（系统工程专业论文）过程监控信息集成中的若干关键新技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 i i i 摘要 f 工业生产监控信息是过程企业生产与经营的依据 生产监控信息集成通过对 企业生产信息的共享 整理 归纳 分析以及对外实时信息发布 交流等相关手 段为过程工业先进控制 优化操作 调度决策提供基本数据 并在此基础上实现 企业对市场与管理的迅速反应 实施对策 提高企业综合效益 是每一个企业经 营的迫切需求 也是综合自动化的核心内容 软件与网络技术作为工业监控信息集成的实现手段 它们的不足会制约工业 监控信息集成的应用 它们的发展则为工业监控信息集成带来新的思路 近年来 随着互联网络的迅速发展 基于w e b 的信息集成技术得到了迅速发展 其中尤 其是以x m l 为基础的一系列开放软件技术为信息集成开辟了广阔空间 另一方 面 无线网络无论是局域网还是广域网都得到了蓬勃发展和广泛应用 无线网络 进一步丰富了信息集成的手段 从根本上解决了某些特殊条件下信息集成的网络 建设问题 本文针对网络时代 业监控信息集成的新需求 新挑战 就信息集成中越来 越受人关注的网络范围广域化和集成方式开放标准化问题进行深入细致的研究 提出了实现信息集成的两个基本问题与解决思路 结合软件技术 无线网络技术 和通讯技术的最新成就 探讨x m l 技术与g s m 短消息通讯技术在工业监控信息集 成的应用 纵观全文 我们做的主要工作有 1 系统全面地介绍了过程工业信息集成的发展历史 功能特点 分析了当 前我国过程监控信息集成的现状与遇到的问题 提出了解决问题的方向 与思路 2 介绍了远程过程调用和基于y j v i l p r c 和s o a p 的远程应用程序通讯技 术 并结合工业监控信息集成需求着重研究了o p c 和x m lo p c 规范 并分析比较了它们各自的数据访问方式 从理论上验证了基于x m l 的 远程应用程序通讯技术的优越性 并开发了基于 o v i l 技术的远程应用 程序通讯原型系统 设计了符合 g v i lr p c 标准与 o v l ls q l 规范的 x m l 数据定义模式 实现了嵌入式系统对远程数据库的跨平台平滑访 问 浙江大学硕七学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 3 分析了工业监控信息集成所面临的异构数据集成的问题 并分别就数据 存储 业务逻辑 界面表现三层集成架构中遇到的异构数据集成提出了 基于x m l 的解决方法 开发了基于x m l 的复杂结构化验数据发布系 统 解决了复杂结构化验数据的表示 存储 查询的问题 并实现了用 户输入界面的自动生成与数据有效性的自动校验 4 提出了超远距离信息集成的概念 并分析其功能特点 提出了基于g s m 短消息实现超远距离通讯的解决思路 设计了短消息通讯通用架构 研 究了g s m 短消息编码解码技术 设计了短消息通讯传输协议与应蔚指 令协议 通过分析脚本语言指令功能需求 提出了适合监控信息集成的 脚本语言选择标准 设计了具有脚本语言指令扩展功能的应用架构和开 发模式 并分析其安全性 设计了三层确保应用安全的措施与三层确保 信息集成服务稳定的措施 根据实际应用需求开发了基于短消息的超远 程监控系统 解决了基于短消息通讯的时间同步 脚本代码的保存与进 程外脚本执行等一系列问题 实现了超远距离现场数据采集与监视 1 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 v a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o no fs u p e r v i s o r yc o n t r o li n f o r m a t i o ni st h e b a s i sf o ra d v a n c e d c o n t r o l o p e r a t i o n a l o p t i m i z a t i o n s c h e d u l i n g p l a n n i n g d e c i s i o nm a k i n g a n dd a t a m i n i n g a c t i v i t i e s i t 7 so fg r e a ti m p o r t a n c et o p r o c e s sp r o d u c t i o n a n d m a n a g e m e n t w e l l d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e di n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o nb e n e f i t sal o tt oi m p r o v em a n u f a c t o r ye c o n o m i c s a n dt o r e s p o n s er a p i d l yt om a r k e td e m a n d n o w a d a y s s u p e r v i s o r y c o n t r o li n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n