Web環(huán)境下工業(yè)自動化信息交互平臺*

涂婉麗，徐軼群，鐘舜聰

(1.集美大學輪機工程學院，福建廈門361021;2.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州350108)

0 引言

目前，工業(yè)自動化信息系統(tǒng)要實現(xiàn)信息的監(jiān)控交互，最常用的就是工業(yè)組態(tài)軟件。工業(yè)組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的軟件開發(fā)平臺，可完成信息的瀏覽和監(jiān)控［1］。隨著網(wǎng)絡應用的不斷普及，很多工控領域不再滿足于本地的監(jiān)控功能應用，越來越多地要求系統(tǒng)具有Web 功能，如通過Internet 網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程工程部署、監(jiān)控、調試和診斷等等。而傳統(tǒng)的組態(tài)軟件以單機應用為主，部分組態(tài)軟件雖具有Web 功能，但發(fā)布模式復雜，限制條件多，對Internet 的利用十分有限，而且不支持遠程發(fā)布功能。當自動化信息系統(tǒng)的用戶量達到一定規(guī)模、操作地點的分布達到一定范圍時，組態(tài)軟件的Web 功能已無法滿足應用需求。此外，對于復雜的工業(yè)自動化信息系統(tǒng)，常常需要多人協(xié)同開發(fā)。如何兼顧多人協(xié)同開發(fā)的效率和動態(tài)網(wǎng)頁的開發(fā)質量，也是信息交互平臺在設計實現(xiàn)時的一個難題。

導致傳統(tǒng)組態(tài)軟件Web 功能的不足的根本原因在于系統(tǒng)采用了客戶端/服務器(C/S)模式。C/S 模式適用于在局域網(wǎng)內建立數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)多臺計算機的分工協(xié)作，功能相對簡單。此外該模式中每個客戶端都需要安裝客戶端軟件，且需要部署和設置防火墻等，維護工作量大。

基于上述分析，本研究采用瀏覽器/服務器(B/S)模式，設計一種基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺，建立系統(tǒng)的系架構并實現(xiàn)自動化業(yè)務邏輯，其可用于工業(yè)自動化信息系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，不受時間和空間的限制，將局域網(wǎng)內實現(xiàn)的功能延伸到Internet 上去。

1 B/S 模式下基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺的體系架構

B/S 模式采用的是瀏覽器、Web 服務器和數(shù)據(jù)庫服務器的體系結構，其結構如圖1所示。數(shù)據(jù)庫服務器不直接服務于每個客戶機，而與Web 服務器進行溝通;應用程序全部放在Web 服務器上，將數(shù)據(jù)庫服務器的實時數(shù)據(jù)動態(tài)發(fā)布到網(wǎng)上;所有客戶端只需通過Internet 瀏覽器即可進行遠程監(jiān)視。無論用戶規(guī)模有多大，只需要把服務器連接入網(wǎng)，即可在任何地方進行操作而不用安裝專門的軟件。此外客戶端零維護，管理員只需要管理Web 服務器，對于系統(tǒng)的遠程維護、升級、共享甚至功能擴展都非常容易［2］。

圖1 B/S 模式的體系結構

基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺是基于Web Service 的應用程序，系統(tǒng)的體系架構可分成應用表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層3 部分［3］，其架構如圖2所示。應用表現(xiàn)層即客戶端通過Internet 瀏覽器界面直接與Web 服務器端進行動態(tài)交互，接受用戶的請求以及數(shù)據(jù)的返回。業(yè)務邏輯層處于數(shù)據(jù)訪問層與應用表現(xiàn)層中間，主要處理自動化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和業(yè)務邏輯。數(shù)據(jù)訪問層負責數(shù)據(jù)庫的訪問、管理和維護。如果要實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和控制，客戶端的控制指令也可以通過Web服務器寫入現(xiàn)場設備。這樣，對于系統(tǒng)的開發(fā)與維護都更加方便，而且系統(tǒng)的開放性得到很大提高。需要注意的是，由于網(wǎng)絡延時的存在，考慮到系統(tǒng)的可靠性要求，基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺主要用于遠程監(jiān)督控制，如進行遠程設備調試和遠程設備故障診斷、處理，而主要的邏輯控制功能由物理設備完成［4］。

