CTS工业厂房FMCS系统集成方案
2008-11-18 11:04:00　刘瑞霞 李光明 张国栋 王玲　供稿
摘  要：本文采用FMCS系统来满足天津CTS工业厂房的集成需求，主要从PLC控制、DCS系统和OPC 技术等方面进行了阐述。
Abstract:This article introduces the application of FMCS system in the CTS industry workshop in Tientsin mainly from three aspects: PLC control、DCS system and OPC technique.
关键词：系统集成;PLC;DCS;OPC
Key words:tcpip协议最低层The system is integrated ;PLC ; DCS;OPC
1 引言
  FMCS系统是一个采用分层的分布式结构的监控系统，总体上讲分为四层结构，最底层为现场设备层，包括各类传感器、探测器、仪表和执行机构等设备;第二层为现场总线控制层，主要完成现场控制器，PLC等设备对底层设备的数据采集，下发控制命令，多采用MODBUS，PROFIBUS，RS-485 以及LONWORKS等总线协议，具有实时性要求;第三层为子系统监控操作层，主要完成各子系统的监视和操作,HMI人机界面，现场数据的提取，并作为集成系统的OPC Server数据源，是确保各子系统独立运行的基础;最上层为监视和管理中心，负责整个系统协调运行和综合管理，采用和遵循标准的以太网好人和TCP/IP协议，以通用数据库为基础，通过ODBC（开放式数据库互联驱动）标准接口，SQL结构化查询语言进行数据提取和交换。
2 集成需求
  天津CTS是一座具有现代化智能型工业厂房。目前所涉及到的自系统包括EMS能源管理系统、FA火灾报警及消防系统、DCS分布式集散系统、CNS计算机网络（Intranet ）系统、OS办公自动化信息系统等子系统。根据业主和智能化厂房的要求，同时兼顾未来的发展趋势，拟对上述自系统在工厂级局域网（TCP/IP以太网）上进行系统集成为FMCS。用户不仅可以在局域网上浏览和操作FMCS系统的数据，还可以借助于国际互联网Internet，在任何地点，任何时间查看、浏览和操作FMCS系统。
  FMCS的各子系统都具有独立的硬件和丰富的软件功能，在实现底层物理连接和标准的通信协议之后，由软件功能实现信息共享和交换是系统集成的关键内容。各子系统与FMCS的信息数据流如下：
  l EMS与FMCS数据流
  A. 接受FMCS的控制指令：如预制空调控制模式及参数设定，火警联动控制，厂房环境控制设备的启停。

图1 FMCS系统组成及信息流示意
  B.向FMCS发送数据：系统运行过程参数和历史数据，系统大型设备运行累计报表，各种报警及报表，现场控制器运行状态等。
  l FA与FMCS数据流
  向FMCS发送数据：各防区探测设备状态和各控制主机运行的累计报表，报警及与其它子系统报警信息。
  l DCS与FMCS数据流
  A.FMCS的控制指令：预制生产过程控制系统的控制模式，控制参数及报警参数设定，报表预制。
  B.FMCS发送数据：实时过程数据，历史数据，报警数据，设备运行设备运行状态。
3 FMCS集成方案
  3.1 系统硬件集成
  由于类属于EMS的HVAC系统包含有两个部分，其一 为舒适型空气调节系统，此多为工厂非生产区的环境控制，如办公楼，写字间等，相对控制工艺简单，采用SIEMENS楼宇科技的APPOGE 600 系统即可胜任。其二为生产区洁净系统，工艺要求复杂，控制精度要求较高，该系统控制品质的优良直接影响企业生产的质量，所以选用SIEMENS S7—300型PLC作为主控制器，PLC系统与楼控系统的集成通过网关，在相对底层进行集成，这样的集成保证了HVAC系统的完整性，可作为独立子系统单独运行。另外同属于EMS的电梯控制系统和动力配电系统也是通过网关在底层进行集成. HVAC系统主机上运行的是WINDOWS NT平台上的Insight软件,它是SIEMENS楼宇科技多任务环境功能强大的软件包.除具备所有完整的HVAC控制策略外,它还是一个理想的OPC Server.
  FA火灾报警及消防系统属于第三方提供的子系统，国家对该系统的施工,方案组织和实施都有相应严格的规定.对FA系统集成的原则上在局域网上通过OPC Server技术实现，一般情况下，FA主机上运行的系统软件都能提供COM/DCOM的接口组件。也有部分厂家的产品不具备上述软件接口协议，而仅提供基于RS-232或RS-485的通用或专用协议,在这种情况下,就需要自行开发基于网络应用的ActiveX控件或OPC Server,使FA系统在工厂局域网上开放并能够共享其系统的数据。