t e l i e sm o r ea n dm o r e h e a v i l y o ns o f t w a r ea n dn e t w o r k t e c h n i q u e s w h i c hi sd e v e l o p e di n c r e d i b l yf a s tt h e s ey e a r s a n da p p l i e d w i d e l ya n dp r o v e n l ya m o n gd i f f e r e n td o m a i n s o p e n a r c h i t e c t u r es u c ha sx m l e x t e n d e d m a r k u pl a n g u a g e a n dw i d e a r e ac o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u es u c ha sw l a n w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k a n dw w a n w i r e l e s sw i d ea r e a n e t w o r k e m e r g e s i n m u lt i t u d ei nt h el a s tf e wy e a r s w h i c he n r i c h e st h em e t h o d s o fi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n a n ds o l v e st h e p r o b l e m so ft h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nu n d e rs o m e s p e c i a l o rd i f f i c u l t c ir c u m s t a n c e t h et w o t o p i c so fx m la n dg s ms m sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n i n s u p e r v i s o r yc o n t r o li n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na r et o u c h e d u p o n b a s e do nt h el a t e s tt e c h n i q u e si nc o r r e s p o n d i n ga r e a s s o l u t i o n sa r e g i v e n f o r t y p i c a la p p l i c a t i o n s i n d a t a c o l l e c t i o n d a t ad e s c r i p t i na n d w i d e r a n g ec o m m u n i c a t i o nf o r p e t r o l e u me n t e r p r i s e t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s 1 r h e h i s t o r y a n d f u n c t i o n a l i t y o fi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o no fp r o c e s ss u p e r v i s o r yc o n t r o li sr e v i e w e d a n da n a l y z e d d e m a n d sa n dd i f f i c u l t i e s a r eo u t l i n e d s o m en e wt r e n d sa n ds o l u t i o n sa r ep r e s e n t e d 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 v i r p c r e m o t ep r o c e s sc a l l a n dr a c r e m o t ea p p l i c a t i o n c o m m u n i c a t j o n b a s e do nx m lp r ca n ds o a pa r ei n t r o d u c e d t h ec r i t e r i o no fo p ca n dx m lo p ci s i n v e s t i g a t e d c o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n to f i n d u s t r i a l s u p e r v i s o r y c o n t r 0 1i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n a n dt h ed i f f e r e n t t y