圖2 基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺的體系架構

2 工業(yè)自動化信息交互平臺設計

本節(jié)以船舶動力裝置的虛擬操作訓練系統(tǒng)為例，闡述基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺的設計過程及關鍵問題的解決方案。此處船舶動力裝置的設計方案見參考文獻［5-6］。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面(HMI)

基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺必須能夠在Internet 瀏覽器中實現(xiàn)自動化系統(tǒng)操作的動態(tài)交互，因此要采用一種可以產(chǎn)生和執(zhí)行動態(tài)、交互式、高效率的Web 服務器應用程序的工具。如ASP(Active Server Pages)、JSP(Java Server Pages)、PHP(Hypertext Preprocessor)等動態(tài)網(wǎng)站編輯工具均可以生成信息系統(tǒng)的動態(tài)交互操作界面［7］。ASP、PHP、JSP 都是面向Web 服務器的技術，客戶端瀏覽器不需要任何附加的軟件支持，它們都具有提供在HTML 代碼中混合某種程序代碼、由語言引擎解釋執(zhí)行程序代碼的能力，對工業(yè)自動化信息系統(tǒng)要實現(xiàn)其對復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)的監(jiān)控起到重要的作用。

本研究采用了ASP.Net Framework 平臺(以下簡稱.Net 平臺)，開發(fā)設計了船舶動力裝置的虛擬操作訓練系統(tǒng)。其中一個模塊－空氣壓縮操作系統(tǒng)的交互界面如圖3、圖4所示。在交互界面上，系統(tǒng)分成兩個部分:空氣壓縮虛擬操作系統(tǒng)的管路原理圖如圖3所示，放在交互界面左側;進行虛擬操控的電氣控制箱如圖4所示，放在交互界面右側。

圖3 空氣壓縮虛擬操作系統(tǒng)的管路原理圖

圖4 空氣壓縮虛擬操作系統(tǒng)的電氣控制箱

2.2 編輯動態(tài)交互邏輯功能

基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺中，客戶端通過Internet 瀏覽器對系統(tǒng)進行動態(tài)操作時，界面上對象的狀態(tài)變化要與實際的工業(yè)自動化系統(tǒng)一致。如上所述的空氣壓縮操作系統(tǒng)中，管路、閥門、電源開關、泵的啟停按鈕、儀表指示燈、液位計等均要能夠進行實時交互。這種動態(tài)交互邏輯功能的實現(xiàn)是設計工業(yè)自動化信息交互平臺的難點。解決方案包括采用圖片和動畫技術實現(xiàn)，或者直接采用ActiveX 控件技術實現(xiàn)。關于ActiveX 控件技術的使用方法，可以參考相關文獻［8-9］。上述空氣壓縮操作系統(tǒng)正常運行時管路和電氣控制箱的狀態(tài)圖如圖5、圖6所示。其中管路的流動效果是以圖片和動畫技術來實現(xiàn)的，而其他開關量和模擬量的控制是采用ActiveX 控件技術實現(xiàn)的。通過虛擬電氣控制箱，本研究可以對壓縮系統(tǒng)中被控對象進行操作，系統(tǒng)交互畫面生動，對象狀態(tài)跟隨控制指令實時變化。

圖5 空氣壓縮虛擬操作系統(tǒng)管路的運行狀態(tài)圖

圖6 空氣壓縮虛擬操作系統(tǒng)電氣控制箱的運行狀態(tài)圖

在實現(xiàn)系統(tǒng)對象的動態(tài)交互邏輯功能時，服務器端主要負責生成界面和邏輯功能的腳本，并發(fā)送給客戶端瀏覽器?？蛻舳藶g覽器負責解析這些腳本并在系統(tǒng)交互操作時實時刷新頁面。當需要和服務器端進行數(shù)據(jù)通信時，客戶端才發(fā)送所需的加密數(shù)據(jù)，這樣就減輕了服務器端的負擔，提高了交互的速度。測試結果顯示，即使是船舶動力裝置虛擬操作系統(tǒng)中管路最多、邏輯功能最復雜的模塊，在多人異地同時操作的情況下，系統(tǒng)交互頁面的實時刷新也不會出現(xiàn)卡的現(xiàn)象。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)過程中采用多人協(xié)同開發(fā)的模式

