工業(yè)綜合自動化信息系統(tǒng)的設(shè)計

王 瑛

(閩江學(xué)院教務(wù)處， 福建 福州 350108)

0 引 言

綜合工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的順利實施是建立在可靠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的，穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)生產(chǎn)管理的重要保證.隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化概念向自動化領(lǐng)域的不斷滲透，自動化控制理念和技術(shù)也在不斷發(fā)展.20世紀(jì)末，新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)克服了DCS 系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)實現(xiàn)所造成的缺陷，試圖將基于封閉、專用的解決方案變成基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案[1].此后，上位機(jī)、PLC 和現(xiàn)場總線構(gòu)成的集散監(jiān)控系統(tǒng)逐步成為自動化的主流.但由于不同行業(yè)不同應(yīng)用派生出了不同的總線系統(tǒng)，各種不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之間的互不兼容嚴(yán)重束縛了不同廠商設(shè)備之間的互連，使得現(xiàn)場總線成為受廠商限制的專用網(wǎng)絡(luò).

綜合自動化信息系統(tǒng)是一項新技術(shù)，從系統(tǒng)的角度來看，綜合自動化信息系統(tǒng)的發(fā)展將是多方位的，除了完成設(shè)備之間、地區(qū)之間這些同級別自動控制的橫向集成之外，系統(tǒng)的發(fā)展還將體現(xiàn)在縱向的集成上，例如由生產(chǎn)級、工廠管理級和公司管理級的集成以及生產(chǎn)系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)(MIS) 、企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)(ERP) 的集成.將生產(chǎn)過程集成到全局的信息流中，直到整個企業(yè)經(jīng)營區(qū)域的Internet化，生產(chǎn)級的集成數(shù)據(jù)可以上傳到公司管理級，只要需要，控制信息可以通過傳統(tǒng)的瀏覽器獲取，而支持Internet 的文件管理系統(tǒng)可以方便地為公司管理人員提供所有的相關(guān)信息[2].

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它不僅在辦公自動化領(lǐng)域而且在工業(yè)自動化場合得到了廣泛應(yīng)用，許多控制器、PLC、智能儀表、DCS 系統(tǒng)已經(jīng)帶有以太網(wǎng)接口，這些都標(biāo)志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為真正開放互連的工業(yè)網(wǎng)絡(luò).采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制系統(tǒng)具有高度的分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性.本設(shè)計采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了綜合自動化控制網(wǎng)的設(shè)計.

1 SCADA系統(tǒng)

1.1 SCADA系統(tǒng)簡介

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)是針對生產(chǎn)過程和事物管理自動化最為有效的計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一[3]， SCADA系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng).它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能.

基于PC機(jī)Windows平臺的SCADA上位機(jī)系統(tǒng)是目前發(fā)展的趨勢，特別是基于NT/2 000/XP平臺的SCADA系統(tǒng).目前，國際和國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的SCADA系統(tǒng)有美國Interlution公司的iFix、SIEMENS公司的WinCC、WondWare的FS A2、澳大利亞的CiTech、意大利LogoSystem的LogView、KingView組態(tài)軟件等.

1.2 SCADA系統(tǒng)工作原理

SCADA系統(tǒng)包含兩部分：一是分步式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機(jī)；另一個是數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，即上位機(jī)HMI(Human Machine Interface)系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)的配置如圖1所示.

圖1 SCADA系統(tǒng)的配置圖

下位機(jī)通常指硬件層上的，即各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit， RTU)等,這些智能采集設(shè)備與生產(chǎn)過程和事務(wù)管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，感知設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過特定數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到HMI系統(tǒng)中.必要時，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號.上位機(jī)HMI系統(tǒng)在接收到這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问饺缏曇?、圖形、圖像等方式顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的，同時數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)(報警、正常或報警恢復(fù))，這些處理后的數(shù)據(jù)可能會保存到數(shù)據(jù)庫中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控系統(tǒng)上，還可能與別的系統(tǒng)(如MIS，GIS)結(jié)合形成功能更加強大的系統(tǒng)；HMI還可以接受操作人員的指示，將控制信號發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計中對整個綜合自動化系統(tǒng)元器件的選型配置，要求質(zhì)量可靠，設(shè)備一流.主要設(shè)備的廠家界定為國內(nèi)外知名品牌.系統(tǒng)要求穩(wěn)定性強、人機(jī)界面友好、操作簡單、維護(hù)方便.在物理上和邏輯上應(yīng)考慮到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的冗余，以確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全.當(dāng)綜合自動化系統(tǒng)中某一子系統(tǒng)的通訊或元器件出現(xiàn)故障時，不得影響其它子系統(tǒng)的通訊和整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.系統(tǒng)可隨著項目建設(shè)規(guī)模的進(jìn)程做到整體規(guī)劃分部實施，并能隨著技術(shù)的發(fā)展不斷升級.

