1 引言
80年代興起的現(xiàn)場總線技術(shù)和90年代興起的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系，使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)，使企業(yè)的信息溝通的范圍一起延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)建立覆蓋全企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)，可以極大地提高企業(yè)的信息化水平。它使得生產(chǎn)、管理部門及時了解全企業(yè)及各車間的水、電、氣、油等各種介質(zhì)的實時和歷史生產(chǎn)、消耗狀況，為生產(chǎn)調(diào)度提供及時、可靠、豐富的數(shù)字依據(jù)，使各種介質(zhì)的生產(chǎn)、使用、管理從過去的局部的單靠經(jīng)驗的孤立靜止?fàn)顟B(tài)進入到一個較為全面的整體的瞬時動態(tài)平衡。管理部門在進行生產(chǎn)計劃作業(yè)時可以做到均衡生產(chǎn)，可以使各種氣體介質(zhì)的生產(chǎn)、使用、儲備相對穩(wěn)定，可以合理安排檢修計劃等，從而最終達到促進生產(chǎn)、節(jié)能降耗、提高效益目的。同時網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)作為工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的一部分，能與企業(yè)的信息網(wǎng)融為一體，從而使得生產(chǎn)、決策、經(jīng)營管理融為一體。本文針對網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)時所涉及的相關(guān)問題作些介紹，并以某企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)的設(shè)計步驟進行了詳述。
2 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計原則與步驟
由于計算機的廣泛使用，為用戶提供了分散而有效的數(shù)據(jù)處理與計算能力。計算機和以計算機為基礎(chǔ)的智能設(shè)備除了處理一般的業(yè)務(wù)以外，還要求與其它計算機彼此溝通信息、共享資源、協(xié)同工作，于是出現(xiàn)了用通信線路將各計算機連接起來計算機群，以實現(xiàn)資源共享和作業(yè)分布處理，這就是計算機網(wǎng)絡(luò)。計算機網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸介質(zhì)都是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素，在組建網(wǎng)絡(luò)時必需予以十分關(guān)注。
2.1 監(jiān)控系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計時應(yīng)遵循的幾條原則
(1) 實時性原則
在大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)的采集和處理速度要求都很高，因此在進行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計時應(yīng)該首先考慮到這一點，根據(jù)具體的情況在不同的網(wǎng)段采用相應(yīng)的解決辦法，以減少延遲，提高系統(tǒng)的實時性。
(2) 可靠性原則
監(jiān)控系統(tǒng)一般對傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求非常高，因為其可靠性直接影響到監(jiān)控計算機所得到的現(xiàn)場信息的正確性以及上層管理系統(tǒng)的命令是否能得以正確執(zhí)行，進而影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能。
(3) 開放性原則
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開放性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)不同網(wǎng)段間互連、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)互連的可實現(xiàn)性。隨著計算機及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的飛速發(fā)展與普及，企業(yè)與國內(nèi)外其它企業(yè)、市場、上級主管部門的聯(lián)系會不斷增多，所需信息量和信息的覆蓋領(lǐng)域會進一步擴大，網(wǎng)絡(luò)互連的需求會不斷加深，因此應(yīng)選擇開放性好、連網(wǎng)方便的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
(4) 實用性原則
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是為滿足生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制、管理、調(diào)度、決策需要而設(shè)置的，滿足企業(yè)生產(chǎn)實際需要是設(shè)計的基本出發(fā)點。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以需求分析作為設(shè)計基礎(chǔ)，如網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)、節(jié)點的地理位置分布;網(wǎng)絡(luò)的信息量、運行速率、傳輸能力;以及網(wǎng)絡(luò)建成之后改建的可擴充性，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點增加、網(wǎng)絡(luò)擴展等。對底層控制網(wǎng)絡(luò)，要充分考慮到為實現(xiàn)控制所必須滿足的實時性要求。
(5) 先進性原則
當(dāng)今網(wǎng)羅技術(shù)發(fā)展速度是相當(dāng)迅速的，應(yīng)當(dāng)盡量選擇技術(shù)水平高、有發(fā)展前途、短期內(nèi)不會被淘汰的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來組建監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。盡量采用國際標(biāo)準(zhǔn)，采用主流技術(shù)，方便網(wǎng)絡(luò)的擴展與升級。當(dāng)然，作為實用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，也應(yīng)充分考慮到技術(shù)的成熟性。
(6) 軟件資源豐富性原則
在監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品選型時，還應(yīng)考慮到所選系統(tǒng)是否具備豐富的軟件支持，特別是需要功能強、性能好的網(wǎng)絡(luò)管理軟件的支持，以便今后對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行、管理與維護。
