基于三菱产品的Web的SCADA系统设计与实施

摘要：为满足现代企业信息化技术的要求，结合某电缆生产车间的具体特点，详细介绍了采用菱电公司的A2SH PLC以及测控模块，并采用CC－Link现场总线组建的基于Web的SCADA系统的设计的几项关键技术以及实施策略。在设计中采用了B/S计算机网络管理结构、DDE数据交换技术以及实时数据库实用技术等，保证了系统的先进性和可靠性，实现了Web的SCADA功能。
关键词：Web技术  SCADA   实时数据库   B/S   网络控制器

1 基于Web的SCADA的特性[1]
随着现代工厂信息自动化进程的加快，企业逐渐将管理、决策、市场信息和现场控制信息结合起来，实现ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution system)、PCS(Process Control System)三层信息一体化的解决方案。同时，企业内部之间以及与外部交换信息的需求也在不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来，建立一套全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，把企业的横向通信(同一层不同节点的通信)和纵向通信(上、下层之间的通信)紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。在PCS层中，只有具有Web功能的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，才能满足企业信息自动化信息平台的要求，它使采集和监控的数据得以开放，能被更多的管理系统、控制系统和使用者所访问。
基于Web的SCADA系统与传统的SCADA系统相比，具有以下优点：
·可以远程访问，使用户虽远离现场，亦可了解现场情况；
·报警方式的多途径实现，不仅能在SCADA监控系统中显示，还可以通过传呼、E-mail甚至手机短信实现；
·一个用户可监控多个过程，多个用户可以监控同一过程，真正实现了数据的开放性及过程信号的透明化；
·仪器虚拟化，操作简单，不仅可以进行现场数据记录，更可以进行智能化分析；
·多种仪器、多种控制系统的协同工作，使全局自动诊断能力增强；
·既可在原有的PLC/DCS基础上安装，也可以独立安装，能够实现与原系统的无缝连接。
1.1  开发需求与背景
在塑料绝缘电线电缆生产过程中，有一极其关键的工序，即：塑胶工序，它是将绝缘PVC塑料挤制在导电线芯上，工艺要求其绝缘厚度必须在公差范围内，否则为废品。电线电缆生产厂家对此工艺特别重视，但废品率仍然较高，为节能降耗，为某电线电缆生产厂家采用菱电公司的PLC A2SH CPU、现场总线CC－LINK控制器A1SJ61BT11以及Ethernet控制器A1SJ71E71-B5-S3开发了一套基于Web的SCADA系统，效果较好，为企业实现“工厂信息自动化”奠定了坚实的基础。
2 系统设计
基于Web的SCADA系统的主要有以下几部分组成：数据库和WEB服务器、现场测控设备、监控设备、交换式以太网、浏览器等，其中交换式以太网是数据主通道。要真正实现基于Web的SCADA，不仅要考虑网络技术和控制技术的特点,还要考虑现代控制系统的新特性。比如数据传输的可靠性和准确性，数据通信的准确性是远程测控系统的首要要求，没有可靠的数据是不可能进行控制的。还有某些设备的实时性要求，必须保证其优先级,另外协议的简单化可实现少延迟，快速投递，网络数据库的连接和更新不仅是动态的、实时的，而且要有高的编程效率和很好的兼容性，TCP/IP协议和现场总线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻。
在设计中，车间级Intranet主要有车间Web服务器（用于外部Ethernet连接以及与班组网络连接）、车间生产服务器（用于生产计划、调度、报表统计等）以及车间控制服务器（车间生产控制流程、生产工艺控制、设备实时监控等）组成，与外部连接采用光纤通信介质，车间内部包括各班组服务器A2SH CPU+A1SJ71E71-B5-S3在内的各服务器均采用10M Ethernet连接。考虑到设备的实时控制要求，采用了CC－LINK现场总线用以实时控制各生产设备的运行。塑胶车间的基于Web 的SCADA系统结构图见图1所示。

