基于Fieldbus Ethernet和OPC技術(shù)構(gòu)建的OCS系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
隨著傳統(tǒng)的DCS技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方式，但其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)存在著許多不盡人意的地方?？偟膩碚f有如下幾個(gè)主要問題：
1．開發(fā)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜。在絕大多數(shù)情況下，以微處理器為核心的調(diào)節(jié)器被硬性地指定執(zhí)行一組特定的任務(wù)，其通訊由一個(gè)具有“網(wǎng)關(guān)”作用的專用網(wǎng)絡(luò)來完成，而這種“網(wǎng)關(guān)”的大部分程序是由用戶編寫的，其復(fù)雜性也就可想而知。
2．組網(wǎng)手段及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不靈活、開發(fā)系統(tǒng)費(fèi)用也相當(dāng)高。因?yàn)楹芏嗷菊{(diào)節(jié)器執(zhí)行的都是特定的任務(wù)。
3．現(xiàn)場(chǎng)儀表陳舊的一對(duì)一模擬信號(hào)傳輸方式。由于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，既有各種電磁場(chǎng)干擾，又有各種酸、堿、鹽等腐蝕性有害物質(zhì)，還有高溫、低溫、高濕度以及各種粉塵，所以對(duì)于通訊網(wǎng)絡(luò)中的控制站和輸人輸出單元，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍采用陳舊的一對(duì)一模擬信號(hào)傳輸方式以克服惡劣環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響。
一、FieldBus、Ethernet和OPC技術(shù)
現(xiàn)場(chǎng)總線（FieldBus）是一類工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)最底層的低成本網(wǎng)絡(luò)。它從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)到信息發(fā)布都是面向所有制造商和用戶公開的，這樣系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)就可以方便地和其他系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或高速網(wǎng)絡(luò)相連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線還特別強(qiáng)調(diào)互操作性、互換性，設(shè)備的可集成性也很好。采用現(xiàn)場(chǎng)總線可以大大降低自動(dòng)化系統(tǒng)的投資，僅系統(tǒng)布線、安裝、維護(hù)等費(fèi)用，就比傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)如（DCS）減少了66%。
以太網(wǎng)（Ethernet）是一種成熟、快速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，于1976年推出，而后被制定為IEEE802. 3。1990年2月該標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際化組織所采納，正式成為ISO/ IEEE8802. 3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。二十幾年間，以太網(wǎng)從最初的1OMbps過渡到100Mbps快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)，直至發(fā)展到現(xiàn)在的千兆以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。在過去的五年中，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在確定性、速度和優(yōu)先法則方面有了很大提高，現(xiàn)已成為整個(gè)企業(yè)范圍的企業(yè)層和控制層的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次，在提高了帶寬、縮短了響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)，憑借其良好的互連性和可擴(kuò)展性形成了真正的開放式網(wǎng)絡(luò)。
OPC（OLE for Process Control）是由OPC基金會(huì)提出的一種非專業(yè)性的技術(shù)規(guī)范，其目的是為了使不同供應(yīng)廠商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化，使它們相互之間的數(shù)據(jù)交換更加簡(jiǎn)單。它提供了一種訪向工業(yè)控制中的站端數(shù)據(jù)的通用方式，是一種建立在OLE /COM和DOOM之上的專門適用于工業(yè)控制過程的標(biāo)準(zhǔn)，按照這種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可使不同廠家的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通用化，使系統(tǒng)能真正實(shí)現(xiàn)開放?；贠PC規(guī)范所形成的OPC服務(wù)器/客戶端程序作為工控系統(tǒng)的中間部件，在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。3基于FieldBus、Ethernet和OPC技術(shù)的OCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
基于FieldBus、Ethernet和OPC這三種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通訊方面的缺點(diǎn)，我們提出了這樣一種DCS系統(tǒng)：
（一）現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)（連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制層）
該級(jí)網(wǎng)絡(luò)由目前流行的Profibus， Devicenet， Modbus， Lonworks以及我們自行開發(fā)的RS-48S等幾種總線組成，其功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置（安裝在制造或過程區(qū)域）和控制站（位于控制室內(nèi)）之間的數(shù)據(jù)通訊，是整個(gè)控制系統(tǒng)最底層的網(wǎng)絡(luò)。
