企业控制网络与信息网络的集成途径.doc

四、企业控制网络与信息网络的集成途径企业中有两类，既控制网络和信息网络，各有不同的服务功能。1 控制网络 在智能建筑中，原来的控制系统是那种封闭的、集中式的、不灵活的体系结构，楼宇自动化系统、保安监控系统、消防自动化系统等子系统多由不同厂家的产品组成，它们独立承担职责，即使进行集成，但是由于通讯协议的限制，只能达到简单的设备联动，缺少专家系统等智能化的决策支持。现场总线技术的兴起，改变了控制系统的结构。在基于现场总线的控制系统FCS中，把具有通信能力的测控仪表作为网络节点，将实现设备控制自动化的各个子系统，通过现场总线系统，用双绞线等作为传输介质，把具有数字计算和数字通信能力的测控仪表按照公开、规范的通信协议连接成为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，我们通常称之为Infranet。这样，位于现场的仪表设备就能够与工作站及远端监控计算机进行数据的传输与信息交换，实现控制、报警、显示、监控的综合自动化功能。而且工作站和现场设备仪表都是系统中的节点，不同的节点完成不同的功能，即使某一节点发生故障，也不会造成控制系统的瘫痪，同时还可提供故障诊断信息，所以它是完整可靠而且真正分散的。例如BACnet 网络和LONwork等都是适用于智能建筑控制系统的控制网络，具有开放的通信协议，担负着测量控制任务，是控制网络系统最显著的特征。还有适用于现场传感器和执行器的现场总线AS-i，它是工业控制自动化系统仪表层的国际标准IEC62026。2 企业信息网络信息网络通常是指在建筑物内办公和通信等领域广泛采用的计算机局域网络和综合布线，可以采用成熟的网络技术进行构建，如快速以太网、千兆以太网、万兆以太网、FDDI、ATM等成熟的网络技术来进行构建。 现代的智能大厦信息网络通常会利用Intranet技术。Intranet是企业或组织内部的Internet 不仅仅是一种组网技术，即TCP/IP网络，而且还代表着它所提供的信息服务方式。Intranet采用Internet的通信技术，具有开放的互联标准，能够传送文档、图形、音频、视频等多种类型的数据，通信能力强大。Intranet采用WEB技术，利用CLIENT/SERVER或BROWSER/SERVER结构模式提供强大的信息共享能力，可以轻松地进行浏览、发布以及进行应用程序和网络数据库的分布式访问。Intranet采用了身份认证技术、网络数据加密技术及防火墙技术，在企业网内部以及企业网和公共网之间进行过滤和屏蔽，使Intranet既具有互联网的开放性，又保证了数据的安全性和可靠性。Intranet不但为智能大厦的运营与管理提供信息化环境，经过防火墙同Internet相联，还可以实现远程异地办公以及开展电子商务等功能，同时也为信息网络与控制网络的一体化集成创造了条件。 五、智能建筑中控制网络与信息网络集成的途径控制网络和信息网络是智能大厦中既相互独立又相互联系的网络。实现它们之间的互联，是将设备自动化监视与控制的BAS系统和办公自动化、物业管理等系统进行集成并与Internet相连的基础。但是，由于信息网络是基于宽带技术的分时系统，提供开放式的使用环境，需要有防火墙等防范措施，理想的是有对网络的管理、记录、监视及过滤功能。而控制网络大多要求是实时系统，响应延迟时间越小越好，对可靠性的要求高，其使用局限于建筑物内相对封闭的环境。因此，如何将下层的控制网络和上层的信息网络无缝地互联起来并非易事。可能的集成途径有：1 在控制网络和信息网络之间加入转换接口这种方式通过硬件来实现，即在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换；对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到网桥的作用。此外，硬件设备还可以是一块智能接口网板，如FisherRosemount公司的DeltaV系统就通过一块机柜中的H1接口卡，完成现场总线智能设备与以太网中央监控计算机之间的数据通信。 转换接口的集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用TCP/IP的以太网，而TCP/IP没有考虑数据传输的实时性，当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。2.在控制网络和信息网络之间采用动态数据交换（DDE）技术当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用DDE方式实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信息网络中的工作站。