神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司 李澤琦

基于ControlLogix的控制系統(tǒng)與信息應(yīng)用系統(tǒng)的幾種通信方式的研究

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司 李澤琦

美國羅克韋爾公司的ControlLogix系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大中型工廠的控制系統(tǒng)中，上層的信息系統(tǒng)為了獲得控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)需要與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文介紹了三種不同的通信方式，并分析每種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為信息系統(tǒng)的構(gòu)建提供了參考依據(jù)。

ControlLogix；通信方式；研究

1.引言

ControlLogix系統(tǒng)是美國羅克韋爾公司開發(fā)的第三代PLC產(chǎn)品，由于其出色的性能和穩(wěn)定性，被廣泛的應(yīng)用于大中型工廠的控制系統(tǒng)中。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，為了便于管理和決策，大多數(shù)工廠都在控制系統(tǒng)的上層建設(shè)了各種信息應(yīng)用系統(tǒng)。為了獲得設(shè)備和生產(chǎn)中的相關(guān)信息，大部分信息應(yīng)用系統(tǒng)都會(huì)和下層的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲取控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。本文主要分析幾種信息應(yīng)用系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的通信方式，討論各種方式的實(shí)現(xiàn)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，為信息應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建提供一個(gè)參考依據(jù)。

2.基于傳統(tǒng)OPC的通信方式

在現(xiàn)有大多數(shù)的信息應(yīng)用系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的通信方案中，大多數(shù)是用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的的。該技術(shù)是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是世界范圍內(nèi)工業(yè)控制領(lǐng)域的幾家核心公司與微軟公司合作定制的。在工業(yè)控制領(lǐng)域的大部分廠商都為其硬件開發(fā)了遵循這一標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口程序。

羅克韋爾公司遵循傳統(tǒng)該標(biāo)準(zhǔn)為其銷售的工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一套數(shù)據(jù)通信接口，并集成在羅克韋爾的組態(tài)軟件和通信接口軟件中，在計(jì)算機(jī)中安裝了該軟件，就可以使用該接口與工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。并且使用該接口可以和羅克韋爾公司的多種工業(yè)控制系統(tǒng)通信，而且通信接口的使用方式是一致的。在這種情況下，如果要更換底層的控制系統(tǒng)就不會(huì)再使用其他的接口，系統(tǒng)移植的軟件成本較低。一般情況下使用該接口通信的具體應(yīng)用系統(tǒng)，信息應(yīng)用系統(tǒng)要在裝有該接口軟件的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行一個(gè)服務(wù)，在這個(gè)服務(wù)中，軟件開發(fā)者要使用微軟公司的組件對(duì)象模型技術(shù)，動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建一個(gè)接口服務(wù)對(duì)象，通過該接口服務(wù)對(duì)象查詢到其支持的數(shù)據(jù)訪問實(shí)現(xiàn)，通過該服務(wù)定時(shí)通過接口讀取控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，信息應(yīng)用系統(tǒng)通過訪問數(shù)據(jù)庫獲得控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

該標(biāo)準(zhǔn)最初是在上世紀(jì)九十年代年發(fā)布的。因此這種標(biāo)準(zhǔn)有著那個(gè)時(shí)代的局限性。首先這種標(biāo)準(zhǔn)是基于微軟的視窗操作系統(tǒng)平臺(tái)定制的標(biāo)準(zhǔn)，只用運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序才能使用這種接口，在非平臺(tái)的信息應(yīng)用系統(tǒng)將無法使用該接口。其次OPC標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程調(diào)用訪問基于微軟的動(dòng)態(tài)組件對(duì)象模型技術(shù)，不適于在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用。最后，通過編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)接口不利于維護(hù)，當(dāng)需要訪問的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)發(fā)生變化時(shí)需要對(duì)程序進(jìn)行修改并重新編譯發(fā)布。