系統(tǒng)集成了當(dāng)今先進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)、光纖通信技術(shù)、自動化和監(jiān)測監(jiān)控等技術(shù)，遵循3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過開發(fā)基于中間件技術(shù)的控制軟件，將對生產(chǎn)過程的控制、監(jiān)測能力，隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展而自然延伸，直至實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的異地遠(yuǎn)程監(jiān)測與維護(hù).系統(tǒng)設(shè)計總體上劃分為3層：信息管理層、控制層、設(shè)備層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.

2.1 綜合自動化網(wǎng)絡(luò)基本要求

(1)開放性：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是完全開放的，符合國際公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，具備成熟的第三方連接能力.

(2)信息傳輸服務(wù)：控制層設(shè)備提供方便的接入端口，無論從任何一點接入，都能方便地支持編程上傳/下載、系統(tǒng)診斷和數(shù)據(jù)采集功能，且不需要復(fù)雜的編程或特殊的軟硬件支持，同時不影響實時信息傳輸性能.

(3)網(wǎng)絡(luò)工作模式：采用現(xiàn)場工業(yè)總線+千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的模式支持生產(chǎn)者/消費者模式的數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu).數(shù)據(jù)塊傳送和報文發(fā)送都可通過組態(tài)完成，不需額外編程.

(4)網(wǎng)絡(luò)速率：網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸速率大于5 Mbps，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)單一網(wǎng)絡(luò)提供不小于99個站點的連接能力，并根據(jù)應(yīng)用需要，支持靈活的網(wǎng)絡(luò)分段以及相應(yīng)的隔離或者橋接方案.

(5)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)：網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)支持同軸電纜和光纖連接，根據(jù)實際需要提供靈活的電纜形式，如鎧裝、地埋、高柔性等電纜形式.

(6)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的范圍和擴(kuò)展：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠根據(jù)現(xiàn)場情況支持星型、樹型、總線型和環(huán)形等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過中繼器和光纖，最大拓?fù)渚嚯x不小于30 km；擁有現(xiàn)成靈活的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具和強大的網(wǎng)絡(luò)診斷功能，可任何節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，而不需要更改從前的站號和配置，并充分考慮今后擴(kuò)展的方便性；系統(tǒng)通過光纖環(huán)網(wǎng)方式實現(xiàn)以太網(wǎng)連接，即骨干網(wǎng)上任何一點的光纖連接意外斷開，系統(tǒng)都能通過反向環(huán)的方式提供后備以太網(wǎng)鏈路，在保證系統(tǒng)可用性的同時兼顧經(jīng)濟(jì)性.

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)穩(wěn)定和與其它系統(tǒng)互聯(lián)的重要保障，其具有以下特點：

(1)標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議：系統(tǒng)采用的接口協(xié)議均是自控、以太網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的采用為與綜合自動化其他系統(tǒng)的互聯(lián)、互通奠定了基礎(chǔ).

(2)可擴(kuò)展性強：系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，功能的變更和子系統(tǒng)的添加不會影響整個系統(tǒng)的架構(gòu)，同時運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)整合數(shù)據(jù)，在為自身提供數(shù)據(jù)訪問的基礎(chǔ)上也為ERP、OA等信息應(yīng)用系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，為后期的數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ).

(3)客戶端零配置：系統(tǒng)支持B/S結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)極大地簡化了客戶機(jī)的工作，使得維護(hù)工作只需要在服務(wù)器上進(jìn)行，所以本系統(tǒng)易于管理和維護(hù).

2.3 硬件配置

系統(tǒng)硬件在物理上和邏輯上充分考慮了冗余，以確保網(wǎng)絡(luò)的安全，當(dāng)某子系統(tǒng)的通訊或元器件出現(xiàn)故障時，不影響整個網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，硬件設(shè)備選型須符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).信息中心能實時、準(zhǔn)確地采集到子系統(tǒng)的工況及環(huán)境參數(shù)，并以圖表的形式表現(xiàn)出來，實現(xiàn)監(jiān)測與控制.通過VALN劃分及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等技術(shù)，保證工況及環(huán)境參數(shù)的實時傳輸.系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性強、界面友好、操作簡單、維護(hù)方便.

考慮先進(jìn)性、安全性、可靠性、實用性和兼容性，做到系統(tǒng)可靠運行、易擴(kuò)展與升級，易與異構(gòu)子網(wǎng)互連.設(shè)備故障或監(jiān)測量超限時，專業(yè)子系統(tǒng)與集控系統(tǒng)同步顯示故障設(shè)備名稱、報警點及數(shù)值，并將故障報警信息存入數(shù)據(jù)庫，供統(tǒng)計分析.此外，系統(tǒng)能夠建立綜合歷史數(shù)據(jù)庫，實時寫入數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計分析提供依據(jù)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)分析、聯(lián)控功能，充分保證網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全及供電安全.其主要設(shè)備如表1所示.