其中运行两个程序，一是接收、校验实时信息的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据信息；另一个是数据访问应用程序接口，它接收DDE服务器实时数据并写入数据库服务器中，供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。 DDE方式具有较强的实时性，而且比较容易实现，可以采用标准的Windows技术。但是涉及到复杂的协议转换时，DDE方式的软件费用比较大。因此这种方式只适合配置简单的小系统。3. 控制网络采用BACnet, 和LonWorks的集成方案BACnet/IP网络是由一个或多个具有IP域名的子网组成的集合网络，在BACnet楼宇自动化协议基础上发展的BACnet/IP协议，采用以TCP/IP协议通信的设备来组建BACnet网络，所以可以实现控制网络与信息网络的无缝集成。而且，BACnet采纳了5种协议，即:EIA-232PTP、EIA-485MS/TP、LonTalk、BACnet、Ethernet,可将不同的协议转换为统一的协议。 在采用LonWorks作控制网络时，由于其网络协议是完全开放的，不受通信介质的限制，多种介质可以在同一网络中混合使用，同时支持主从式和对等式通信方式，在以双绞线作介质通信速率为78kbps时，通信距离可达2700m，网络上的节点数可达3200个。7层中有6层固化在芯片中的LonTalk协议，是为控制网络设计的，使网络的物理架构和逻辑架构分离，对设备的联网作了优化，如小数据包、响应及时、安全可靠、智能分散化等。LonWorks的通信方式将一个基于指令的系统变成了一个基于信息的系统，智能设备可以向这个网络“发布”信息，感兴趣的设备可以从网络“订阅”信息，这种灵活的逻辑合作关系将信息和设备“捆绑”在了一起。特别是第3代onWorks技术的问世，带来了更大和更好的应用空间。 此外，通过一个IPserver设备i.lon1000, 可使控制网络与楼宇信息网络以10BASE-T方式进行连接。通过i.lon1000可将LonWorks的服务功能扩大到internet或其他基于IP网络的设备，它能够有效地使LonWorks网络中的所有设备与internet相连。i.lon1000 服务器里还内置了一个嵌入式的WEB服务器，能够直接进行控制内容的网页发布，同时为网页和组态提供密码保护。它可以显示其连接的任何设备或系统发来的实时信息。4. 控制网络和信息网络采用统一的协议标准这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的最终解决方案。由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准，因此二者集成时总需要某种数据格式的转换机制，这将使系统复杂化，也不能确保数据的完整性。如果信息网络的协议标准提高其实时性，而控制网络的协议标准提高其传输速度，二者的兼容性就会提高，二者合二为一，这样从底层设备到远程监控系统，都可以使用统一的协议标准，不仅确保了信息准确、快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。例如Honewell 公司的worldFIP就可以兼容TCP/IP，因此可以方便地实现以太网和interner 的集成，使控制网络和信息网络紧密地结合在一起，最终实现统一的网络结构。LONtalk 协议也是统一的通信协议。但是当前的现实是多种总线标准并存，信息网络协议也不尽相同，所以要实现控制网络与信息网络采用统一的协议标准，还有很多问题需要解决，还有较长一段路。5. 采用OPC 技术将各种数据接口标准化，实现不同网络平台、不同通信协议产品间的互联和互操作性。六、智能建筑的系统集成所谓系统集成，主要就是通过楼宇中结构化的综合布线系统和计算机网络技术，使构成智能建筑的各个主要子系统具有开放式结构，协议和接口都标准化和规范化，具体而言就是软硬件的连接方式、交换信息的内容和格式、子系统之间的互控和联动功能、各子系统的扩展方法等方面，都必须标准化和规范化，从而能将各自分离的设备、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，实现各子系统的信息融合，达到资源的充分共享和方便管理，并进而实现整个系统的协调运行。当今的系统集成特别要求是网络化的集成，而不再是以处理器或服务器为中心。计算机环境也正从客户机/服务器模式逐步向浏览器/服务器和Client/NetWork的方向转变，即把C/S模式中的服务器分解为一个WEB服务器和一个或多个数据库服务器，客户端不再与服务器直接相连，而是与WEB服务器相连，WEB服务器再与数据库服务器相连。集成系统的开发也不再是面向过程，而是面向对象，密切结合应用需求，强调综合集成。