的发展，为计算机用于工业生 产过程控制创造了良 好的条件，也为新型控制系统的研发提供了条件。工业控制逐 步地从单 机监控、 直接数字控制d d c ( d i r e c t d i g i t a l c o n t r o l ) 、 集中 控制系统c c s ( c e n t r a l c o n t r o l s y s t e m ) 发 展到以多台 微型计算 机为 基础的 新型 控制系统，即 集 散型 控制系统， 又名分布式计算机控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 。典 型的集散型控制系统，其结构如图1 - 1 所示. 计算机 专用网络 工控计算机 现场设备现场设备 图1 - 1 典型集散型控制系统结构图 图1 - 1 所示的这种典型集散型控制系统，由 计算机工业控制网络构成。 现场的 过程控制在控制管理级上，用一台或数台计算机作为控制工作站， 通过工控网络总 线连接，既相互独立又相互联系，实现生产的监控全过程。因此，集散型计算机控 制系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控 制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信 网络技术和人机接口技术相互发展、 渗透而产生的， 既不同于分散的仪表控制系统， 上海海运学院硕士论文概论 又不同于集中式计算机控制系统，是吸收了两者的优点， 采用 “ 集中控制、分散管 理、危险分散”的设计思想，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有 很强的生命力和显著的优越性，适应现代化工厂生产的控制和管理要求。 然而，企业面对市场竞争的压力，对控制系统提出了更新、更高要求。现有集 散型控制系统在其形成过程中，受到早期计算机系统封闭的影响，各个厂家产品自 成体系， 不同的厂家设备不能互联，难以实现互换互操作。 面对这一固有的难以消 除的 缺陷， 我们必须引入现场总线技术，让d c s 系统具有开放性。 1 .2 .2 f c s 技术 现场总线控制系统 ( f c s -f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m) 是2 0 世纪8 0 年代发展起 来的一种能在工业现场环境运行的，性能可靠的，价格低廉的通讯系统。 f c s 组成 底层的控制网络，完成设备与设备之间，控制系统与外界之间的多点数字通信，实 现信息交换。 现场总线是连接现场设备与控制室装置之间的全数字、串行、双向、多点的网 络通信系统。 现场总线控制系 统( f c s ) 是 将现场总 线技术应用于具 体的生产过程， 构 成网络化、 分散化的自 动化控制系统， 具有很多优点。 但是现场总线技术标准过多， 且只能解决现场测控问题，很难实现整个控制系统的先进控制，复杂控制，优化控 制，而 d c s是一种成熟和得到广泛应用的技术， 将会长期在生产现场存在，所以 f c s 必须要和d c s 进行集成。 1 . 2 .3 o p c技术 o p c c o l e f o r p r o ce s s c o n t r o l ) 是 过 程 控 制中 的 对 象 链 接与 嵌 入 技 术， 是 解 决 工业控制中应用软件与各种设备驱动程序之间的数据通信而建立的。 o p c规范了接 口函数， 不管数据源以何种形式存在，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， 使得用户完全从低层的开发中脱离出来。 基于o p c的软件结构如 图1 - 2 所示。 1 # 应 用 程 序 2 # 应 用 程 序 opc接口 opc接 口 1 #o pc服 务 器 3#opc服 务 餐2 # opc服 务 器 图1 - 2基于o p c的软件结构图 上海海运学院硕士论文 概论 o l e 是该技术的重要组成部分， 这种技术可以 把各种数据格式描述为对象， 使 该对象能够在不同的厂家的应用程序之间进行交换合成及其处理，为应用程序之间 的信息集成和交互提供了强有力的手段。利用这种技术，在现场信号传到监控计算 机以后，我们可以实现该计算机内部各应用程序之间的信息沟通和传递，让现场信 号和各个应用程序连接起来，现场信息出现在计算机的各个应用平台上。同样，利 用该技术我们可以实现工业控制系统与信息管理系统之间的数据交换，实现两者的 集成。 1 . 2 . 4 wo r k f l o w技术 通常情况下，更广泛地把凡是由 计算机软件系统 ( 工作流管理系统) 控制其执 行的过程都称为工作流 ( wo r k f l o w)，它是针对工作中具有固定程序的常规活动而 提出的一个概念。