基于ControlLogix的控制系統(tǒng)與信息應用系統(tǒng)的幾種通信方式的研究

神華黃驊港務有限責任公司 李澤琦

基于ControlLogix的控制系統(tǒng)與信息應用系統(tǒng)的幾種通信方式的研究

神華黃驊港務有限責任公司 李澤琦

美國羅克韋爾公司的ControlLogix系統(tǒng)廣泛應用于大中型工廠的控制系統(tǒng)中，上層的信息系統(tǒng)為了獲得控制系統(tǒng)中的數(shù)據需要與其進行數(shù)據通信。本文介紹了三種不同的通信方式，并分析每種通信方式的優(yōu)缺點，為信息系統(tǒng)的構建提供了參考依據。

ControlLogix；通信方式；研究

1.引言

ControlLogix系統(tǒng)是美國羅克韋爾公司開發(fā)的第三代PLC產品，由于其出色的性能和穩(wěn)定性，被廣泛的應用于大中型工廠的控制系統(tǒng)中。隨著信息技術的快速發(fā)展，為了便于管理和決策，大多數(shù)工廠都在控制系統(tǒng)的上層建設了各種信息應用系統(tǒng)。為了獲得設備和生產中的相關信息，大部分信息應用系統(tǒng)都會和下層的控制系統(tǒng)進行通信，獲取控制系統(tǒng)中的數(shù)據。本文主要分析幾種信息應用系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的通信方式，討論各種方式的實現(xiàn)原理及優(yōu)缺點，為信息應用系統(tǒng)的構建提供一個參考依據。

2.基于傳統(tǒng)OPC的通信方式

在現(xiàn)有大多數(shù)的信息應用系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的通信方案中，大多數(shù)是用OPC技術實現(xiàn)的的。該技術是一個工業(yè)標準，它是世界范圍內工業(yè)控制領域的幾家核心公司與微軟公司合作定制的。在工業(yè)控制領域的大部分廠商都為其硬件開發(fā)了遵循這一標準的軟件接口程序。

羅克韋爾公司遵循傳統(tǒng)該標準為其銷售的工業(yè)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了一套數(shù)據通信接口，并集成在羅克韋爾的組態(tài)軟件和通信接口軟件中，在計算機中安裝了該軟件，就可以使用該接口與工業(yè)控制系統(tǒng)進行通信。并且使用該接口可以和羅克韋爾公司的多種工業(yè)控制系統(tǒng)通信，而且通信接口的使用方式是一致的。在這種情況下，如果要更換底層的控制系統(tǒng)就不會再使用其他的接口，系統(tǒng)移植的軟件成本較低。一般情況下使用該接口通信的具體應用系統(tǒng)，信息應用系統(tǒng)要在裝有該接口軟件的計算機中運行一個服務，在這個服務中，軟件開發(fā)者要使用微軟公司的組件對象模型技術，動態(tài)的創(chuàng)建一個接口服務對象，通過該接口服務對象查詢到其支持的數(shù)據訪問實現(xiàn)，通過該服務定時通過接口讀取控制系統(tǒng)的數(shù)據，并將讀取到的數(shù)據存入數(shù)據庫中，信息應用系統(tǒng)通過訪問數(shù)據庫獲得控制系統(tǒng)的數(shù)據。

該標準最初是在上世紀九十年代年發(fā)布的。因此這種標準有著那個時代的局限性。首先這種標準是基于微軟的視窗操作系統(tǒng)平臺定制的標準，只用運行在該操作系統(tǒng)之上的應用程序才能使用這種接口，在非平臺的信息應用系統(tǒng)將無法使用該接口。其次OPC標準的遠程調用訪問基于微軟的動態(tài)組件對象模型技術，不適于在復雜的網絡環(huán)境下應用。最后，通過編程實現(xiàn)的數(shù)據接口不利于維護，當需要訪問的控制系統(tǒng)數(shù)據點數(shù)發(fā)生變化時需要對程序進行修改并重新編譯發(fā)布。

因此，傳統(tǒng)的OPC方式，適用于小型的數(shù)據量不大，數(shù)據交互頻繁，但數(shù)據點的個數(shù)不經常變化的信息應用系統(tǒng)。