从信息交互上来看，已经从简单的状态信息组合和基于监控的处理，发展到基于内容的处理和融合，以及基于虚拟和多媒体技术的人机接口。1. 智能建筑的系统集成有两个层面，即中央的集成（它代表系统从总体到局部自上而下的整体规划）和子系统的集成（即从下而上实现子系统各项功能的集成）。 为此首先要在BA、CY、OA三个子系统级各自集成，子系统集成是以功能实现为目标的基础集成，在形成建筑物管理系统BMS、计算机网络系统CNS1、办公自动化系统OAS、这三个独立的子系统之后，在此基础上再对各子系统作中央集成，构成集成管理系统IBMS，这是以提高效率为目标的高层次集成。2. 系统集成应根据需要采用功能集成、网络集成、软件界面集成等多种集成技术。系统集成实现的关键在于解决系统之间的互联和互操作性问题，它是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。这既需要解决各类设备间及子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等问题，又存在与建筑环境、施工配合、组织管理、人员配备等相关的一切面向集成的问题，系统集成的本质是达到资源的共享。智能建筑的系统集成经历了从子系统功能级集成到控制系统与控制网络的集成，再到当前的信息系统与信息网络集成的发展阶段。在媒体内容一级上进行综合与集成，可将它们无缝地统一在应用的框架平台下，并按应用的需求来进行连接、配置和整合，以达到系统的总体目标。3. 智能建筑的系统集成可采用以BAS为中心、通过LonWorks或BACnet技术实现的集成模式方案。当前BAS的结构大多采用二级网络的形式，即上层为局域网LAN，通常是以太网或BACnet网络，下层采用RS485或LonWorks，等较低速率的标准工控总线方式，从而具备集成的有利条件，图8-1-4示出了一个典型的实例。此外，以BAS为中心的集成模式还可通过开发与第三方系统的网络通信接口（网关或网络控制器），将各种系统数据集成到网络主干上，这样BAS网关就能将消防、保安等第三方系统的协议转化为BAS楼宇级通信主干协议，从而实现了以BAS为中心的集成目的。这种集成模式的优点是楼宇自控系统软件本身提供的开发平台就比较强大，通过网关转换，不难将智能建筑内全部弱电系统连通，缺点是楼宇自控级网络通信速率最高只能达到116kbps。LonWorks或BACnet , 是非常优秀的测控网络通信技术，很适合大区域和点数分散的控制系统，LonWorks通信速率能达到1.25Mbps，BACnet , 可达10Mbps。4. 智能建筑最重要的应是以信息集成为核心，能够连接所有与之相关的对象，并根据需要综合地相互作用，以实现整体的目标。可采用OPC技术和ODBC技术来实现智能建筑的系统集成。 microsof公司提供的对象链接与嵌入OLE是用于应用程序之间数据交换和通讯的协议，允许应用程序链接到其他软件对象中，而OPC（OLE）是用于过程控制的OLE，是提供信息管理域应用软件与实时控制域进行数据传输的方法，提供应用软件访问过程控制设备数据的方法，可解决应用软件与过程控制设备之间通信的标准问题，而为实时控制域与信息管理域的全面集成创造了良好的软件环境。在统一的OPC环境下，各应用程序可以直接读取现场设备的数据，免去了需要一个一个地编制专用接口程序的麻烦。OPC的重要作用是使设备的软件标准化，从而实现不同网络平台、不同通信协议、不同厂家的产品能够方便地互联和互操作。 ODBC技术也是microsof公司推出的一种应用程序访问数据库的标准接口，是解决异种数据库之间互联的标准，适用于各种数据库。ODBC兼容的应用软件通过SQL结构化查询语言，可以查询、修改不同类型的数据库。 使用OPC技术不仅可与楼宇自控系统进行通信，也可与火灾报警系统进行集成，还可以与CCTV系统、报警系统等安防系统作集成。Andover提供了一种采用OPC技术与第三方应用程序集成的有效解决方案，并通过使用一个单一的应用程序进行实时监控和执行。Honewell公司推出的基于建筑物自动化现场总线控制系统BAFCS的集成系统EBI是其代表。它将独立的控制系统BAS网络WEB化，即在传统的BAs中央站中嵌入WEB服务器，融合WEB功能以网页形式的工作模式使BAS与企业网Intranet成为一体化系统。如图8-1-5所示。BAFCSS由信息网络（管理层）、控制网络（自动化层）、仪表网络（现场层）三层网络组成。管理层为WEB技术瘦客户浏览器；自动化层由WEB服务器、实时数据库、关系型数据库、Web技术胖客户工作站组成，兼具客户机/服务器两层结构和浏览器/Web服务器/数据库三层结构，表现了管理控制一体化的特点，而且将DDC分站的安装位置从传统靠近受控设备的各个地方集中到中央控制室内，而在受控机电设备“附近”位置代之以现场总线输入输出设备，这种结构为高速数据传输提供了条件；在现场层由于上层DDC分站将除CPO模块外的模拟量输入/出（AI/AO）、数字量输入/出（DI/DO）、PID调节等基本控制功能下载到现场总线节点中、各个节点的信息在现场总线中传送和功能集成，因此使现场层有相当自治能力来完成现场设备的实时控制。