将工作活动分解成定义好的任务、角色、规则和过程来进行执行 和监控，可以提高生产组织水平和工作效率的目的。 对比于传统的手工业务流程，工作流管理通过跟踪工作流各个活动的状态，自 动协调由人或应用软件完成的业务活动并且让业务过程自动流转;工作流管理系统 通过分隔过程逻辑与业务逻辑来提高系统的灵活性，提高软件重用性及异构软件的 集成度。 工作流管理系统可以用来定义与执行不同覆盖范围、不同时间跨度、使用不同 资源、执行角色各异、启动不同应用程序的管理流程，且可以根据实际应用背景进 行具体的定制。根据企业决策系统和专家系统模型而制定的宏观管理计划可以通过 工作流模型实现各个应用子系统的相互协作和操作，实现上层管理系统的业务过程 集成。 1 .2 .5 mi d d l e wa re技术 中间件 ( mi d d l e wa r e )可以定义为:在分布式计算环境中，为系统连接和系统 管理提供一系列服务的软件。 这些服务包括数据库互联、 信息通讯、 远程过程呼叫、 目 标请求代理、交易服务、时间服务和命名服务。 中间件应用于分布式系统各应用之中，为系统屏蔽底层通讯及公用服务，提供 系统框架，保障系统的高可靠性、高可用性、高灵活性。中间件最大的特点是和具 体的操作系统和业务系统无关。 当前中间件从功能层次上可以 划分为基础服务的中间件和高层的功能中间 件。 基础级中间件即是传统意义上的中间件，构建分布式应用系统的基础平台随着分布 式体系结构的不断发展，应用越来越复杂，应用的一些公共特性被抽象为高层中间 上海海运学院硕士论文 概论 件。当前高层中间件主要有内 容管理中间件，工作流中间件， 应用集成中间件和门 户中间件。 实现上层管理系统的数据集成、 业务集成， 我们使用数据集成及工作流中间件， 可以 充分利用中间件技术本身的优势。 1 .3 华能南通电厂摊运公司生产管理系统集成背景 1 .3 . 1 燃运公司煤码头输煤工艺控制流程 燃运公司煤炭中转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 燃煤都需经过它转运至电 厂，因此它的正常生产与否直接关系到电 厂能否正常发 电。 其输煤工艺流程如图1 - 3 所示。输煤工艺流程主要实现以下功能: 装船码头 u s s_ 乙 as # 加 机 .to a f b s tr= p . ， er a s 丫 二 ， : 。 w m # l ， ， 。 a n 。 ， 4# ， ， 。 im a b k 州 肺 马 头 大狡分离. ds 卜 甲. 福 s 图1 - 3 燃运公司煤码头输煤工艺系统图 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， 装 煤 到驳船上驳运至电厂。 4 ) 代卸煤料: 为 相邻南 通市燃料公司服务，由 卸船机、 皮带 机将煤料输送至 燃 料公司。 1 .3 .2 输煤控制系统 燃运公司输煤控制系统于 1 9 9 9年投入运行。控制系统采用 1 主站 3 从站的方 上海海运学院硕士论文 概论 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3 个远程站 ( 从 站) 与本地站 ( 主站) 联接起来，实现码头现场设备的基本控制。 输煤控制系统主 要实现两个层次的监控: 1 ) 现场控制层: 采用1 主站3 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3 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i i o系统 ( 5 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) 。 2 ) 过程监控层:由 监控计算机和 m b + ( m o 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。 1 .3 .3 工业电 视监控系统 为了监视煤炭装卸现场的运行状况，实现安全生产的目 标，燃运公司安装了一 套相对独立的模拟式工业电视监视系统。该系统有6 个模拟摄像机，两台监控电视 机，一台视频控制器和录像机。该系统的控制和显示部分安装在中央控制室，所以 视频只能在中央控制室显示和控制。 1 .3 .4 信息管 理系统 公司的生产调度、计划、运行、维修、设备、人事、安全等管理构成了公司的 管理层。主要的管理内容是: 1 ) 生产过程的 调度与卸装煤作业过程的管理; 2 ) 设备维护与检修过程、以 及港枷港电 / 船枷船电 设备技术支持与保障的相关 管理; 3 ) 各 种生 产计划的 制定 和生 成，以 及计划执 行情况的 统计管 理: 4 ) 安全生产监督和执行情况管理。 