因此，傳統(tǒng)的OPC方式，適用于小型的數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)交互頻繁，但數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不經(jīng)常變化的信息應(yīng)用系統(tǒng)。

3.基于羅克韋爾Transaction Manager軟件的通信方式

為了應(yīng)對(duì)大規(guī)模的數(shù)據(jù)交互，羅克韋爾公司專門開發(fā)了用于工業(yè)控制系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的軟件，該軟件稱為Transaction Manager，該軟件是運(yùn)行企業(yè)所要進(jìn)行集成和建立解決方案的理想平臺(tái)。

該軟件不直接與工業(yè)控制系統(tǒng)的控制器處理器進(jìn)行通信，它位于類似OPC接口軟件的上層，它的底層可以使用OPC接口，也可以使用羅克韋爾公司為其工業(yè)控制系統(tǒng)專門開發(fā)的Live Data接口，使用該接口可以更方便快捷的與羅克韋爾自家生產(chǎn)的工業(yè)控制系統(tǒng)通信，通信效率更高，穩(wěn)定性也更高。同時(shí)，當(dāng)需要與其他廠家生產(chǎn)的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)就可以使用更加通用的OPC接口軟件。通過使用該軟件就不需要再單獨(dú)開發(fā)專門的數(shù)據(jù)交換服務(wù)程序，僅需要對(duì)該軟件進(jìn)行配置，將工業(yè)控制系統(tǒng)中的點(diǎn)位標(biāo)簽直接映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表中的字段即可。這樣上層的信息系統(tǒng)的應(yīng)用程序不必要去關(guān)心底層數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)，僅僅是像一般情況下直接去訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，就可以獲得底層的工業(yè)控制系統(tǒng)中各個(gè)點(diǎn)位標(biāo)簽的狀態(tài)信息。同時(shí)該軟件還支持雙向的通信，上層的企業(yè)信息應(yīng)用系統(tǒng)既可以通過讀取關(guān)系型數(shù)據(jù)庫從中獲取工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息，也可以通過通過特定的操作如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)過程等方式將必要的信息寫入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，該軟件可以可以通過配置將該存儲(chǔ)過程綁定，當(dāng)檢測到該存儲(chǔ)過程執(zhí)行時(shí)，該軟件就獲得該存儲(chǔ)過程執(zhí)行處理的結(jié)果數(shù)據(jù)將這些數(shù)據(jù)通過羅克韋爾專用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口或OPC軟件接口將數(shù)據(jù)寫入到羅克韋爾的工業(yè)控制系統(tǒng)中或者其他廠商的工業(yè)控制系統(tǒng)中去。該軟件支持在線修改配置，當(dāng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要變更時(shí)，并不需要停止該軟件運(yùn)行的服務(wù)，其他需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不受影響，這樣可以避免數(shù)據(jù)的丟失，提高系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性。該軟件也支持將下層的通信接口進(jìn)行冗余，在啟用冗余配置的情況下，該軟件可以同時(shí)連接多個(gè)用于連接同一工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，并將其中一個(gè)作為主要的接口，當(dāng)該軟件檢測到當(dāng)前主要的數(shù)據(jù)通信接口數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)異常時(shí)，該軟件會(huì)自動(dòng)的切換數(shù)據(jù)通信接口，將另外的備用冗余的數(shù)據(jù)通信接口作為主要接口，使用該接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而保證數(shù)據(jù)通信的不間斷型，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

該軟件是羅克韋爾公司專門為了大規(guī)模的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸而設(shè)計(jì)的，對(duì)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸有較好的支持，然而，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，傳輸?shù)男畔⒔?jīng)常變化時(shí)，其上層的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫就要承受較大的存儲(chǔ)壓力，因此，上層的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫大多僅存儲(chǔ)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時(shí)，上層的信息系統(tǒng)會(huì)將之前的歷史數(shù)據(jù)刪除。因此，使用該軟件不能保存較長的歷史數(shù)據(jù)。