而传感器和执行机构等现场设备也因经通讯接口及输入, 输出模块连接到现场总线上而成为了点对点通讯的现场网络。5.最新的技术是将智能建筑信息集成建立在建筑物内部网Intranet的基础上，通过Web服务器和浏览器技术来实现整个网络上的信息交互、综合与共享，实现统一的人机界面和跨平台的数据库访问，因此能够做到局域和远程信息的实时监控、综合共享数据资源、对全局事件作快速处理和一体化的科学管理。基于Web的多层架构、支持浏览器, 服务器（B/S）运行模型的智能建筑系统集成结构如图8-1-6所示，它包括互联技术、分布式对象管理技术、数据库访问技术等内容，分为表现层、业务层、数据层、控制层4 层结构。工作过程是用户的请求先送到Web服务器，再由Web服务器通过CGI送到数据库服务器，之后Web服务器将结果格式化为HTML格式，反馈给用户。Web服务的主要目标是跨平台的可互操作性，Web服务平台采用可扩展的源标记语言XML表示数据的基本格式，提供一种标准XSD 来描述Web服务，让用户可以得到足够的信息来调用这个Web服务。6.实时数据的集成和管理数据的集成智能大楼中包括了许多个子系统，涉及到实时控制和分时管理两个不同的信息处理领域。由于处理对象差异，各个子系统无论在硬件和软件结构上都有着很大的不同，要把它们都构架到“同一个界面环境”决非易事。系统集成的实质是一种横向集成。都是把各个弱电子系统通过物理集成、网络集成、应用集成而连接成一个完整的大系统。 对于智能大楼而言，实时数据的集成是最为重要的，也是要首先实现的。这就要充分利用先进的产品和技术，实现对大楼消防、安全防范、门禁、电梯控制、灯光控制、停车场等众多弱电子系统实时数据的集成，并完成各子系统之间的联动控制。美国标准ANSI135 明确表示，BACnet是为了把不同厂商的自动化系统之间能够进行数据交换（集成）而制定的通信协议标准，它规定了控制设备之间进行数据通信所必须遵守的规则，BACnet通信协议涉及的对象都是基于实时控制需要而设立的。 但从绿色建筑和可持续发展的角度，将控制与管理相结合，从而扩展智能化系统的内容和内涵，是建筑智能化的发展方向。楼宇自动化管理数据的集成，可通过使用开放的数据库SQLserver软件、微软公司的OLE、ODBC技术而具有Web server功能来实现 建筑智能化是从自动控制向信息管理发展的产物，作为把控制提升到管理的标志，将办公自动化纳入建筑智能化，也是极其重要的横向集成。它包括两个方面的内容，一种是大楼使用者的办公业务，另一种办公自动化是大楼管理者的办公业务，即物业管理，以楼宇自动化的运行数据库为基础，以建筑物的有效运行和有效管理为目标，将物业管理融入到楼宇自动化管理中，从而扩大建筑物管理的范畴。3 企业内控制网络和信息网络信息集成途径控制网络和信息往网络是企业中既相互独立又相互联系的网络，信息网络是基于宽带技术的分时系统，提供开放式使用环境，有防火墙等防范措施及对网络进行管理、记录、监视、过滤的功能。而控制网络大多是实时系统，响应延迟时间越小越好，对可靠性要求高，局限于较封闭的环境。可采用的途径有：3.1在控制网络和信息网络间加入转换接口这种方式通过硬件来实现，在底层网段与监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络和信息网络的扩展与之集成。转换接口的集成功能强，但实时性较差。信息网络多采用TCP/IP的以太网，而TCP/IP没有考虑数据传输的实时性，当现场传输数据量大或远传监控操作频繁时，转换接口有可能成为瓶颈。3.2在控制网络和信息网络之间采用动态数据交换技术（DDE）当控制网络和信息网络间之间具有中间系统或共享存储工作站时，可以采用DDE方式实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存交换信息，中间系统中的信息处机是控制网络的工作站，同时也是信息网络的工作站。其中运行两个程序，一是接收、校验实时信息的通讯程序，为信息网络数据库提供实时数据信息；另一个是数据访问应用程序接口，它接收DDE服务器实时数据并写入数据库服务器中，供信息网络实现处理、统计分析等功能。 DDE方式具有较强的实时性，可采用标准的WINDOWS技术。但涉及到复杂的协议转换时，DDE方式的软件费用较大，比较适合配置简单的小系统。3.3采用OPC技术和ODBC技术 使用OPC接口标准技术，将各系统的各种接口标准满足OPC联接要求，实现不同网络平台、不同通讯协议产品的互联和互操作。