过去，一直是人工进行这些管理，管理人员多，管理效率比较低.近年来虽然 陆续使用了一些单独的管理软件，包括物资管理系统、安全评估管理系统、用于统 计煤驳运行情况的煤驳管理系统等，实现了 一部分管理工作的计算机化。但是未能 满足公司生产的需要，迫切要求从整个生产管理流程出发，开发相对完整的信息管 理系统，以实现对决策、计划、调度、生产控制的一体化管理。 上海海运学院硕士论文 概论 1 .4 本课题的任务和目 标 1 .4 . 1 现有系统存在的主要问题 现运行的输煤控制系统采用的是 s c h n e i d e r i n c . 公司的高性能 mo d i c o n t s x q u a n t u m 可编程序控制器及系列模块，配置成主从式r i o n e t 控制结构，在过程控 制级上实现输煤系统的基本控制。 输煤控制系统p l c程控器主机使用m o d s o f t 专用 编程软件。这使得该系统具有以下缺点:兼容性差、开放性与可扩展性不是很好。 现有管理系统是基于单独管理软件上对生产中的部分工作进行计算机管理，各 个系统单独分布在不同部门的计算机上，使用的编程语言、数据库、完成的功能都 完全不同，具有分布性、异构性、自 治性等特点。 面临着以下问 题: 1 ) 闭 性 和 专用性: 单 独的 管 理 软 件是 按单 项业务 系统 开 发 的， 应用 程 序被当 作 一个个孤立问题的解决方案，体系结构的设计没有考虑整个信息系统，因此导致在 企业的信息系统中存在着多种开发平台、多种协议和标准、多种技术，各个系统很 难协调的和其他系统协同工作，难以维护、升级和集成，系统间的数据难于共享。 2 ) 系 统柔性差: 单独的管理 软件是 按开发时 确定的思 路和固 定流程处理信息， 缺乏弹性，不能适应公司管理的变化，严重限制了信息资源利用和管理变更。 3 ) 难以 摆脱 手工管 理的 影响: 单 独的 管理软 件都 在 不同 程 度 上 模拟 手工系 统的 数据处理流程，不能从全局上对管理系统进行整合，提高公司的生产效率。 对于电视监控系统，由于采用的是模拟信号模式，只能固定在中央控制室进行 操作和显示， 上层管理人员及其调度室不能及时了解生产现场的实时信息，难于达 到对生产现场进行监控的目的。 控制系统与信息管理系统不存在信息通道，不能完成控制与管理的交互。 1 .4 . 2 本课题的任务和目 标 为了实现公司的计算机信息化管理、 输煤流程及其它生产设备的控制和管理的 一体化， 经过系统调研和综合分析后，在原有以集散控制原则为基础的输煤控制系 统基础上，提出并设计完成开放的、统一的、结构化的以工作流系统为基础的管理 与控制一体化系统。 本课题的主要目 标是: 1 ) 对原 有的 封闭的 输煤 控制 系 统， 打 通数 据通 道， 建立 控 制系 统与 上层管 理系 统的数据接口，实现工控系统与管理系统的集成; 2 ) 在 用 户管 理系统需 求 分析的 基础 上， 建 立管 理和 控制 一体 化模型 及其实 施 方 案，采用工作流、中间件技术，建立完整的系统架构，开发能够和其他系统集成并 上海海运学院硕士论文概论 且能够扩充的、开放性的公司信息管理系统，实现生产管理的一体化。 3 ) 对电 视监控系统进行改造， 让系统具有网 络化的特点， 充分利用公司的局域 网完成对生产现场的视频信息的采集、传输、显示和处理. 上海海运学院硕士论文工控网络与信息网络集成方案 第二章 工控与信息系统的网络集成方案 2 . 1 煤控制系统工控网络结构 华能南通电厂已经投入运行的输煤控制系统，其控制网络结构如图2 - 1 所示。 即过程监控层以监控计算机和mb 十( 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。而现场控制层以p l c程控器通过r i o n e t ( 远程 输沁输出 ) 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。 yb+m 。匡 酒 plc 1 trl 蓟幢 现 场 设 各现 场 设 备 1 林监 控 计 算 机 一j l曰 广-， 2 件 监 控 计 算 机 r i o网 络 不谨3“ 现 场 设 备 图2 - 1控制网络结构图 m o d b u s p lu s n e t 是m o d i c o n 公 司 推出 的实 现其p l c 与 其他 设备 互 连的网 络 通 讯 协议，得到了众多厂商支持和广泛应用。它是一种高速对等工业局域网，允许多台 p l c通过双绞线对等通讯。采用令牌总线结构，遵循i e e e 8 0 2 . 