（二）過程監(jiān)控網(wǎng)（連接控制層和監(jiān)控操作層）和信息網(wǎng)（連接監(jiān)控操作層和信息管理層）
這兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)全部采用工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)。過程監(jiān)控網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)控制層同層設(shè)備相互之間以及控制層和監(jiān)控管理層之間信息的交換，達(dá)到監(jiān)控和管理的功能；各個(gè)子控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)則通過信息網(wǎng)上傳到信息管理層，以便在該層實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)信息的優(yōu)化、管理和調(diào)度等。
整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
在此基礎(chǔ)上，利用實(shí)驗(yàn)室已有的一些設(shè)備，我們與上海齊鑫公司合作開發(fā)了一套DCS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖1虛線框中的節(jié)點(diǎn)是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)所沒有的，這是根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際情況添加的，它表示實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。4網(wǎng)絡(luò)各層具體功能及特點(diǎn)
這套DCS系統(tǒng)的控制層由Siemens的S7-300系統(tǒng)、AB的SLC500系統(tǒng)、GE的Series 90-30系統(tǒng)以及HolleyWell的DCSUMC800系統(tǒng)等組成。另外還有Lonworks系統(tǒng)和一套自行研發(fā)的PC-Based系統(tǒng)。
控制站通過現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)將分散在現(xiàn)場(chǎng)（或現(xiàn)場(chǎng)附近）的智能變送器、智能儀表以及執(zhí)行數(shù)據(jù)采集控制功能的控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與位于操作中心（或監(jiān)視中心）的各個(gè)操作管理站連接起來，實(shí)現(xiàn)了分散控制、集中管理的功能。如Siemens的S7-300系統(tǒng)，可以通過CPU315-2DP的DP通訊口以主從方式下掛S7-200PLC;ET200系列、支持DP協(xié)議的矢量變頻器和智能傳感器以及其他支持DP協(xié)議的任何第三方產(chǎn)品。現(xiàn)場(chǎng)總線具有實(shí)時(shí)、可靠、低成本、使用方便等特點(diǎn)，其在控制系統(tǒng)設(shè)備級(jí)的應(yīng)用，很好地解決了上幾代控制系統(tǒng)遺留的問題。從信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通訊標(biāo)準(zhǔn)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，從體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、安裝調(diào)試到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了革命性的變化，既實(shí)現(xiàn)了分散控制的功能，又實(shí)現(xiàn)了采集點(diǎn)執(zhí)行器等的就近安裝，減少了系統(tǒng)布線。
監(jiān)控操作層由數(shù)臺(tái)基于bbbbbbs NT操作系統(tǒng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC ）組成，各個(gè)系統(tǒng)控制站所得到的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過程數(shù)據(jù)通過Industrial Ethernet上傳到位于該層的相應(yīng)IPC。該層的人機(jī)界面由通用的監(jiān)控軟件（如iFix，Intouch等）提供，使得系統(tǒng)操作人員可以全面及時(shí)地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制。
一般說來，監(jiān)控軟件都是在bbbbbbs操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，符合真正的32位Microsoft Win32規(guī)范，具有很強(qiáng)的通用性、兼容性、可擴(kuò)展性，且具有很直觀的圖形化人機(jī)界面，支持分布式客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)和DDE／OLE／OPC、SQL/ODBC等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換和共享規(guī)范。監(jiān)控軟件與系統(tǒng)控制站連接的驅(qū)動(dòng)方式既可以是傳統(tǒng)的I/O或DDE驅(qū)動(dòng)方式，也可以通過OPC通道進(jìn)行。而且現(xiàn)在的監(jiān)控軟件（如iFix、WinCC等國(guó)外監(jiān)控軟件以及KingView、ControX2000等國(guó)產(chǎn)監(jiān)控軟件）一般都自帶OPC服務(wù)器和OPC客戶機(jī)功能，通過監(jiān)控軟件的OPC服務(wù)器功能，用戶可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)其它支持OPC客戶機(jī)的應(yīng)用程序與監(jiān)控軟件之間的數(shù)據(jù)通訊的監(jiān)控和調(diào)用；監(jiān)控軟件利用其OPC客戶機(jī)功能還可以方便地同其他專用OPC服務(wù)器以及具有OPC服務(wù)器功能的監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