表1 綜合自動化信息系統(tǒng)主要設(shè)備列表

3 系統(tǒng)軟件平臺及接口

3.1 WinCC系統(tǒng)

WinCC是使用最新軟件技術(shù)的市場領(lǐng)先創(chuàng)新軟件，它可以提供 Windows NT、Windows 2000/XP和Windows 2003標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下安全控制過程所需的所有功能.WinCC是一種按照價格和性能分級，能高效控制自動化過程的過程可視化系統(tǒng)(SCADA).WinCC的特殊功能之一是其整體開放性，它可方便地與用戶程序組合在一起使用，建立人機(jī)界面，較好地滿足實際需要.系統(tǒng)集成商使用 WinCC作為系統(tǒng)擴(kuò)展的特定平臺，經(jīng)過開放式接口，可開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng).WinCC是一個現(xiàn)代化的系統(tǒng)，設(shè)計具有獨特而頗富吸引力的用戶界面，可用于辦公環(huán)境和制造業(yè)，以提供成熟可靠的運行機(jī)制及高效的組態(tài).WinCC系統(tǒng)還可以擴(kuò)展，不管是簡單任務(wù)還是復(fù)雜任務(wù)都能勝任，它也是一個IT及商務(wù)集成的平臺.

WinCC是一種全局解決方案，具有多語言支持、內(nèi)置所有的SCADA 功能等特點，其強大的 SCADA 功能是系統(tǒng)的基本特性，系統(tǒng)可連續(xù)記錄與質(zhì)量有關(guān)的順序和事件，使系統(tǒng)能夠始終如一地確保質(zhì)量.其高度的開放性使之可以根據(jù)專有技術(shù)和垂直市場擴(kuò)展ActiveX 控件，經(jīng)過 OPC(用于過程控制的 OLE)的非專用過程通訊，可匹配外部數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)接口(OLE-DB)、集成的標(biāo)準(zhǔn)腳本語言等.

3.2 OPC接口

OPC全稱是OLE for Process Control[4]，直譯為過程控制中的對象連接嵌入技術(shù).在當(dāng)今過程控制領(lǐng)域，它是一種非常流行的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，其實質(zhì)是將微軟的ActiveX(控件)技術(shù)應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域.也就是說在過程控制系統(tǒng)中，硬件服務(wù)商或軟件提供者提供的數(shù)據(jù)源，在設(shè)計數(shù)據(jù)接口時就采用了微軟的OLE技術(shù)，并提供了相應(yīng)的控件、動態(tài)鏈接庫，即支持OPC接口技術(shù).當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要與數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，其開發(fā)的基于Windows的應(yīng)用程序僅需將數(shù)據(jù)源提供的控件引入或者遵循OLE技術(shù)，就可以與數(shù)據(jù)源進(jìn)行通訊，而無需提供數(shù)據(jù)源硬件驅(qū)動程序或與服務(wù)商軟件的通訊接口，大大地節(jié)省了開發(fā)費用，在應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制間建立了橋梁，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換更加方便、靈活.

OPC 技術(shù)采用開放式數(shù)據(jù)交互，能使來自不同公司的軟硬件組成一個有機(jī)的整體[5]，它傳輸可靠、速度快，而且適于大批量數(shù)據(jù)交換，目前已經(jīng)成為工控行業(yè)新的通訊標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在工控行業(yè)的各個領(lǐng)域.本系統(tǒng)通過在管控網(wǎng)絡(luò)單元的服務(wù)器中設(shè)計有OPC的客戶模塊，可直接與具有OPC服務(wù)器的現(xiàn)場單元系統(tǒng)存取數(shù)據(jù).

4 結(jié)束語

綜合自動化信息中心利用全集成自動化的思想，將企業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備監(jiān)控融為一體，與工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)協(xié)作，利用工業(yè)以太網(wǎng)，在地面中央信息中心控制室即可實現(xiàn)對各生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備的監(jiān)視和控制，并可將信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送給上級部門，使上級部門管理人員在辦公室通過計算機(jī)即可隨時了解安全、生產(chǎn)、財務(wù)、人事、運銷等各種信息，從而實現(xiàn)全面調(diào)度、統(tǒng)一管理.本文利用先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)對整個生產(chǎn)過程和信息的管理進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能.

參考文獻(xiàn)

[1] 成紅瓊，朱 建，楊 祝，等. GIS與SCADA一體化系統(tǒng)實踐[J].電力自動化設(shè)備,2002,22(11):56-57.

[2] 秦常貴. SCADA系統(tǒng)及其在風(fēng)電場的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2004,5(12)：31-33.

[3] 黃志龍,邱家駒. 配網(wǎng)SCADA和GIS功能的集成[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2000,12(8):36-41.

[4] 張烈平,張云生,張群英. 基于OPC和Profihus-DP總線的遠(yuǎn)程控制[J].控制工程,2008,15(5): 594-597.

[5] 趙紅洲，潘西明. 基于OPC協(xié)議的數(shù)據(jù)集成實現(xiàn)與應(yīng)用[J]. 微計算機(jī)信息，2006,(25)：29-31.