p e s o fr e m o t ed a t a e x c h a n g i n g a r e c o m p a r e d t h e a d v a n t a g eo fr e m o t ea p p l i c a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do nx m li sv a l i d a t e dt h e o r e t i c a l l y t h er e m o t e a p p l i c a t i o nd a t ae x c h a n g i n gp r o t o t y p es y s t e mb a s e do n x m li sd e v e l o p e d x m ld a t as c h e m aa c c o r d i n gw i t ht h e x m l r p cs t a n d a r da n dx m ls q l c r i t e r i o ni s d e s i g n e d r e m o t ea c c e s sf o rc r o s s p l a t f o r md a t a b a s eo ne m b e d d e d s y s t e mi s r e a l i z e dt od e m o n s t r a t et h ea u t h o r 7s i d e a t h e p r o b l e m o f h e t e r o g e n e o u s d a t a i n t e g r a t i o n i n i n d u s t r i a l s u p e r v i s o r y c o n t r o li s p r e s e n t e d a n d a n a l y z e d as o l u t i o nb a s e d o nx m li s p r o p o s e d w i t h c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tl a y e r so fd a t as t o r a g e d a t a l o g i c a n dp r e s e n t a t i o n h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e a n x m l b a s e ds y s t e mi sd e v e l o p e dt om e e tt h ed e m a n d so f l a b o r a t o r y d a t a p u b l i s h i n gw i t hc o m p l e xs t r u c t u r e t h i s s y s t e m i n v o l v e ss e l fc o n s t r u c t i o n o fu s e r i n t e r f a c af r o mx m ls c h e m a 1 a bd a t ac o n v e r s i o ni n t ox m l f o r m a t x m ls t o r a g ea l g o r i t h mi n t or d b m s r e l a t i o n d a t a b a s em a n a g e rs y s t e m q u e r ya n dr e c o n s t r u c t i o no f x m lf r o mt h er d b m s 4t h ei d e ao fv e r y l o n gd i s t a n c ed a t ac o m m u n i c a t i o n v l d d c i s p r e s e n t e d w i t hi t s f u n c t i o n a l i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y z e d s o l u t i o nf o rv l d d cb a s e do n g s ms m si sp r e s e n t e da n di t si m p l e m e n t a t i o ni sd e t a i l e d t h er e q u i r e m e n to f s c r i p tl a n g u a g ei se m p h a s i z e da n d i t s e m b e d d i n g i m p l e m e n t a t i o na n de x t e n s i o ni s d e s c r i b e d t h es e c u r i t yp r o b l e mi nv l d d ci s a n a l y z e d a n ds o m ea u t h e n t i c a t i o na n ds e c u r i t yn e ti s d e s i g n e d t oe n s u r et h e s a f e t y a n d s t a b i l i