(7) 經(jīng)濟性原則
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計像任何一項工程設(shè)計那樣，必須考慮到投資的合理性，如系統(tǒng)的性價比、投入產(chǎn)出比、企業(yè)的經(jīng)濟承受能力等因素。在計算機、網(wǎng)路設(shè)備、系統(tǒng)軟件的產(chǎn)品選型與購置方面，在綜合考慮上述幾種因素的基礎(chǔ)上，盡量可能節(jié)省投資。
2.2 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計步驟描述
(1) 根據(jù)實際需要把需要組網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)分成不同的網(wǎng)段，把大系統(tǒng)劃分為幾個子網(wǎng)，然后再在各個網(wǎng)段內(nèi)進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與配置;
(2) 確定各子網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，如計算服務(wù)模式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議、數(shù)據(jù)庫類型等;
(3) 對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置方案和選型，包括系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理主機、服務(wù)器，以及作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計算機、監(jiān)控設(shè)備與儀器，網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，如中繼器、集線器、交換器、網(wǎng)橋、路由器的選型，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)及纜線的選型;
(4) 網(wǎng)絡(luò)布線設(shè)計，根據(jù)主機、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備、各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝的地理位置設(shè)計出整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括各子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線圖，布線設(shè)計通?？紤]到借助已有的通信線路，建筑物內(nèi)的布線設(shè)計還經(jīng)常把計算機網(wǎng)絡(luò)與電話系統(tǒng)布線結(jié)合在儀器考慮;
(5) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件配置，包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、維護管理、開發(fā)工具、應(yīng)用軟件等，這些軟件將完成網(wǎng)絡(luò)配置管理、流量管理、網(wǎng)絡(luò)安全管理、錯誤管理、計費管理等功能。
3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從邏輯上可分為三種層次:
(1) 現(xiàn)場設(shè)備層;
(2) 控制管理層;
(3) 生產(chǎn)管理層。
現(xiàn)場設(shè)備層的主要用于連接現(xiàn)場設(shè)備，完成數(shù)據(jù)的原始采集;控制管理層實現(xiàn)將現(xiàn)場實時采集的數(shù)據(jù)傳送到SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)節(jié)點并進行處理，在本地實現(xiàn)流程圖顯示、趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)調(diào)整、報警管理和報表管理等功能;在生產(chǎn)管理層，服務(wù)器根據(jù)不同用戶的需求，將SCADA服務(wù)器上的各種服務(wù)提供給生產(chǎn)管理部門的用戶，使用戶及時了解生產(chǎn)消耗狀況，為管理決斷提供及時、詳實、可靠的統(tǒng)計資源。
現(xiàn)場設(shè)備層是基于Profibus-DP和Modbus的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，由7個Profibus-DP主站、4個Profibus-DP從站和若干MOBUS從站組成。各主站通過工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP343-1連接到企業(yè)網(wǎng)上，主從站之間通過Profibus總線通訊。主站的CPU315-2DP和從站的IM153-2模塊提供了Profibus-DP接口，通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線。1#、3#、4#和5#主站還具有CP341模塊，通過MODBUS總線和電能計量儀通訊?，F(xiàn)場設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示:
圖1 現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
在控制管理層，SCADA服務(wù)器和各個Profibus-DP主站通過SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，將現(xiàn)場采集實時數(shù)據(jù)傳送到SCADA節(jié)點并進行處理。SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3/IEEE802.3u的單元網(wǎng)絡(luò)，因而可以無縫地集成到企業(yè)以太網(wǎng)中。符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)能以10Mbps的速率進行傳輸。符合IEEE802.3u準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)能以100Mbps的速率進行傳輸。SIMATIC NET在工業(yè)以太網(wǎng)中，既可以使用電氣網(wǎng)絡(luò)，也可以使用光纖，或光電混合網(wǎng)絡(luò)。電氣網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)可達1.5km;光纖網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)可為200km。在一個工業(yè)以太網(wǎng)中，典型配置為2-100個站點，最多允許約1000個站點。SCADA服務(wù)器上安裝了CP613通訊處理器和SIMATIC S7-1613通訊軟件，以SAPI-S7的方式與各Profibus-DP主站的CP343-1模塊進行通訊，使用SAPI-S7通訊可能的連接數(shù)為160個。