3.基于羅克韋爾Transaction Manager軟件的通信方式

為了應對大規(guī)模的數(shù)據交互，羅克韋爾公司專門開發(fā)了用于工業(yè)控制系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)進行數(shù)據交互的軟件，該軟件稱為Transaction Manager，該軟件是運行企業(yè)所要進行集成和建立解決方案的理想平臺。

該軟件不直接與工業(yè)控制系統(tǒng)的控制器處理器進行通信，它位于類似OPC接口軟件的上層，它的底層可以使用OPC接口，也可以使用羅克韋爾公司為其工業(yè)控制系統(tǒng)專門開發(fā)的Live Data接口，使用該接口可以更方便快捷的與羅克韋爾自家生產的工業(yè)控制系統(tǒng)通信，通信效率更高，穩(wěn)定性也更高。同時，當需要與其他廠家生產的工業(yè)控制系統(tǒng)進行通信時就可以使用更加通用的OPC接口軟件。通過使用該軟件就不需要再單獨開發(fā)專門的數(shù)據交換服務程序，僅需要對該軟件進行配置，將工業(yè)控制系統(tǒng)中的點位標簽直接映射到關系數(shù)據庫的表中的字段即可。這樣上層的信息系統(tǒng)的應用程序不必要去關心底層數(shù)據交互的實現(xiàn)，僅僅是像一般情況下直接去訪問關系型數(shù)據庫，就可以獲得底層的工業(yè)控制系統(tǒng)中各個點位標簽的狀態(tài)信息。同時該軟件還支持雙向的通信，上層的企業(yè)信息應用系統(tǒng)既可以通過讀取關系型數(shù)據庫從中獲取工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據信息，也可以通過通過特定的操作如關系型數(shù)據庫中的存儲過程等方式將必要的信息寫入關系型數(shù)據庫中，該軟件可以可以通過配置將該存儲過程綁定，當檢測到該存儲過程執(zhí)行時，該軟件就獲得該存儲過程執(zhí)行處理的結果數(shù)據將這些數(shù)據通過羅克韋爾專用的實時數(shù)據接口或OPC軟件接口將數(shù)據寫入到羅克韋爾的工業(yè)控制系統(tǒng)中或者其他廠商的工業(yè)控制系統(tǒng)中去。該軟件支持在線修改配置，當需要傳輸?shù)臄?shù)據需要變更時，并不需要停止該軟件運行的服務，其他需要傳輸?shù)臄?shù)據并不受影響，這樣可以避免數(shù)據的丟失，提高系統(tǒng)運行的連續(xù)性。該軟件也支持將下層的通信接口進行冗余，在啟用冗余配置的情況下，該軟件可以同時連接多個用于連接同一工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據接口，并將其中一個作為主要的接口，當該軟件檢測到當前主要的數(shù)據通信接口數(shù)據通信出現(xiàn)異常時，該軟件會自動的切換數(shù)據通信接口，將另外的備用冗余的數(shù)據通信接口作為主要接口，使用該接口進行數(shù)據通信，從而保證數(shù)據通信的不間斷型，提高數(shù)據質量。

該軟件是羅克韋爾公司專門為了大規(guī)模的實時數(shù)據的傳輸而設計的，對實時的數(shù)據傳輸有較好的支持，然而，當傳輸?shù)臄?shù)據量較大，傳輸?shù)男畔⒔洺Ｗ兓瘯r，其上層的關系型數(shù)據庫就要承受較大的存儲壓力，因此，上層的關系型數(shù)據庫大多僅存儲一段時間內的數(shù)據，當數(shù)據量過大時，上層的信息系統(tǒng)會將之前的歷史數(shù)據刪除。因此，使用該軟件不能保存較長的歷史數(shù)據。

因此，Transaction Manager軟件適用于需要大規(guī)模的訪問低層控制系統(tǒng)中的數(shù)據，數(shù)據的交互比較頻繁，但不需要保存較長時間歷史紀錄的信息應用系統(tǒng)。