t yo fi n f o r m a t i o ns y s t e m 浙江大学硕士学住论丈 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 第一章绪论 摘要 本章介绍了过程监控信息集成的定义 功能特点和发展过程 从它们 的两大支撑技术 软件技术与网络技术对过程监控信息集成的作用以及分析了过 程监控信息集成的现状以及存在的问题 从而指出本论文的研究方向 1 1 过程监控信息集成概述 1 1 1 过程企业信息集成定义 意义与发展历史 过程工业作为支柱产业之一 在国民经济中占据十分重要地位 自四十年代 计算机囡军事用途被发明 人们很快认识到计算机在信息处理中的巨大作用 计 算机技术得以迅猛发展 其使用范围也迅速突破了军事领域 在六 七十年代流 程工业中开始引入计算机监控系统 至今已有半个世纪 由于那时候是一个软硬 件紧密耦合 没有通用计算机网络 因此最初的过程监控系统采用集中监视和控 制的方法 但是在实践过程中 这种监控策略暴露出其不足之处 由于监控的过 于集中 导致整个系统对于监控计算机的依赖过强 一旦其发生故障就导致整个 计算机监控系统的崩溃 随后在七 八十年代 随着计算机操作系统的出现 导致了计算机软件技术 以及计算机局域网络技术的迅速发展 在工业监控出现了针对以上缺陷的集散监 控系统 d c s 集散监控系统较好地实现了工厂内监视与控制的功能 但是随着 过程工业企业规模迅速扩大 国际竞争日趋激烈 产品质量与多样化要求不断提 高 环境保护呼声愈见增长 客观需要企业对市场 对政府 对社会必须有一个 快速的柔性的反应机制 而这些反应是必须基于企业内的大量数据的积累与消 化 此时传统大企业的信息交流渠道不畅的弊病开始凸现出来 成为各企业希望 迫切解决的问题 八 九十年代以来 计算机技术得到了进一步的发展 基于视窗的操作系统 出现带来了统一美观的人机界面 面向对象的开发语言与可视化的开发平台进一 步降低了系统设计与开发的难度 同时互联网络得到迅速发展 速度不断提升的 同时 访问方式也不断革新 尤其是w e b 服务由于其对于多媒体信息的出色组织 能力与美观简便的特性给人们带来巨大便利 使得互联网络成为普通人的工作工 具 在九十年代末 无线网络的特殊性能开始被人们关注 无线局域网也开始逐 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 渐进入企业 无线广域网络被广泛用于通讯 计算机技术与网络技术的发展给各 类企业带来了商机 同样地 随着过程企业信息化水平的推进 这些技术开始被 企业信息化系统吸纳 企业希望籍这些技术不仅能够实现生产自动化 还能够实 现管理自动化与商务电子化 进一步实现控管商一体化 为解决企业信息交流 吸纳与分析提供依托与服务 这些是信息集成的产生背景 工业生产监控信息是过程企业生产与经营的依据 生产监控信息集成通过 对企业生产信息的共享 整理 归纳 分析以及对外实时信息发布 交流等相 关手段为过程工业先进控制 优化操作 调度决策提供基本数据 并在此基础 上实现企业对市场与管理的迅速反应 实施对策 提高企业综合效益 1 1 2 过程监控信息集成的功能需求和特点 根据如图1 1 所示复杂工业过程综合自动化系统的总体结构 钱积新等 1 9 9 7 可以看到信息模型结构复杂 工程量大 只有通过各个层次间的紧密配 合才能够实现完善的信息流程 过程监控作为整个综合自动化结构的中心环节 其性能对于整个系统的影响和制约至关重要 我们可以认为 过程监控的信息集 成的功能就是网络时代的综合自动化系统对过程监控信息集成提出的的需求 1 开放的软硬件与网络体系结构 它包括开放的硬件功能扩展 软件数据 访问接口 软件通讯协议 网络通讯协议 软件集成架构以及软件跨平 台能力 由于综合自动化系统工程复杂 加之企业对自身利益安全的考 虑 综合自动化系统客观需要多个厂商之间的协作共同完成 开放的软 件与网络结构保证了不同厂商开发的系统之间衔接流畅 也为企业进一 步的功能扩展留下良好接口 2 企业监控信息集成网络向更大范围扩展 企业规模的不断扩大 企业经 营方式的日益灵活需要企业的员工无论在哪里 都有可能需要和在企业 一样参与到企业系统的管理 控制和维护中来 也不论企业地点是否分 散 综合自动化软件都能无缝地稳定运行 此外 电子商务更加是离不 开广域互联网络的使用 3 分布式的企业数据管理和应用 以往的数据管理往往通过一个中心节点 一企业关系数据库 随着企业综合自动化的深入 数据量的急剧膨胀 单一数据中心节点无法满足海量信息的存储和检索 而且系统对此中心 节点的可靠性过于依赖 分布式的数据管理 能够实现各取所需 各供 所有的功能 也大大提高系统的安全性可靠性 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 4 人机交互图形界面直观一致 人机界面是软件设计者为使用者考虑的具 体体现 它是否美观易用 是软件成败的重要因素 对于工业监控应用 来说 一个好的人机界面还能够防止操作人员误解程序功能而导致误操 作 减少操作人员的培训学习时间 为企业带来直接的经济效益 图1 1 复杂工业过程综合自动化总体结构 浙江大学硕士学位论丈 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 上述信息集成的功能集中地体现了软件系统之间 人与软件系统之间的相互 关系与要求 