4 标准，传输介质采 用双绞线，通讯速率为i m b p s o 在m o d b u s p l u s 系 统中 有2 种 传 输模式 可 选择， 一 种 模式是a s c i i ( 美国 信 息 交换 码) ， 另 一 种 模式是r t u( 远 程终 端设 备) 。 每 个m o d b u s p l u s 系统 只 能 使 用 一 种模式，不允许2 种模式混用。 m o d b u s p lu s 的 数 据校 验 方式 有2 种， 一 种 是c r c - 1 6 ( 循 环冗余 错误 校 验) 方 式，另一种是l r c( 纵向冗余错误校验) 。l r c错误校验用于a s c i i 模式。 在本系统中，上位监控计算机与m o d b u s p l u s 通讯模块为一块s a 8 5 卡。 通信 上海海运学院硕士论文 工控网络与信息网络集成方案 模式设置为r t u ，数据校验方式设置为c r c 1 6 。 2 2 生产管理系统网络结构 根据华能南通电厂燃运公司建立信息管理系统的需求分析说明书，信息管理系 统将是星型连接的以太网( e t h e r n e t ) ，其网络结构如图2 2 所示。 图2 - 2 信息网络结构图 通过交换机和同轴线实现公司内部计算机之间的网络连接，组成公司内部的局 域网。使用路由器和光缆实现内部局域网和电厂总部网络之间的连接。 以太网最初是由x e r o x 公司研制而成的，并且在1 9 8 0 年由d e c 公司和x e r o x 公司共同使之规范成形。后来它被作为8 0 2 3 标准为电气与电子工程师协会( i e e e ) 所采纳。以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问冲突检测 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 的共享访问方案，即多个 工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同 一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其传输结束后 再开始自己的传输。冲突检澳4 方法保证了只能有一个站在电缆上传输。 2 3 工控网络与信息网络的集成方案 2 3 1 独立m o d b u s 网关方案 独立m o d b u s 网关方案是在输煤控制系统m b + 网络的基础上，增加独立的m b + 网关产品，直接实现控制网络和信息网络的通信。其结构如图2 - 3 所示。 这种结构下，上层管理系统的计算机可以直接通过m b + 网关与监控计算机甚至 与底层p l c 实现数据通信，完成两种异构网络的集成。 采用这种方法，硬件和实现方法简单，只需要在增加少量投资，购买相应的 1 0 = 雪 i 一域掣倒型 上海海运学院硕士论文 工控网络与信息网络集成方案 m b + 网关产品即可。同时，实时数据直接从底层设备读取，数据发送速度快。但是， 为了能够让信息网络能够访问控制系统的实时数据，需要在上层系统中开发与硬件 相关的应用程序，且监控计算机不能方便地得到上层管理系统下传的数据。 图2 - 3 增加m b + 网关的网络连接结构图 2 3 2 独立计算机网关方案 监控计算机可以在p c i 插槽上增加e t h e r n e t 网卡连接一台独立的、具有双网卡 的实时数据库服务器，再由实时数据库服务器连接到信息网络上，此时实时数据库 服务器充当了工控网络与信息网络网关，实现两种异构网络的集成。其结构如图2 4 所示。 图2 - 4 增加单独计算机网关的网络连接结构图 采用这种方案，信息系统所需要的底层现场实时数据由控制系统采集以后，保 存在实时数据库服务器中，可以随时使用，方便统一管理和处理。而控制系统所需 要的上层管理系统的数据也可以通过实时数据服务器读取。实时数据服务器不仅仅 是一个网关还是一个数据的存储区，控制网络的安全性得到了保障，同时满足管理 上海海运学院硕士论文 工控网络与信息网络集成方案 和控制一体化的要求。 2 4 电视监控系统网络与信息网络集成方案 公司输煤控制系统原有的6 头2 尾模拟式电视监控系统，用于监视输煤生产现 场的装卸场景，其结构如图2 5 所示。其中有六台摄像机通过屏蔽的绞线连接到视 频控制器，视频控制器控制每台摄像机的操作。监视器显示现场传输过来的视频图 像，录像机可以录下一段时间内的生产情况。系统采用的是模拟信号，只能在中控 室进行控制，图像也只能在固定地点观。 摄像机 图2 - 5 工业电视监控系统网络结构 云台 为了让厂部和上层管理人员可以了解和控制现场的生产情况，需要对原有电视 监控系统进行改造，把系统接入公司内部的信息网络，通过信息网络对工业电视监 控系统进行管理。