基于三菱產品的Web的SCADA系統設計與實施
1 基于Web的SCADA的特性【1】
隨著現代工廠信息自動化進程的加快，企業逐漸將管理、決策、市場信息和現場控制信息結合起來，實現ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution system)、PCS(Process Control System)三層信息一體化的解決方案。同時，企業內部之間以及與外部交換信息的需求也在不斷擴大，現代工業企業對生產的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產現場狀態的監視和控制，同時還要求把現場信息和管理信息結合起來，建立一套全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺，把企業的橫向通信(同一層不同節點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯系在一起，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統。在PCS層中，只有具有Web功能的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，才能滿足企業信息自動化信息平臺的要求，它使采集和監控的數據得以開放，能被更多的管理系統、控制系統和使用者所訪問。
基于Web的SCADA系統與傳統的SCADA系統相比，具有以下優點：
Ø 可以遠程訪問，使用戶雖遠離現場，亦可了解現場情況；
Ø 報警方式的多途徑實現，不僅能在SCADA監控系統中顯示，還可以通過傳呼、E-mail甚至手機短信實現；
Ø 一個用戶可監控多個過程，多個用戶可以監控同一過程，真正實現了數據的開放性及過程信號的透明化；
Ø 儀器虛擬化，操作簡單，不僅可以進行現場數據記錄，更可以進行智能化分析；
Ø 多種儀器、多種控制系統的協同工作，使全局自動診斷能力增強；
Ø 既可在原有的PLC/DCS基礎上安裝，也可以獨立安裝，能夠實現與原系統的無縫連接。
1.1 開發需求與背景
在塑料絕緣電線電纜生產過程中，有一極其關鍵的工序，即：塑膠工序，它是將絕緣PVC塑料擠制在導電線芯上，工藝要求其絕緣厚度必須在公差范圍內，否則為廢品。電線電纜生產廠家對此工藝特別重視，但廢品率仍然較高，為節能降耗，為某電線電纜生產廠家采用菱電公司的PLC A2SH CPU、現場總線CC－LINK控制器A1SJ61BT11以及Ethernet控制器A1SJ71E71-B5-S3開發了一套基于Web的SCADA系統，效果較好，為企業實現“工廠信息自動化”奠定了堅實的基礎。
2 系統設計
基于Web的SCADA系統的主要有以下幾部分組成：數據庫和WEB服務器、現場測控設備、監控設備、交換式以太網、瀏覽器等，其中交換式以太網是數據主通道。要真正實現基于Web的SCADA，不僅要考慮網絡技術和控制技術的特點,還要考慮現代控制系統的新特性。比如數據傳輸的可靠性和準確性，數據通信的準確性是遠程測控系統的首要要求，沒有可靠的數據是不可能進行控制的。還有某些設備的實時性要求，必須保證其優先級,另外協議的簡單化可實現少延遲，快速投遞，網絡數據庫的連接和更新不僅是動態的、實時的，而且要有高的編程效率和很好的兼容性，TCP/IP協議和現場總線協議的兼容性，真正達到數據暢通無阻。
在設計中，車間級Intranet主要有車間Web服務器（用于外部Ethernet連接以及與班組網絡連接）、車間生產服務器（用于生產計劃、調度、報表統計等）以及車間控制服務器（車間生產控制流程、生產工藝控制、設備實時監控等）組成，與外部連接采用光纖通信介質，車間內部包括各班組服務器A2SH CPU+A1SJ71E71-B5-S3在內的各服務器均采用10M Ethernet連接。考慮到設備的實時控制要求，采用了CC－LINK現場總線用以實時控制各生產設備的運行。塑膠車間的基于Web 的SCADA系統結構圖見圖1所示。
基于Web 的SCADA系統結構圖
2.1 A2SH PLC
A2SH PLC 由于增加了CC-Link的專用指令，且內置的性能諸如鋰電池、后備RAM、用戶存儲器、實時時鐘和一個靈活的通信口，使其能適應工業現場應用場合。