综合自动化的其他功能围绕这些要求展开进行 因此 信息集成是 企业综合自动化的基础核心 我们认为 过程监控信息集成的特点立足于三点 第一是在于其集成对象 过程监控生产数据具有量大 耦合性强的特点 不同层次的应用对数据的实时性 要求也不相同 不同的企业的信息集成要求也不尽相同甚至差别很大 因此信息 集成必须有足够的柔性 第二是在于其集成方法 过程监控行业涉及面广 仅靠 开发商自己提供接口已经不能适应低成本快速开发的需求 而使用行业标准化组 织制定的集成标准可以大大降低系统复杂性 降低不同厂商之间产品的耦合与依 赖性 第三是在于其集成性能 过程工业的生产特点决定了监控系统必须长时间 稳定运行 必须有高安全性 可靠性与可维护性 从而保证一旦生产过程或者监 控系统发生故障 必须能够迅速定位 排除 确保生产安全 1 1 3 我国过程监控信息集成的现状与存在问题 我国自1 9 8 6 年在8 6 3 高科技计划项目中设立8 6 3 c i m s 主题以来 研发了一 系列相关c i m s 技术 并在多家过程企业建立c i m s 示范工程 取得显著效益 柴 天佑等 2 0 0 2 但是随着中国入世 国内企业面临激烈的国际竞争 国外综合 自动化技术革新速度也越来越快 我们应清醒地认识到 在我国过程监控自动化 领域还存在许多亟待解决的问题 1 自动化产品国产化 由于我国自动化底子薄弱 水平相对国外还较低 特别在大型自动化软件方面还基本上处于国外产品垄断的状况 由于过 程工业在国民经济中的支柱地位 如何实现自动化产品的国产化 不仅 仅是涉及经济效益的问题 还是涉及到国家经济安全的问题 2 自动化产品加快商品化 自动化是实践性很强的研究课题 只有真正实 现商品化的产品才能够真实的体现出自动化综合水平 因此 自动化产 品商品化不仅仅需要自动化领域内的研究 还必须特别注重与计算机软 硬件 通讯等多学科交叉领域的研究 不仅需要投入大量的人力物力进 行研究 还需要投入相当的人力物力进行工程实践 产品开发 3 加快新技术的引入 今年来 信息领域的技术革新一日千里 自动化作 为信息技术在传统工业应用的典范 应十分密切地跟踪信息技术地发 展 对这些技术对于传统工业可能带来的影响保持高度的敏感 例如近 年来在基于x m l 的数据集成 嵌入式系统 无线网络等方面的技术得到 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 了飞速发展 发掘这些技术在自动化领域的应用具有十分重要的意义 我们还应该看到 这些问题不是孤立的 而是互相影响 对于企业来说 它 们希望通过综合自动化来实现挖掘潜力 提高效率 增加效益 乐于进行综合自 动化产品的开发与实践 但另一方面过程企业的生产特点与企业生产目标又决定 了它们采用的自动化系统不能是中断的 跳跃的 而应该是渐进扩展增强 随需 求变化而不断发展的 也就是说 综合自动化必须在现有的自动化平台基础上予 以兼容和集成 同时也要能够为将来的进一步集成做好准备 新信息技术的引入 为这一点的实现提供途径 这是国内综合自动化研究与实践客观需求 从主观上 来说 国内综合自动化软件企业要在一个事实上不平等的环境下与国外企业进行 竞争 就必须主动去戴着新信息技术的眼镜去寻找市场 解决旧技术不能解决而 又是企业亟需解决的问题 如此避实就虚 扬长避短 利用信息领域技术对自动 化领域的冲击 充分发挥我国综合自动化领域的后发优势 各个击破 最终形成 一整套完整的解决方案 将来在全球工业自动化领域占有一席之地是完全可以做 到的 过程监控信息是企业生产与经营的依据 它的集成是每一个企业经营的迫切 需求 也是综合自动化的核心内容 要解决上述综合自动化软件的问题 首先就 必须解决过程监控信息集成的问题 可以说 过程监控信息集成已经成为我国过 程企业进一步实施综合自动化的瓶颈 我们认为 要突破这一瓶颈 须当在如下 三方面努力 1 从数据采集上 必须进一步升级软硬件及网络系统提高数据采集的范围 和质量 在工厂实践过程中 经常遇到有重要数据因为采集设备不支持 网络传输 网络封闭不开放或者覆盖范围不够等原因而没有进行采集 即使使用人工进行采集 也面临样本数据不够 记录质量不高等诸多问 题 而这些数据的数量和质量要求是控制或者优化系统运作的前提 它 们的重要性是显而易见的 要解决这一矛盾 就可以考虑采用对网络与 实时数据发布功能强大的嵌入式系统 更加开放的现场总线或者工业以 太网或者覆盖面更宽的互联网络以及无线网络等技术根据实际情况予 以解决 2 从数据逻辑上 必须进一步制定和完善数据集成标准 由于历史上的技 术原因和自动化软件提供商的自我保护心理 不同监控系统之间信息共 享十分困难 形成所谓的 信息化孤岛 就算提供有数据访问接1 3 往往也是价格高昂 不具有通用性 给信息集成带来巨大困难 随着近 年来软件技术的发展 各种信息发布标准纷纷出台 给突破上述的模式 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 带来机遇 尤为引人注目的有数据存贮管理自动化标准接口o p c 数据 表示标准x m l 等 3 从集成方法上 必须进一步研究和发展集成体系结构 集成体系结构是 建立在网络与数据集成之上 但又不限于此 它确定了应用程序的组织 方法 也就是确定了整个企业应用的骨架 我国还没有实现自己的集成 体系结构 国外比较常见的集成体系结构包括m i c r o s o f t 的w i n d o w s d n a n e t r o