在生產(chǎn)管理層，服務(wù)器根據(jù)不同用戶的需要，SCADA服務(wù)器將不同的服務(wù)提供給不同的用戶。根據(jù)用戶訪問服務(wù)器的模式不同，服務(wù)器既可以是SCADA服務(wù)器本身，也可以是微軟的終端服務(wù)器。管理層的硬件設(shè)備主要是SCADA服務(wù)器/終端服務(wù)器和具有訪問服務(wù)器能力的用戶計算機。用戶計算機訪問服務(wù)器時有兩種模式可以選用，一種是Client/Server方式，一種是Brower/Server方式?？刂乒芾韺雍蜕a(chǎn)管理層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 控制管理層和生產(chǎn)管理層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
由于SCADA服務(wù)器可能還要直接為生產(chǎn)管理層提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，因而應(yīng)根據(jù)服務(wù)器的負(fù)荷能力和系統(tǒng)的安全性不同需要或選擇一臺SCADA服務(wù)器組成獨立的SCADA節(jié)點，或?qū)CADA任務(wù)分配到多臺SCADA服務(wù)器組成分布式SCADA系統(tǒng)。國際知名的組態(tài)軟件SIMATIC WinCC和iFIX均支持分布式的SCADA系統(tǒng)。
4 硬件系統(tǒng)組成
鋼廠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)可以劃分為兩部分，即上位機硬件系統(tǒng)和下位機硬件系統(tǒng)。
4.1 上位機硬件系統(tǒng)配置
(1) 網(wǎng)絡(luò):選擇單網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為100Mbps;
(2) 前置機:將前置機軟件并入服務(wù)器軟件中，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中可以省去前置機;
(3) 服務(wù)器:選用hp Pentium Ⅳ高檔服務(wù)器，內(nèi)存256M、硬盤容量18.5G，雙硬盤配置;
(4) 操作員站/工程師站:選用hp Pentium Ⅳ高檔PC機(內(nèi)存128M、硬盤容量10G。顯示器分辨率為1024×768);
(5) 網(wǎng)絡(luò)部件:包括100M智能集線器(或網(wǎng)絡(luò)交換機)，光纜及相應(yīng)轉(zhuǎn)換，Ethernet網(wǎng)卡以及網(wǎng)絡(luò)線纜;
(6) 打印機:用于報表打印、考評等。
4.2 下位機硬件系統(tǒng)配置
(1) 現(xiàn)場總線:選用SIEMENS公司的Profibus-DP總線，通訊介質(zhì)屏蔽雙絞線;
(2) 現(xiàn)場總線主站:選用SIEMENS公司的S7-300系列產(chǎn)品;
(3) 遠(yuǎn)程I/O站:選用SIEMENS公司的ET-200M系列;
(4) 電量測量采用加拿大的POWER INSTRUMENT公司的電量綜合測量儀表系列3300型(測量參數(shù)包括:電壓、電流、有功、無功、電度、功率因數(shù)、頻率)，通信協(xié)議為Modbus。
由于系統(tǒng)中包括Profibus設(shè)備和Modbus兩類設(shè)備，MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)掛接在Profibus總線下，因此涉及到協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。在該系統(tǒng)中，CP341用作MODBUS主站，與多個含RS-485接口的電量儀(MODBUS從站)實現(xiàn)通信，完成對遠(yuǎn)程電量數(shù)據(jù)的采集。CP341在CPU沒有通訊任務(wù)負(fù)載時，通過點到點的連接方式實現(xiàn)快速、強大的串行數(shù)據(jù)交換，可執(zhí)行ASCII 3964(R)、RK512或由用戶指定的協(xié)議;電量儀3300ACM采用16位微處理器，自帶RS-485通信接口，支持MODBUS協(xié)議。
在Modbus系統(tǒng)中有兩種有效的傳輸模式，即ASCII(美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)和RTU(遠(yuǎn)程終端裝置)。RTU模式的傳輸格式是8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，沒有奇偶校驗位。RTU發(fā)送模式僅靠模擬的同步信息來保持幀的同步，接收設(shè)備監(jiān)視接收字符間的經(jīng)過時間，若3個半字符的經(jīng)過時間后仍沒有新的字符或未完成幀，設(shè)備就會沖掉該幀并設(shè)定下一個接收的字符作為地址。在RTU通信模式中，1字節(jié)信息(或報文)作為一個單8位字符被發(fā)送，在ASCII通信模式中，每個8位ASCII字節(jié)包含4個數(shù)據(jù)位和4位格式化ASCII字符，因此每發(fā)送1字節(jié)信息需要2個ASCII字符，導(dǎo)致ASCII模式所使用的字符大致是RTU模式的兩倍。由于電量儀3300ACM只支持RTU傳輸模式，因此該系統(tǒng)采用了MODBUS Master協(xié)議的RTU模式，其數(shù)據(jù)幀格式如下:
(1) 下發(fā)數(shù)據(jù)包
●從站地址 1byte
●功能碼 1byte
●寄存器地址 2byte
●寄存器個數(shù) 2byte
●CRC校驗 2byte
(2) 上傳數(shù)據(jù)包格式
●從站地址 1byte
●功能碼 1byte
●數(shù)據(jù)個數(shù) 1byte
●第1個寄存器的值 2byte
●第2個寄存器的值 2byte
●… 2byte
●CRC校驗 2byte
CP341與多臺3300ACM電控儀表通信的主要問題是如何實現(xiàn)同一時間段只有一臺3300ACM電控儀表與CP341通信，即如何保證上傳的數(shù)據(jù)與下發(fā)的數(shù)據(jù)是對應(yīng)的，否則會出現(xiàn)上傳的數(shù)據(jù)無法識別是響應(yīng)的哪一個下發(fā)的數(shù)據(jù)幀，因此導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)紊亂和錯誤的現(xiàn)象。該系統(tǒng)通過編程實現(xiàn)CP341對各個3300ACM的輪循訪問，確保在同一時間段內(nèi)CP341只與系統(tǒng)中的一臺3300ACM電量儀通信。采用輪循的方式用時比較長，實時性不如中斷響應(yīng)方式。由于該系統(tǒng)只作數(shù)據(jù)采集，不要求實時監(jiān)控，因此對實時性要求不高，輪循方式的訪問完全可以滿足網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的需要。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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