2.2 CC-LINK 現場總線【2】
CC-Link是Control&Communication Link (控制與通信鏈路系統)的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現場總線，其數據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統，能夠適應于較高的管理層網絡到較低的傳感器層網絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，一般情況下，CC-Link整個一層網絡可由一個主站和六十四個從站組成。網絡中的主站由PLC擔當，從站可以是遠程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表、閥門等現場儀表設備。且可實現從CC-Link到AS-I總線的聯接。CC-Link具有高速的數據傳輸速度，最達可達10Mbps。CC-Link的底層通信協議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播一輪詢的方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信。
CC-Link。具有性能卓越、應用廣泛使用簡單節省成本等突出優點。
2.3基于Web的SCADA計算機管理網絡結構【3】
B/S（Brower/Server）結構是現行企業信息網絡的優選結構體系，在相同的性能需求下可以使整個計算機系統的投資大幅降低；其次，它具有很好的開放性、兼容性和容錯能力，并且易于功能和用戶的擴充。B/S結構體系實現了分布式協作處理業務。客戶機可以分布設置在企業的各個部門，分別進行各自的業務處理，而且具有協作處理和計算的環境，發揮各自特長相互協作運行，實現有效的管控一體化管理。
2.4 Intranet與Infranet（Infrastructure Networks）實時數據交換技術
基于Web的SCADA開發的關鍵在于實現Infranet與Intranet之間信息傳送的有效性與可用性。動態數據交換DDE（Dynamic Data Exchange）是實現Infranet與Intranet集成的一種方便方法，尤其是在Infranet與Intranet之間具有中間系統或共享存儲器工作站時。基于DDE方法實現Infranet與Intranet 集成的關鍵是：1）中間系統的通信處理機起溝通Infranet與Intranet的橋梁作用。通信處理機一方面是信息網絡的一個工作站，同時又是控制網絡中的一個工作站。在通信處理機上運行兩個應用程序，一個是實時通信程序，實現實時信息的接收、檢錯、信息格式轉換等功能，為信息網絡數據庫提供實時數據信息。另一個是數據庫訪問應用程序接口，它接收DDE服務器送來的實時數據并寫到數據庫服務器中，供信息網絡實現信息處理、統計、分析、管理等功能。2）為了能夠通過共享內存實現動態數據交換，在網絡控制器上安裝有Windows Server 2000、Microsoft SQL Server 6.5、Power Builder 7.0以使之實現DDE功能。
實時數據交換的過程為：首先，DDE客戶應用程序向DDE服務器應用程序發出請求，DDE服務器應用程序響應請求，雙方建立連接，開始對話。然后，DDE服務器應用可以和DDE客戶應用進行實時數據交換，DDE客戶應用可以訪問DDE服務器應用的數據庫。
2.5 實時數據庫技術【4】
實時數據庫是基于Web的SCADA系統中數據處理和管理的核心，它的一個基本特征就是與時間相關性，與時間相關性包含兩個方面：1）數據與時間相關，2）數據的值隨時間而變化。實時數據庫要求無縫地集成了數據庫與定時性，但并不是數據庫技術和實時系統兩者的簡單結合，兼顧了常規數據庫處理能力和實時處理技術需求。不僅要求有并發處理能力，同時還要具有分布式網絡的功能，其中有1）實時數據模型包括數據結構、數據操作和完整性約束在內的實時數據模型，2）實時事務的模型與處理3）數據存儲與緩沖區管理。
3 結束語
企業信息化是我國國民經濟信息化的首要任務，而企業綜合自動化是企業的發展方向。基于Web的SCADA給企業信息化奠定了堅實的基礎。實現企業信息化與綜合自動化，不但要發展控制網絡，建設信息網絡，而且要注重控制網絡與信息網絡的集成，實現計算機協同工作與信息共享，這是未來數字企業的發展方向。