c k w e l l 的r n a s u n 的j 2 e e 等 它们各有所长 但无不 与它们公司的产品密切绑定 如何根据企业需求进行取舍 引入新技术 实现扬长避短以致研究和开发我国自主知识产权的集成体系结构是非 常值得研究的课题 总之 我们认为是否能够实现一致的网络协议 数据格式 事件消息通知模 型 设备与编程接口 应用程序集成方法以及b 2 b 行为消息格式 是否能够实现 数据采集系统满足集成需求是信息集成成败的关键 1 2 过程监控信息集成中的若干关键新技术 过程监控信息集成是以计算机与网络系统为实旌平台的 它由硬件平台 网 络平台 软件支撑平台和信息集成软件平台组成 硬件平台包括控制设备 数采 设备 网络设备与计算机设备 网络平台包括各种控制专用网络 现场总线 以 太网 i n t e r n e t i n t r a n e t 以及各种无线网络等 软件支撑平台是运行于部分硬 件设备上的操作系统 包括服务器操作系统 桌面微机操作系统 工业实时操作 系统等 信息集成软件平台包括数据采集 存储管理 计算分析 发布等一系列 软件 可见 过程监控信息集成是一项复杂的系统工程 涉及面非常之广 而各 个环节又是环环相扣 缺一不可 因此 信息集成必须采用众多相关生产厂商都 能接受的技术标准 也就是说 信息集成平台必须具有开放性特征 在计算机领域 基于开放技术的产品已经取得了巨大的成功 例如微型计算 机 以太网 w e b 等等 部分开放式技术被应用于工业监控信息集成 例如将以 太网技术移植应用于工业监控形成工业以太网 将c o m d c o m 技术应用于工业监 控形成了o p c 已经成为事实上的数据采集标准 这些成功的先例促使我们进一 步将开放技术应用于工业监控信息集成 本文由此出发 就部分对工业监控信息 集成的关键问题的解决具有重大意义的新技术进行研究 分析和实践 浙江走学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 1 2 1x m l e x t e n d e dm a r k u pl a n g u a g e 技术 x m l 是w 3 c 组织定义的一组规范 其设计目标是用于存储和标记程序之间 主 要是w e b 服务器和浏览器 所传送的信息 此外 它有如下特性 w 3 c 开放 x m l 不是建立在应用软件或者操作系统之上的 只要是理解x m l 表达句法的应用程序都可以自动地能够理解所有的由此元语言建立起来 的语言 这一特性使得软件使用者不再依赖于单一的软件提供商 完备 通过定义x m l 文件的文件形态 d t d d a t at y p ed e f i n i t i o n 或者 模式架构 s c h e m a 形成一个封闭的x m l 标记符号和结构的集合 程序 可以通过这个集合来校验x m l 是否有效 从而为文档结构的严格性提供 了高度可伸缩的设计 扩展 x m l 只定义了标记的规范语法 并未指定标记的内容 因此 所 有的行业组织或者程序都可以根据自己的需求制定一套标记 形成行业 领域内的标准 只要符合这个标准的程序都可以互相交换数据 简单 x m l 是基于纯文本的标记语言 要求标签以易读而不是简洁为目 标 而且逻辑上是一个简单的树状结构 即使不依赖程序 也可以直观 的阅读x m l 易用 由于x m l 结构简单 同时它的设计目标要求使用的选择性功能越 少越好 因而x m l 的相关处理程序容易开发 其代码具有良好的可重用 性 x m l 的一系列特性使得它在当今信息集成愈趋复杂的环境下得到迅速发展 成为数据表示的工业标准 对过程监控信息集成而言 我们认为x m l 将在所有与 数据表示相关的领域内发挥重大作用 1 基于w e b 的工业监控 随着互联网的飞速发展 w e b 以其优秀的多媒体 信息表现能力与跨平台特性成为人机界面的标准 越来越多的监控设备 使用w e bs e r v e r 提供监控界面 监控者只需要拥有浏览器就可以实现 监控 而无需安装专用的客户端 但是如今监控信息集成数据量急剧膨 胀 逻辑复杂度大大提高 人们需要将数据的表示与显示分离 这正是 x m l 设计的初衷 使用x m l 来实现基于w e b 的工业监控是自然的选择 2 异构数据访问与存储 监控信息集成数据源十分复杂 数据的来源 结 构 频率 用途等都不尽相同 要实现这些数据的统一访问 必须有一 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 个能否描述数据各种特性的框架结构 这也是x m l 的强项 3 工控软件数据交换与远程进程调用 工 控软件在交换信息的时候需要彼 此理解 传统是通过约定调用方法与参数数据结构 但是这种方法不具 有可扩展性 无论是调用方法或者参数结构的改变都将引起数据交换与 远程进程调用的失败 而使用x m l 来统一描述调用方法与参数结构则可 以解决这一问题 4 工业设备与流程模型描述 工业设备与流程模型描述都对描述语言有较 高的要求 它必须有足够的结构化非结构化描述能力与可扩展能力 尤 其重要的是描述语言应标准化 这样才能实现模型复用 而利用x m l 的 完备性与扩展性可以制定出很好的工业设备与流程模型描述标准 总之 x m l 将为我们解决过程监控信息集成中的关键问题 数据表示格 式 事件消息通知模型 设备与编程接口 应用程序集成方法以及b 2 b 行为消息 格式的标准化提供重要途径 