图2 FMCS系统集成示意图
  DCS系统也属于第三方提供的系统,目前倾向采用的方案是以PLC作为现场工艺流程控制的基控制器,并通过网络将分布的各控制器集中起来,从而实现DCS分散控制,集中管理的功能.由于所采用的PLC的不同,其联网方式也会有所不同.目前大多数PLC产品都支持以太网Ethernet的组网方式,用以太网组网,可以充分利用工厂企业网Intranet信息点资源,利用企业结构化综合布线的基础,可十分方便地纵向集成DCS系统.DCS操作软件采用Intellution公司iFIX软件,该软件不仅具备丰富和优良的HMI界面,而且可直接驱动著名企业的数百种控制器或I/O设备,其自身既可以作为一个OPC Server,也可作为OPC Client,并且全面支持ODBC API接口,可直接把实时数据写入一个或多个关系型数据库,也可从关系型数据库回写数据到iFIX实时数据库中.为系统集成奠定了技术基础,是目前工业控制领域中首选的软件产品.
  FMCS主机在宏观上讲,是所有各子系统OPC Server的客户端,完成低端的接口驱动,并通过ODBC接口,向FMCS主服务器构建共享的大型数据仓库.
  FMCS主服务器实际上就是一个Microsoft SQL Server,该服务器的构建可视工厂企业网Intranet上数据库服务器的具体情况而定,或合并,或分散,要以网络数据负荷均衡,工作协调为原则.
  整个FMCS客户端的数据浏览采用基于WEB页的浏览器/服务器,即B/S结构.随着Internet愈来愈广泛的应用,原来基于LAN的企业网开始采用Internet的技术来构建,即所谓的Intranet.于是这种B/S结构模式应运而生,并且获得飞速发展,成为众多厂家争相采用的一种技术.
  3.2系统软件集成
  系统集成的功能最终是由软件实现的,而软件技术的核心和基础即是OPC Server,ActiveX,COM/DCOM;数据库服务器软件SQL Server或Oracle又是其密不可分的组成部分;DHTML,ASP以及VB或JAVA脚本语言等Web技术是其最终的表现手段.
  OPC（OLE For Process Control）是与厂商无关的软件数据交换标准接口和规程，由微软倡导而成立,主要解决过程控制系统与其数据源的数据交换问题，可在各应用之间提供一种透明的数据访问。可以说OPC是工业监控软件的现场总线。其基本思想是：每个硬件厂商为其设备开发一个通用的数据接口（既OPC Server）,供其它系统读写信息，应用软件也通过OPC规范的接口来读写硬件设备的信息（作为OPC Client）。通过OPC Server访问过程数据，可以克服异构网络和网络协议之间的差异。采用OPC技术，可以完全解决FMCS集成子系统之间的互联性和互操作性问题，构造真正开放、通用的FMCS系统。
  将各个硬件设备驱动程序和通讯程序封装成独立的OPC数据，可以独立运行或嵌入式运行，从而能够最大限度挖掘硬件的潜力，提高驱动程序的性能。一方面，上层应用软件可以不关心硬件的性能特点;另一方面，由于硬件程序和上层应用的相对独立，硬件性能的变动不影响上层应用软件的使用，使硬件可在遵循OPC数据接口协议的基础上独立升级，软件开发商不必因硬件的特性改变或重写驱动程序。

图3 基于OPC应用的软硬件结构
  同时，因为硬件驱动的OPC服务器建立在上位机中，所以上层应用与OPC服务器之间的数据交换是应用程序间的数据交换关系,不需要包含各自的设备驱动程序，这可以避免多个设备驱动程序同时访问可能引起的冲突。
  此外，硬件驱动程序封装成OPC服务器后，相对于底层与硬件设备间的软件通讯协议是不可见的，使硬件厂商的技术得到有效的保护。使用OPC技术还可使控制系统模块化，开放性和重用性大为提高。上层应用OPC数据客户端，可以不包含任何通讯接口程序，不必关心低层硬件的实现，只需遵循OPC数据接口协议，就能够从不同的硬件厂商提供的OPC数据服务器中取得数据，从而实现数据的灵活配置的多种系统的真正意义上的集成。
  以上所述,我们会认为OPC主要解决了底层硬件设备的I/O驱动的问题,实际上,OPC技术规范还解决了大量的应用层之间的数据交换,如各子系统EMS,FA和DCS操作站软件之间数据共享,使以上子系统从应用的角度看上去,更象一个智能化的"超级"设备.FMCS正是将EMS,FA和DCS系统当作这样一个"超级"设备来进行集成的,如图3 所示.
  利用ActiveX技术也是一种系统集成的途径,这对那些不提供OPC技术规范,而仅提供此类接口规范的设备和系统比较适用. ActiveX是OLE在Internet上的扩展, 它的出现使OLE技术得以进入Internet和Intranet. ActiveX的技术包括文档,控件,COM/DCOM组件,超级链接,服务器扩展以及脚本语言等.ActiveX控件可以在非网络应用中使用,还可以嵌入到基于Web页的网络应用中.通过在HTML文件中激活一个非HTML文件,可以访问诸如WORD,EXCEL等文档.服务器扩展使用DLL（动态链接库）实现并提供某些Http服务器没有提供的功能,如数据库的链接等.
  OPC Server和ActiveX技术同属于OLE（对象链接和嵌入技术）技术,其基础都是COM.COM（Component Object Model）为OLE规范了编程模型和二进制标准,定义并实现了软部件机制,并将这种软部件统称为"对象",这种"对象"很像C++的类,也支持封装,具有多态性和可重用性,它包含两种成员,即属性和方法.但是作为二进制象,COM关心的是与其他对象的接口,不关心如何与外部交互. COM不是一种编程语言,它是一种能使软部件作为对象进行相互作用的二进制标准. DCOM是COM在网络上的延伸和扩展.
4 结论
  FMCS 系统信息集成应用模型的设计应完全企业内部网Intranet之上，通过Web服务器和浏览器技术来实现整个网络上的信息交互、综合与共享，实现统一的人机介面和跨平台的数据库访问。因此可以真正做到局域网和远程信息的时实监控，数据资源的综合共享，以及全局事件快速的处理和一体化的科学管理。

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