因此，Transaction Manager軟件適用于需要大規(guī)模的訪問低層控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的交互比較頻繁，但不需要保存較長時(shí)間歷史紀(jì)錄的信息應(yīng)用系統(tǒng)。

4.基于歷史數(shù)據(jù)庫的通信方式

歷史數(shù)據(jù)庫的正式名稱是FactoryTalk Historian SE。是羅克韋爾公司FactoryTalk軟件系統(tǒng)家族中的一部分，但是其歷史數(shù)據(jù)庫的軟件核心是OSISoft公司開發(fā)的PI系統(tǒng)，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和其他工業(yè)信息化系統(tǒng)。

歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在系統(tǒng)層面上可以分為四個(gè)部分包括數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)部分，數(shù)據(jù)管理查詢及應(yīng)用接口部分。其中數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)從PLC系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)部分。與同樣是基于FactoryTalk平臺(tái)的Transaction Manager一樣，歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口服務(wù)既可以使用羅克韋爾專用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)接口來采集羅克韋爾公司生產(chǎn)的工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以使用更為通用的OPC服務(wù)接口來采集其他廠商生產(chǎn)的工業(yè)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)部分將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾壓縮等處理并按特定的格式存儲(chǔ)。對(duì)于高頻率的數(shù)據(jù)采集，如果不對(duì)采集過的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而直接進(jìn)行存儲(chǔ)的話，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間將很快會(huì)被耗盡。為了更有效率的存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)將從數(shù)據(jù)采集部分接收到的數(shù)據(jù)安裝用戶的配置進(jìn)行過濾，將過濾后的數(shù)據(jù)采用特殊的格式進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)，使用這種格式既能保證快速的讀取數(shù)據(jù)又不比浪費(fèi)過多的存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)管理查詢部分包括一些外圍的軟件，通過這些軟件連接到歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行配置和查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；比如使用這些軟件可以配置歷史數(shù)據(jù)庫需要采集工業(yè)控制系統(tǒng)中的那些點(diǎn)位信息，這些點(diǎn)位需要怎樣的壓縮精度和采集頻率，通過這些軟件還可以快速的查詢歷史數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的點(diǎn)位標(biāo)簽的歷史數(shù)據(jù)。應(yīng)用接口部分是第三方應(yīng)用程序訪問歷史數(shù)據(jù)庫的程序庫，第三方應(yīng)用程序可以通過該接口連接到歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，獲取其中的歷史數(shù)據(jù)。第三方應(yīng)用程序可以通過OPC ，OLE DB，JDBC，WebService等多種常見的應(yīng)用程序編程接口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，不必限制第三方軟件的應(yīng)用平臺(tái)和編程語言，從而提高系統(tǒng)的可訪問性。

在歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，為了加快數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)訪問速度，歷史數(shù)據(jù)都是按照時(shí)間序列進(jìn)行存儲(chǔ)的，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間沒有強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜的關(guān)聯(lián)比較時(shí)需要在應(yīng)用程序中編寫復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯算法。當(dāng)企業(yè)信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯比較復(fù)雜時(shí)，僅僅應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件的編程工作量是比較大的。

因此，歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)適應(yīng)于對(duì)低層的控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問量大，并且需要存儲(chǔ)較長時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)邏輯相對(duì)簡單的信息應(yīng)用系統(tǒng)。

5.總結(jié)

以上介紹了企業(yè)信息通過三種不同的接口或系統(tǒng)對(duì)低層的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行訪問的通信方式，這三種方式都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。這些優(yōu)點(diǎn)和缺陷是因?yàn)槊糠N方式都有不同的側(cè)重點(diǎn)和應(yīng)用目的，而隨著信息系統(tǒng)的發(fā)展，其應(yīng)用目的和場景往往不再單一。因此，在復(fù)雜的企業(yè)信息系統(tǒng)中應(yīng)該根據(jù)這三種通信方式的特點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況來結(jié)合使用。