信息管理層是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的最高層，在這一層可以綜觀整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的全貌，并通過相應(yīng)的處理軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制的最優(yōu)化。在實(shí)際的工業(yè)系統(tǒng)中，圖1虛線框中表示的節(jié)點(diǎn)由一個(gè)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用節(jié)點(diǎn)和一個(gè)廠級(jí)數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)組成。廠級(jí)數(shù)據(jù)庫我們采用GE公司的iHistorianTM，它是新一代企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，可以采集多種類型的數(shù)據(jù)源（如OPC;SCADA和CSV/XML等）。信息管理層還設(shè)有兩個(gè)OPC Client，它們通過OPC方式與各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。目前OPC這種方式只能在一個(gè)工作組或一個(gè)域中進(jìn)行，這是它的一點(diǎn)缺陷。
二、OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)存取方法
OPC采用的是OLE/COM/DOOM技術(shù)，應(yīng)用軟件可以使用Visual C＋＋、Visual Basic、Delphi、PowerBuilder等語言進(jìn)行開發(fā)。除了要設(shè)置OPC遠(yuǎn)程服務(wù)器，本地服務(wù)器也需要進(jìn)行分布式COM設(shè)置，設(shè)置項(xiàng)目包括身份驗(yàn)證級(jí)別，訪問權(quán)限，啟動(dòng)權(quán)限以及身份標(biāo)識(shí)。編寫客戶機(jī)程序具體步驟如下（開發(fā)語言為Visual Ba-sic6.0）：
1．安裝動(dòng)態(tài)連接庫OPCDAAuto. dll，通過“引用”選擇OPCAutomation 2. 0
2．在公共窗口中聲明OPC對(duì)象相關(guān)變量
Option ExplicitOption Base 1
Dim WithEvents myServer As OPCServer
Dim WithEvents myGroups As OPCGroups
Dim WithEvents myGroup As OPCGroup
Dim myItems As OPCItems
Dim ServerHandle （） As Long
......
3．連接OPC服務(wù)器和建立OPC組
調(diào)用OPC服務(wù)器對(duì)象的“Connect”方法同OPC服務(wù)器連接，在連接遠(yuǎn)程服務(wù)器的時(shí)候，需要指定作為選用參數(shù)的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)名。Dim.AIIOPCServers As VariantDim i As Integer
，創(chuàng)建一個(gè)OPC服務(wù)器對(duì)象
Set AnOPCServer＝New OPCServer
’顯示存在的服務(wù)器
Al10PCServers=AnOPCServer．GetOPCServers
For， i=LBound（AIIOPCServers）To UBound（Al10PCServers）
AvailableOPCServerList．AddItem Al10PCServers（i）
Next I
，連接服務(wù)器和建立OPC組
Set myServer＝New OPCServer
myServer，Connect strProgID， strNode
Set myGroups＝myServer. OPCGroups
Set myGroup=myGroups. Add（“……”）
4．添加OPC標(biāo)簽
對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問前，必須先在OPC組里添加要訪問的OPC標(biāo)簽，加人OPCltem對(duì)象并檢測(cè)服務(wù)器返回的ServerHandle數(shù)值。Set myltems＝myGroup．OPCItems
myitems. AddItems ItemNum， ItemName， ClientHandle， ServerHandle， ItemError
5．?dāng)嚅_OPC客戶機(jī)與服務(wù)器的連接。
連接OPC服務(wù)器的OPC應(yīng)用程序，在退出前必須斷開與OPC服務(wù)器的連接，否則OPC服務(wù)器使用的計(jì)算機(jī)資源不會(huì)被釋放。如果重復(fù)出現(xiàn)這樣的問題，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)可能會(huì)因計(jì)算機(jī)資源漸漸枯竭而發(fā)生嚴(yán)重問題。
myltems.RemoveAll
myGroups RemoveAll
Set myltems＝Nothing
Set myGroups＝Nothing
Set myGroup＝Nothing
myServer．Disconnect
Set myOPCServer＝Nothing
以上是編寫OPC客戶機(jī)程序的基本步驟。
三、結(jié)束語
在工業(yè)控制中，采用Industrial Ethernet和OPC技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)面向過程控制的DCS系統(tǒng)和面向生產(chǎn)管理與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的MIS集成，采用FieldBus技術(shù)則可以將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)向生產(chǎn)過程的底層滲透，將系統(tǒng)中的過程級(jí)工作站下沉到現(xiàn)場(chǎng)工作站。
本文所提出的這套DCS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)開發(fā)調(diào)試證明實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性都比較高，且整個(gè)系統(tǒng)具有開放性的特點(diǎn)：硬件和軟件均采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)；系統(tǒng)的積木式結(jié)構(gòu)可以靈活配置，以適應(yīng)不同用戶的需求；還可以根據(jù)具體的生產(chǎn)要求，靈活改變系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的大小配置。
本文標(biāo)簽：基于Fieldbus Ethernet和OPC技術(shù)構(gòu)建的OCS系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
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