隨著現代工廠信息自動化進程的加快，企業逐漸將管理、決策、市場信息和現場控制信息結合起來，實現ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution system)、PCS(Process Control System)三層信息一體化的解決方案。同時，企業內部之間以及與外部交換信息的需求也在不斷擴大，現代工業企業對生產的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產現場狀態的監視和控制，同時還要求把現場信息和管理信息結合起來，建立一套全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺，把企業的橫向通信(同一層不同節點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯系在一起，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統。在PCS層中，只有具有Web功能的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，才能滿足企業信息自動化信息平臺的要求，它使采集和監控的數據得以開放，能被更多的管理系統、控制系統和使用者所訪問。
基于Web的SCADA系統與傳統的SCADA系統相比，具有以下優點：
Ø 可以遠程訪問，使用戶雖遠離現場，亦可了解現場情況；
Ø 報警方式的多途徑實現，不僅能在SCADA監控系統中顯示，還可以通過傳呼、E-mail甚至手機短信實現；
Ø 一個用戶可監控多個過程，多個用戶可以監控同一過程，真正實現了數據的開放性及過程信號的透明化；
Ø 儀器虛擬化，操作簡單，不僅可以進行現場數據記錄，更可以進行智能化分析；
Ø 多種儀器、多種控制系統的協同工作，使全局自動診斷能力增強；
Ø 既可在原有的PLC/DCS基礎上安裝，也可以獨立安裝，能夠實現與原系統的無縫連接。
1.1 開發需求與背景
在塑料絕緣電線電纜生產過程中，有一極其關鍵的工序，即：塑膠工序，它是將絕緣PVC塑料擠制在導電線芯上，工藝要求其絕緣厚度必須在公差范圍內，否則為廢品。電線電纜生產廠家對此工藝特別重視，但廢品率仍然較高，為節能降耗，為某電線電纜生產廠家采用菱電公司的PLC A2SH CPU、現場總線CC－LINK控制器A1SJ61BT11以及Ethernet控制器A1SJ71E71-B5-S3開發了一套基于Web的SCADA系統，效果較好，為企業實現“工廠信息自動化”奠定了堅實的基礎。
2 系統設計
基于Web的SCADA系統的主要有以下幾部分組成：數據庫和WEB服務器、現場測控設備、監控設備、交換式以太網、瀏覽器等，其中交換式以太網是數據主通道。要真正實現基于Web的SCADA，不僅要考慮網絡技術和控制技術的特點,還要考慮現代控制系統的新特性。比如數據傳輸的可靠性和準確性，數據通信的準確性是遠程測控系統的首要要求，沒有可靠的數據是不可能進行控制的。還有某些設備的實時性要求，必須保證其優先級,另外協議的簡單化可實現少延遲，快速投遞，網絡數據庫的連接和更新不僅是動態的、實時的，而且要有高的編程效率和很好的兼容性，TCP/IP協議和現場總線協議的兼容性，真正達到數據暢通無阻。
在設計中，車間級Intranet主要有車間Web服務器（用于外部Ethernet連接以及與班組網絡連接）、車間生產服務器（用于生產計劃、調度、報表統計等）以及車間控制服務器（車間生產控制流程、生產工藝控制、設備實時監控等）組成，與外部連接采用光纖通信介質，車間內部包括各班組服務器A2SH CPU+A1SJ71E71-B5-S3在內的各服務器均采用10M Ethernet連接。考慮到設備的實時控制要求，采用了CC－LINK現場總線用以實時控制各生產設備的運行。塑膠車間的基于Web 的SCADA系統結構圖見圖1所示。
基于Web 的SCADA系統結構圖
2.1 A2SH PLC
A2SH PLC 由于增加了CC-Link的專用指令，且內置的性能諸如鋰電池、后備RAM、用戶存儲器、實時時鐘和一個靈活的通信口，使其能適應工業現場應用場合。