在现实中 无论是m i c r o s o f t 的 n e t s u n 的j 2 e e 或者是其他新的通用集成体系结构都纷纷以x m l 为核心构建 充分显示出x m l 的强大功能与其在下一代计算机系统中的重要地位 因此 本文将在对x m l 在远 程应用程序通讯和异构数据集成作用进行充分研究的基础上 提出x m l 在过程监 控信息集成中的应用架构与模式 并开发了相应系统 解决了工业监控信息集成 中遇到的实际问题 当然 x m l 也有其缺点 最主要的一个就是其运行效率较低 由于大量的字 节用于描述 这对网络而言增加了流量负担 对于处理器而言增加了包装和解析 的计算量 这个问题将随着计算速度和网络速度的提升得以逐步解决 1 2 2 无线网络与远程通讯 现有的监控平台大多基于有线网络 有线网络高速稳定 满足了大部分场合 的工业组网的需要 但是 有线网络只能沿着一维的线路传输数据 传输需要导 体介质 因而带来规划布线 预设接口 线路检测 线路扩容等一系列和传输 途径有关的工作 并且这些工作不可避免地具有破坏建筑 浪费接口 检修困 难 扩展困难的弊病 更重要的是 监控设备处在不能布线的环境中或者是装载 在车辆等运动机械的情况下 是难以使用有线网络的 如果数据不能及时从网络 获取与发布 监控信息集成也就无从谈起 与有线网相对应 无线网向三维空间 传送数据 中间无需传输介质 只要在组网区域安装接入点 a c c e s sp o i n t 设备 就可以建立局域网 移动终端只要安装无线网卡就可以在接受范围内自由接入网 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 络 总之 在网络接入的灵活性 便捷性 扩展性方面 无线网络有独特的优势 在 业中 无线技术早就被用来解决在实际过程中遇到的问题 典型的应用 集中在供水网 石向荣 2 0 0 2 供热网 杨建华和张爽 1 9 9 9 采油井 李兴 和李明 2 0 0 0 等远距离组网的工业领域内 它们通常是通过无线电台在两地局 域网的起中继数据传输的作用 图1 2 图1 2 点对点的无线数据中继传输 这种做法功能单一 只能实现点到点或者一点对多点的连接 封闭 没有 安全性 价格昂贵 实现复杂 必须专门编程实现通讯 随着各行业中对无线 组网需求的不断增长 迫切需要一种开放 安全 廉价 对应用透明 能够实现 不同组网要求的无线解决方案 随着无线网络协议标准的制定与实践应用 上述 问题得以解决 如今无线网络可以灵活地实现多点互连 中继连接 多区域漫游 连接等多种组网方式 而借助移动通讯网络则可以实现超远距离的覆盖全国的数 据传输 在工业界 无线技术也正越来越多的被应用于智能化仪器仪表与监控系 统 例如无线现场总线的应用与研究开始出现 c a v a l i e r ie t c 1 9 9 8 可以预见 无线网络与有线网络的综合运用将大大提高数据采集与发布的范围 为完善信息 集成提供良好的基础设施 无线网络也分为局域网与广域网 常见的无线局域网包括b l u e t o o t h i e e e 8 0 2 1l b a g i h o m e r f h i p e r l a n 以及红外等 表1 1 给出常见的协议 及性能对比 由于它们适用的场合不尽相同 因而基本不存在谁淘汰谁的问题 表1 无线协议对比表 e e es t d 1 9 9 9 m i l l e r 2 0 仉 j o h n s o n t 9 9 9 无线协议 速率 b p s 距离i l l 6适用价格 s 市场应用 b u e t o o t hl m1 0 设备连接 5 0 一2 0 0 较多 h o m c r f1 6 m5 0家用局域孵1 2 5 少量 8 0 2 1 i b1 i m3 0 0 工业商用家用1 8 0大量 h i p e r t a n 1 2 3 m1 5 0工业商用家用 一 红外4m1设备对连内置大量 注 a 对于共享网络 所指速率为独享网络所具有的最高物理层传输速率 b 指无特殊干扰的情况下 室外传轴距离 c 价格受时间 市场和型号影响较大 此为2 0 0 1 年底市场一般产品每节点的价格 仅供参考 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 一l o 就工业监控组网而言 由于8 0 2 1 l 系列的产品在传输速率 传输距离 产 品化速度 尤其是易用性和对有线网兼容性等方面的突出表现 占据了大部分市 场份额 成为事实上的工业标准 在企业的数据传输距离非常远 例如前述的供水网 供热网等 无线局域网 的传输距离就不能满足需求了 虽然此时可以组建企业网 使用有线电话网络或 者使用电台等方法予以解决 但是对于这些往往具有小数据量弱实时性频发通讯 特点的应用 上述解决方案显得成本过于昂贵 近两年来 移动电话网络的建设 普及与业务方式扩展给解决上述特点的应用带来了许多新思路 其中之一就是利 用g s m 短消息业务发送监控数据 它具有许多突出的优点 它的成本低 使用简 便 硬件设备只需要使用6 s m 模块 无需自己组网 无需申请使用频率 使用成 本也很低廉 节约能源 它的网络覆盖面很宽 利用移动通讯网络 可以实现全 国范围内的网络覆盖 利用漫游特性 可以方便地在长距离移动设备上使用 对于监控信息集成而言 无线局域网如8 0 2 1 l b 由于其优秀的与有线网兼容 性能 t c p i p 