在基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺的開發(fā)中，還有一個難題來自于開發(fā)人員本身。由于動態(tài)網(wǎng)頁的設計中，操作對象的定位、頁面的美工、特別是邏輯交互功能的編輯等等方面，均需要由專業(yè)的軟件開發(fā)技術人員來完成。對于一般工程技術人員，雖然對自動化系統(tǒng)的控制邏輯較為熟悉，但由于不是計算機專業(yè)出身，在信息交互平臺上實現(xiàn)這些功能時會遇到困難。此外，對于復雜的工業(yè)自動化信息系統(tǒng)，常常需要多人協(xié)同開發(fā)。如本研究中的船舶動力裝置系統(tǒng)就是一個復雜的工程系統(tǒng)，在開發(fā)時間有限的情況下，就由多位技術人員協(xié)同開發(fā)完成。為了提高開發(fā)效率，同時保證動態(tài)網(wǎng)頁的開發(fā)質量，本研究在系統(tǒng)開發(fā)時采取了以下方案:首先由系統(tǒng)負責人給各技術人員分配任務模塊，并制定出統(tǒng)一的規(guī)則來實現(xiàn)對象的命名、對象的顯示方法、對象邏輯功能的定義等;然后各技術人員在.Net 平臺上利用WinForm 進行各自任務模塊交互界面的設計，并完成單機上業(yè)務邏輯的編輯與調試;最后通過調用統(tǒng)一的GetCode()轉換程序轉換到Web 頁面上。其中的GetCode 轉換程序由系統(tǒng)負責人單獨開發(fā)。結果表明，該方案不需要工程技術人員具備很強的軟件開發(fā)專業(yè)背景，同時大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，最關鍵是保證了工業(yè)自動化信息系統(tǒng)的動態(tài)網(wǎng)頁的質量。

以下是單機版調用GetCode()轉換程序的代碼:

以下是GetCode()轉換程序的部分代碼:

2.4 SQL Server 數(shù)據(jù)庫

本研究設計的船舶動力裝置虛擬操作系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫服務器和Web 服務器共享為一臺，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選用Microsoft SQL Server 2005～2008。SQL Server 是一個關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有使用方便、可伸縮性好、相關軟件集成程度高等優(yōu)點。SQL Server 可跨越多種平臺使用，其內部建立了一種可以與Web 服務器相連接的機制［10］。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫訪問，常常是手工編寫代碼，容易出錯而且周期長，維護難度高。由于很多代碼編輯是重復性工作，為了快速有效生成數(shù)據(jù)訪問層(Data Access Layer，DAL)，本研究可以選擇數(shù)據(jù)庫訪問層建模工具(如著名的CodeSmith 工具、微軟企業(yè)庫等等)，將大大減輕開發(fā)工作量和維護難度。關于這類工具的方法可參考各個軟件的幫助文檔。

3 結束語

目前計算機、操作平臺、網(wǎng)絡、通信都進入一個快速發(fā)展的新時期，基于Web 技術實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控己成為越來越多的工業(yè)自動化系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，工業(yè)自動化信息技術也必然從單機應用向著智能化、網(wǎng)絡化和集成化方向發(fā)展。

本研究設計實現(xiàn)的基于Web 的工業(yè)自動化信息交互平臺，解決了信息系統(tǒng)應用中時間和空間限制的問題，提供了一種科學、經(jīng)濟、實用的解決方案。以該方案設計的船舶動力裝置的虛擬操作系統(tǒng)已經(jīng)投入運行。實踐表明，該系統(tǒng)具有良好的交互性、維護性和擴展性。當然，針對高安全性要求的工業(yè)自動化信息系統(tǒng)，還有待進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

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