2.2 CC-LINK 現場總線【2】
CC-Link是Control&Communication Link (控制與通信鏈路系統)的簡稱，是三菱電機于1996年推出的開放式現場總線，其數據容量大，通信速度多級可選擇，而且它是一個復合的、開放的、適應性強的網絡系統，能夠適應于較高的管理層網絡到較低的傳感器層網絡的不同范圍。CC-Link是一個以設備層為主的網絡，一般情況下，CC-Link整個一層網絡可由一個主站和六十四個從站組成。網絡中的主站由PLC擔當，從站可以是遠程I/O模塊、特殊功能模塊、帶有CPU和PLC本地站、人機界面、變頻器及各種測量儀表、閥門等現場儀表設備。且可實現從CC-Link到AS-I總線的聯接。CC-Link具有高速的數據傳輸速度，最達可達10Mbps。CC-Link的底層通信協議遵循RS485，一般情況下，CC-Link主要采用廣播一輪詢的方式進行通信，CC-Link也支持主站與本地站、智能設備站之間的瞬間通信。
CC-Link。具有性能卓越、應用廣泛使用簡單節省成本等突出優點。
2.3基于Web的SCADA計算機管理網絡結構【3】
B/S（Brower/Server）結構是現行企業信息網絡的優選結構體系，在相同的性能需求下可以使整個計算機系統的投資大幅降低；其次，它具有很好的開放性、兼容性和容錯能力，并且易于功能和用戶的擴充。B/S結構體系實現了分布式協作處理業務。客戶機可以分布設置在企業的各個部門，分別進行各自的業務處理，而且具有協作處理和計算的環境，發揮各自特長相互協作運行，實現有效的管控一體化管理。
2.4 Intranet與Infranet（Infrastructure Networks）實時數據交換技術
基于Web的SCADA開發的關鍵在于實現Infranet與Intranet之間信息傳送的有效性與可用性。動態數據交換DDE（Dynamic Data Exchange）是實現Infranet與Intranet集成的一種方便方法，尤其是在Infranet與Intranet之間具有中間系統或共享存儲器工作站時。基于DDE方法實現Infranet與Intranet 集成的關鍵是：1）中間系統的通信處理機起溝通Infranet與Intranet的橋梁作用。通信處理機一方面是信息網絡的一個工作站，同時又是控制網絡中的一個工作站。在通信處理機上運行兩個應用程序，一個是實時通信程序，實現實時信息的接收、檢錯、信息格式轉換等功能，為信息網絡數據庫提供實時數據信息。另一個是數據庫訪問應用程序接口，它接收DDE服務器送來的實時數據并寫到數據庫服務器中，供信息網絡實現信息處理、統計、分析、管理等功能。2）為了能夠通過共享內存實現動態數據交換，在網絡控制器上安裝有Windows Server 2000、Microsoft SQL Server 6.5、Power Builder 7.0以使之實現DDE功能。
實時數據交換的過程為：首先，DDE客戶應用程序向DDE服務器應用程序發出請求，DDE服務器應用程序響應請求，雙方建立連接，開始對話。然后，DDE服務器應用可以和DDE客戶應用進行實時數據交換，DDE客戶應用可以訪問DDE服務器應用的數據庫。
2.5 實時數據庫技術【4】
實時數據庫是基于Web的SCADA系統中數據處理和管理的核心，它的一個基本特征就是與時間相關性，與時間相關性包含兩個方面：1）數據與時間相關，2）數據的值隨時間而變化。實時數據庫要求無縫地集成了數據庫與定時性，但并不是數據庫技術和實時系統兩者的簡單結合，兼顧了常規數據庫處理能力和實時處理技術需求。不僅要求有并發處理能力，同時還要具有分布式網絡的功能，其中有1）實時數據模型包括數據結構、數據操作和完整性約束在內的實時數據模型，2）實時事務的模型與處理3）數據存儲與緩沖區管理。
3 結束語
企業信息化是我國國民經濟信息化的首要任務，而企業綜合自動化是企業的發展方向。基于Web的SCADA給企業信息化奠定了堅實的基礎。實現企業信息化與綜合自動化，不但要發展控制網絡，建設信息網絡，而且要注重控制網絡與信息網絡的集成，實現計算機協同工作與信息共享，這是未來數字企業的發展方向。
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