4.企业的系统集成通过结构化综合布线系统和计算机网络技术，使企业内各个子系统具有开放式结构，协议和接口都标准化和规范化，软硬件的连接方式、交换信息的内容和格式、子系统的互动和联动功能、各系统的扩展方法，都必须规范化和标准化，使各自分离的设备、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统中，实现各子系统的信息融合，达到资源的充分共享。系统集成要求网络化的集成，而不在以处理器或服务器为中心。计算机环境也从客户机/服务器模式向浏览器/服务器和CLIENT/NETWORK的方向转变，既把C/S模式中的服务器分解为一个WEB服务器和一个或多个数据库服务器，集成系统的开发也不是面向过程，而是面向对象，密切结合需求。41集成的两个层面集成分为两个层面，即中央的集成（系统从总体到局部自上而下整体规划）和子系统集成（从下而上实现子系统各项功能的集成）42系统集成应根据需要采用集成技术 在一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构的情况下，采用功能集成、网络集成、软件集成等多种集成技术，在解决各类设备间及子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等问题的基础上，解决系统之间互联和互操作问题。43系统集成应以信息集成为核心 为连接所有与之相关的对象，并根据需要综合地相互作用，以实现整体目标，决定采用OPC技术和ODBC技术实现企业管理的系统集成。 OPC是用于过程控制的OLE，提供信息管理域应用软件与实时控制域进行数据传输的方法，可解决应用软件与过程控制设备之间通讯的标准问题，在OPC环境下，各应用程序可以直接读取现场设备的数据，免去了单个编制接口程序的麻烦。OPC的重要作用是使设备的软件标准化，实现不同网络平台、不同通讯协议、不同厂家产品能够方便的互联和互操作。ODBC采用Microsoft WOSA 结构中的一种接口，为基于 Windows 的应用程序提供一种通用语言来访问网络数据库，是解决异种数据库之间互联的标准，适用于各种数据库，ODBC兼容的软件通过SQL结构化查询语言，可以查询、修改不同类型的数据库。OPC服务器不断地由设备端读取或存储相关数据到统一的SQL服务器中，并根据客户需求以同步或异步方式向用户提供更新的数据。OPC允许信息管理域的应用软件与控制管理域不断进行数据传输，实现统一的向上集成。44建立在INTRANET网络上的集成 通过WEB服务器和浏览器技术来实现整个网络的信息交互、综合共享、实现统一的人机界面和跨平台的数据防问，能作到局域网和城际网间的实时监控、综合共享数据资源、对全局事件作出快速处理和一体化的科学管理。基于WEB的多层架构，支持B/S运行模式。模型如图： 分为：表现层、业务层、数据层、控制层4层结构。工作过程是用户的请求先送到WEB服务器，再由WEB服务器通过CGI送到数据库服务器，之后WEB服务器将结果化为HTML格式，反馈给用户。WEB服务的目的是跨平台的可互操作性，WEB服务器平台采用可扩展的源标记语言XML表示数据的基本格式，提供一种标准XSD来描述WEB服务，让用户可以得到足够的信息来调用这个WEB服务。 在此方案中，管理层采用以太网技术，由WEB技术瘦客户机浏览器、CISCO交换机、CAT6双绞线（UTP）或六芯多模光纤组成；自动化层采用工业以太网技术，由WEB服务器、数据库服务器（实时数据库、关系型数据库）、工作站、可编程控制器、光纤交换机（OSM）、六芯多模光纤组成，兼具客户机/服务器两层结构和浏览器/WEB服务器/数据库三层结构，表现了管理控制一体化的特点；现场层为分布式I/O装置（ET-200M）、I/O板卡、PROFIBUS-DP线缆组成，完成现场设备的实时控制。由OPC Task Force制定的OPC(OLE for Process Control)规范于1996年8月正式诞生了，随着1997年2月Microsoft公司推出Windows95支持的DCOM技术，1997年9月新成立的OPC Foundation对OPC规范进行修改，增加了数据访问等一些标准，OPC规范得到了进一步的完善。“OPC 基于Microsoft公司的 Distributed interNet Application (DNA) 构架和 Component Object Model (COM) 技术的，根据易于扩展性而设计的。OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。”OPC 基础委员会主席Dave Rehbein是这样描述的OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的