这需要两个方面的工作：第一是要把模拟信号转换为数字信号， 我们采用视频服务器v g a t v 转换硬件实现这个功能；第二是把视频服务器接入到 公司信息网络内部，实现视频信号网络化，可以让视频服务器对电视监控系统进行 管理，外部客户端可以从视频服务器上获取采集的视频信息。其集成方案如图2 6 所示。 上海海运学院硕士论文 工控网络与信息网络集成方案 图2 - 6 视频系统接入信息网络结构图 2 5 燃运公司网络集成方案 为了实现对上层业务的信息化管理、输煤流程的控制以及其它设备控制的一体 化，经过系统调研、方案比较和综合分析后，在原有封闭的、专用的、单独的网络 基础上，提出了具有开放性、统一性的网络集成方案，其结构如图2 7 所示。 图2 - 7 公司集成网络结构图 上海海运学院硕士论文实时数据传输与 接口 第三章 实时数据的传输与接口 3 . 1 输煤控制系统与实时 数据库 输煤控制系统在控制管理级上，以2 台 监控计算机和m b + m o 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。 在i n t e l l u t i o n f i x 6 . 1 2工控组态软件支持下，上位监控计算机控制程序完成与p l c的通信，以图 形方式动态显示生产流程的控制和设备状态等信息，并可以通过操作界面，实施对 过程控制级的控制。 实时 数据库 管理 系统 ( r t d b m s ) 是 数据库系 统发 展的 一 个分 支， 它 适 用 于处 理 不断更新的快速变化的数据及具有时间限制的事务处理。 是传统d b m s 与实时处理 两 者 功能 特性的 完 善或 无 缝 集 成 ( s e a m l e s s i n t e g r a t io n ) 。 它 与 传统d b m s 的 根 本区 别 就 在 于使 用” 识时协 议，( t i m e c o g n i z a n t p r o t o c o l ) 来 进 行 有关数 据事务的处 理。 实时数据库管理系统具有数据库管理系统( d b m s ) 的 特性和基本功能。 实时 数 据库的设计目 标首先是满足事务定时的限制。 从系统的组成结构来看，r t d b ms与传统 d b ms没有什么大的区别。它的主 要功能部件及其组成如图3 - 1 所示。数据库通过实时i / o调度接口连接资源管理系 3 - 1 实时数据库结构图 上海海运学院硕士论文实时数据传输与接口 统，由资源管理系统负责分配执行实时数据操作所需要的硬件资源，应用程序产生 数据事务请求并提交到事务管理，再由事务管理系统激发实时数据库的实时操作。 原输煤控制系统的实时数据采集、处理、操作控制采用f i x组态软件来完成， f i x组态软件是自 封闭的，它内置的过程数据库 ( p d b )对用户不透明，无法在外 部访问控制系统实时数据信息。 图3 - 2 表示了输煤控制系统内部实时数据流的流向。 因此，控制系统和管理系统的集成的主要问题是:怎样把输煤控制生产现场的 实时信息传送到管理系统， 让信息管理系统了解现场生产的运行现状，以 及对所保 存的现场设备运行状态历史数据作为管理决策、设备维护的主要参考依据。 图3 - 2 输煤控制系统内部实时数据流图 3 . 2输煤控制系统实时数据信息传输与接口方案比 较 输煤控制系统上位监控计算机都是基于wi n d o w s n t系列操作系统的， wi n d o w s 平台提供了d d e , o l e , o d b c等几种标准支持程序间的数据交换。同时， 还可以 选择基于 f i x组态软件的实时数据库平台i h i s t o ri a n 进行数据的交换。因此，信息 管理系统与输煤控制系统f i x组态软件的数据接口， 可以由以下四种方式实现，图 3 - 3 表示了这四种方式的实时数据接口。 3 . 2 . 1dde d d e ( d y n a m i c d a t a e x c h a n g e 动 态 数 据交 换技 术 ) 是o l e 技术的 前身， 是在 微 软的wi n 3 2 应用程序接口 ( a p i )上所开发的应用程序之间动态地移动数据的一种 方法。 d d e 协议在应用程序间传送信息， 使得应用程序共享数据和采用共享的内 存 交换数据。应用程序采用 d d e协议，可以一边传送数据，一边交换数据，这样， 应用程序就可以相互更新数据，因而得到的总是最新的数据。 但是，d d e受制于通讯驱动程序，因为程序开发的选择范围只能局限在 d d e 上海海运学院硕士论文 实时数据传输与接口 和一个专用的d d e导出 表之间. 选择任何一个d d e 进行程序开发， 都有可能要么 限制用户对软件的选择，要么妨碍用户对硬件的接受.对于简单的非系统的数据传 输， 这种方式具有很多优点， 但是对于管理和控制一体化标准， d d