图1：基于Web 的SCADA系统结构图                     
2.1 A2SH PLC
   A2SH PLC 由于增加了CC-Link的专用指令，且内置的性能诸如锂电池、后备RAM、用户存储器、实时时钟和一个灵活的通信口，使其能适应工业现场应用场合。
2.2 CC-LINK 现场总线[2]
  CC-Link是Control&Communication Link (控制与通信链路系统)的简称，是三菱电机于1996年推出的开放式现场总线，其数据容量大，通信速度多级可选择，而且它是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统，能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。CC-Link是一个以设备层为主的网络，一般情况下，CC-Link整个一层网络可由一个主站和六十四个从站组成。网络中的主站由PLC担当，从站可以是远程I/O模块、特殊功能模块、带有CPU和PLC本地站、人机界面、变频器及各种测量仪表、阀门等现场仪表设备。且可实现从CC-Link到AS-I总线的联接。CC-Link具有高速的数据传输速度，最达可达10Mbps。CC-Link的底层通信协议遵循RS485，一般情况下，CC-Link主要采用广播一轮询的方式进行通信，CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬间通信。
CC-Link。具有性能卓越、应用广泛使用简单节省成本等突出优点。
2.3基于Web的SCADA计算机管理网络结构[3]
B/S（Brower/Server）结构是现行企业信息网络的优选结构体系，在相同的性能需求下可以使整个计算机系统的投资大幅降低；其次，它具有很好的开放性、兼容性和容错能力，并且易于功能和用户的扩充。B/S结构体系实现了分布式协作处理业务。客户机可以分布设置在企业的各个部门，分别进行各自的业务处理，而且具有协作处理和计算的环境，发挥各自特长相互协作运行，实现有效的管控一体化管理。
2.4 Intranet与Infranet（Infrastructure Networks）实时数据交换技术
基于Web的SCADA开发的关键在于实现Infranet与Intranet之间信息传送的有效性与可用性。动态数据交换DDE（Dynamic Data Exchange）是实现Infranet与Intranet集成的一种方便方法，尤其是在Infranet与Intranet之间具有中间系统或共享存储器工作站时。基于DDE方法实现Infranet与Intranet 集成的关键是：1）中间系统的通信处理机起沟通Infranet与Intranet的桥梁作用。通信处理机一方面是信息网络的一个工作站，同时又是控制网络中的一个工作站。在通信处理机上运行两个应用程序，一个是实时通信程序，实现实时信息的接收、检错、信息格式转换等功能，为信息网络数据库提供实时数据信息。另一个是数据库访问应用程序接口，它接收DDE服务器送来的实时数据并写到数据库服务器中，供信息网络实现信息处理、统计、分析、管理等功能。2）为了能够通过共享内存实现动态数据交换，在网络控制器上安装有Windows Server 2000、Microsoft SQL Server 6.5、Power Builder 7.0以使之实现DDE功能。
实时数据交换的过程为：首先，DDE客户应用程序向DDE服务器应用程序发出请求，DDE服务器应用程序响应请求，双方建立连接，开始对话。然后，DDE服务器应用可以和DDE客户应用进行实时数据交换，DDE客户应用可以访问DDE服务器应用的数据库。
2.5 实时数据库技术[4]
实时数据库是基于Web的SCADA系统中数据处理和管理的核心，它的一个基本特征就是与时间相关性，与时间相关性包含两个方面：1）数据与时间相关，2）数据的值随时间而变化。实时数据库要求无缝地集成了数据库与定时性，但并不是数据库技术和实时系统两者的简单结合，兼顾了常规数据库处理能力和实时处理技术需求。不仅要求有并发处理能力，同时还要具有分布式网络的功能，其中有1）实时数据模型包括数据结构、数据操作和完整性约束在内的实时数据模型，2）实时事务的模型与处理3）数据存储与缓冲区管理。   
3 结束语
企业信息化是我国国民经济信息化的首要任务，而企业综合自动化是企业的发展方向。基于Web的SCADA给企业信息化奠定了坚实的基础。实现企业信息化与综合自动化，不但要发展控制网络，建设信息网络，而且要注重控制网络与信息网络的集成，实现计算机协同工作与信息共享，这是未来数字企业的发展方向。
参考文献
[1]吴道虎等，基于TCP/IP的远程监控系统设计技术，测控技术，[9]2002
[2]吴道虎等，基于CC－LINK的转炉实时监控系统的设计，菱电自动化获奖征文
[3]李峣等，计算机网络技术，北京：清华大学出版社，2001.9
[4] http://www.sybase.com.cn
吴道虎 李玉华 华中科技大学计算机学院  湖北武汉 430074
李超钒  武汉瑞华研创测控研究院 430071
作者联系方式：电话：13871377873    Email：daohu_wu@163.com