4.基于歷史數(shù)據庫的通信方式

歷史數(shù)據庫的正式名稱是FactoryTalk Historian SE。是羅克韋爾公司FactoryTalk軟件系統(tǒng)家族中的一部分，但是其歷史數(shù)據庫的軟件核心是OSISoft公司開發(fā)的PI系統(tǒng)，該系統(tǒng)廣泛應用于電力系統(tǒng)和其他工業(yè)信息化系統(tǒng)。

歷史數(shù)據庫系統(tǒng)，在系統(tǒng)層面上可以分為四個部分包括數(shù)據采集部分，數(shù)據處理存儲部分，數(shù)據管理查詢及應用接口部分。其中數(shù)據采集部分負責從PLC系統(tǒng)采集數(shù)據并將采集到的數(shù)據發(fā)送給數(shù)據處理存儲部分。與同樣是基于FactoryTalk平臺的Transaction Manager一樣，歷史數(shù)據庫系統(tǒng)的數(shù)據采集接口服務既可以使用羅克韋爾專用的實時數(shù)據服務接口來采集羅克韋爾公司生產的工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據，同時也可以使用更為通用的OPC服務接口來采集其他廠商生產的工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據。數(shù)據處理存儲部分將接收到的數(shù)據進行過濾壓縮等處理并按特定的格式存儲。對于高頻率的數(shù)據采集，如果不對采集過的數(shù)據進行處理而直接進行存儲的話，系統(tǒng)的存儲空間將很快會被耗盡。為了更有效率的存儲采集到的數(shù)據，歷史數(shù)據庫的數(shù)據存儲系統(tǒng)會將從數(shù)據采集部分接收到的數(shù)據安裝用戶的配置進行過濾，將過濾后的數(shù)據采用特殊的格式進行壓縮存儲，使用這種格式既能保證快速的讀取數(shù)據又不比浪費過多的存儲空間。數(shù)據管理查詢部分包括一些外圍的軟件，通過這些軟件連接到歷史數(shù)據庫服務器對數(shù)據庫進行配置和查詢數(shù)據庫中的數(shù)據；比如使用這些軟件可以配置歷史數(shù)據庫需要采集工業(yè)控制系統(tǒng)中的那些點位信息，這些點位需要怎樣的壓縮精度和采集頻率，通過這些軟件還可以快速的查詢歷史數(shù)據庫中存儲的點位標簽的歷史數(shù)據。應用接口部分是第三方應用程序訪問歷史數(shù)據庫的程序庫，第三方應用程序可以通過該接口連接到歷史數(shù)據庫服務器，獲取其中的歷史數(shù)據。第三方應用程序可以通過OPC ，OLE DB，JDBC，WebService等多種常見的應用程序編程接口進行數(shù)據訪問，不必限制第三方軟件的應用平臺和編程語言，從而提高系統(tǒng)的可訪問性。

在歷史數(shù)據庫系統(tǒng)中，為了加快數(shù)據的存儲訪問速度，歷史數(shù)據都是按照時間序列進行存儲的，數(shù)據和數(shù)據之間沒有強的關聯(lián)性。當需要進行復雜的關聯(lián)比較時需要在應用程序中編寫復雜的業(yè)務邏輯算法。當企業(yè)信息系統(tǒng)的業(yè)務邏輯比較復雜時，僅僅應用歷史數(shù)據庫系統(tǒng)軟件的編程工作量是比較大的。

因此，歷史數(shù)據庫系統(tǒng)適應于對低層的控制系統(tǒng)的數(shù)據訪問量大，并且需要存儲較長時間的歷史數(shù)據，業(yè)務邏輯相對簡單的信息應用系統(tǒng)。

5.總結

以上介紹了企業(yè)信息通過三種不同的接口或系統(tǒng)對低層的工業(yè)控制系統(tǒng)進行訪問的通信方式，這三種方式都有著各自的優(yōu)點和缺陷。這些優(yōu)點和缺陷是因為每種方式都有不同的側重點和應用目的，而隨著信息系統(tǒng)的發(fā)展，其應用目的和場景往往不再單一。因此，在復雜的企業(yè)信息系統(tǒng)中應該根據這三種通信方式的特點根據實際情況來結合使用。