的网络分层协议屏蔽了有线局域网与无线局域网的区别 信息集 成软件基本上无需针对无线局域网做额外工作 但对于移动网络短消息的应用还 不具备这样的特性 因此本文针对工业监控信息集成的实际需求 设计了基于 g s m 短消息的超远距离通讯架构 开发了相应系统 并对其安全性 功能扩展性 进行了充分设计 1 3 结束语 工业生产监控早已突破了单回路控制与监视的功能 而随着工业综合自动化 系统集成水平的不断发展 在数据接口开放性 数据发布实时性 数据连接安全 性等方面提出更高的要求 贾宏宇和施仁 2 0 0 1 软件与网络技术作为工业 监控信息集成的实现手段 它们的不足会制约工业监控信息集成的应用 它们的 发展则为工业监控信息集成带来新的思路 本文根据过程监控信息集成的需求 研究了x m l 技术对于开放式信息集成的作用与g s m 短消息技术在特殊场合下的信 息集成应用 提出相应应用架构和模式 并开发实现相关系统 第一章是绪论部分 系统全面地介绍过程工业信息集成的发展历史 功能特 点 分析了当前我国过程监控信息集成的现状与遇到的问题 提出了解决问题的 方向与思路 并就x m l 技术与无线网络技术在信息集成中的作用做一综述 为本 文指明研究方向 浙江大学硕士学位论丈 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 1 1 第二二章关于信息集成中的远程应用程序通讯 从介绍远程过程调用和基于 x m lp r c 和s o a p 的远程应用程序通讯技术开始 结合工业监控信息集成需求着 重研究o p c 和x m lo p c 规范 并分析比较它们各自的数据访问方式 从理论上验 证基于x m l 的远程应用程序通讯技术的优越性 设计符合x m lr p c 标准与x m ls q l 规范的x m l 数据定义模式 并将其应用于原型系统开发 对嵌入式系统对远程数 据库的跨平台平滑访问进行开发实现 第三章分析工业监控信息集成所面临的异构数据集成的问题 并分别就数据 存储 业务逻辑 界面表现三层集成架构中遇到的异构数据集成提出基于x m l 的解决思路 针对复杂结构化验数据发布系统的开发需求 设计复杂结构化验数 据的表示 存储 查询方法 实现用户输入界面的自动生成与数据有效性的自动 校验 第四章提出超远距离信息集成的概念 并分析其功能特点 提出基于g s m 短消息超远距离通讯的解决思路 研究g s m 短消息编码解码技术 设计短消息通 讯应用架构 传输协议 应用指令协议 着重分析脚本语言指令功能扩展需求 并提出适合工业监控信息集成的脚本语言选择标准 设计具有脚本语言指令扩展 功能的应用架构和开发模式 并分析其安全性 设计三层确保应用安全的措施与 三层确保信息集成服务稳定的措施根据实际应用需求 解决实际开发过程中遇到 的时间同步 脚本代码的保存与进程外脚本执行等一系列问题 实现超远距离现 场数据采集与监视 第五章全文总结 并对将来的过程监控信息集成发展与研究重点做一展望 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 一1 2 参考文献 i e e es t d 8 0 2 1 l b 1 9 9 9 m i c h a e lm i l l e r 2 0 0 1 d i s c o r e r i n gb l u e t o o t h s y b e x m a r t i nj o h n s o n 1 9 9 9 h i p e r l a n 2 一t h eb r o a d b a n dr a d i ot r a n s m is s i o n t e c h n o l o g yo p e r a t i n gi nt h e5g h zf r e q u e n c yb a n d h i p e r l a n 2w h i t e p a p e r s c a v a i e r i d p a n n o 1 9 9 8 an o v e ls o l u t i o nt oi n t e r c o n n e c tf i e l d b u ss y s t e m su s i n g i e e ew i r e e s sl a nt e c h n o l o g y c o m p u t e rs t a n d a r d s i n t e r f a c e s 2 0 9 2 3 w 3 c h t t p w w w w 3 c o l g t r r e c x m l 柴天佑 金以慧 任德祥 邵惠鹤 钱积新 李平 桂卫华 郑秉霖 2 0 0 2 基于三层结 构的流程工业现代集成制造系统 控制工程 9 3 贾宏宇 施仁 2 0 0 1 大型通用工控软件设计研究 信息与控制 3 0 1 李兴 李明 2 0 0 0 无线网络采油测控系统 电气传动 4 钱积新 邵之江 董浩 张余岳 顾永如 1 9 9 7 工业自动化发展的必由之路一商品化软件 的开发研究 炼油化工自动化 5 1 4 石向荣 2 0 0 2 水厂系统的数据集成及软件实现 浙江大学硕士学位论文 杨建华 张爽 1 9 9 9 集中供热网分布式无线测控系统的设计与研究 测控技术 1 8 8 浙江大学硕士学位论文 过程监控信息集成中的若干关键新技术研究 第二章基于x m l 的远程应用程序通讯 摘要 本章针对工业监控信息集成中远程应用程序通讯的需求 介绍了远程过程 调用和基