基于面向?qū)ο蟮墓I(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

1、    基于面向?qū)ο蟮墓I(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)        文俊浩1, 袁曉輝2, 余 時間:2008年06月24日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：關(guān)鍵詞： 面向?qū)ο蠹夹g(shù) SCADA 軟件平臺 IAS在工業(yè)自動化軟件設(shè)計領(lǐng)域，系統(tǒng)分

2、析與設(shè)計是一項系統(tǒng)性、實用性十分強(qiáng)的工作。二十世紀(jì)90 年代以前，系統(tǒng)分析的傳統(tǒng)方法是采用從上到下的順序結(jié)構(gòu)化方法。該方法強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)實體屬性，但不強(qiáng)調(diào)其功能、方法(操作)。其后，面向?qū)ο蠓椒ǔ蔀檐浖O(shè)計的一種趨勢1。作為一種認(rèn)識事物的新方法,面向?qū)ο笫菍栴}空間解的概念模擬人類的自然思維，直接映射到軟件的解空間，從而使人們分析問題、求解問題的過程與軟件開發(fā)過程保持一致。面向?qū)ο笫前严到y(tǒng)看作一個通過對象相互影響的集合體，它的每個對象都有行為，通過這些行為(方法)使類對象之間進(jìn)行交互。面向?qū)ο蠓椒òǚ庋b性、繼承性、多態(tài)性等特點,這些特點使面向?qū)ο蠓椒ň哂辛己玫膽?yīng)用前景2。正是由于面向?qū)ο笏枷氲闹T多

3、優(yōu)勢，使面向?qū)ο蟮募夹g(shù)在軟件領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，目前面向?qū)ο笏枷胴灤┸浖姆治?、設(shè)計、測試等各個環(huán)節(jié)。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，很多控制對象同樣具有面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的“對象”屬性，也引起了人們的注意，控制工程師和控制軟件開發(fā)人員也試圖將面向?qū)ο蟮募夹g(shù)應(yīng)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域，但目前基本上仍停留在針對某個控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和控制軟件的軟件設(shè)計中，例如面向?qū)ο蠓椒ㄔ谲堜摽刂葡到y(tǒng)中的運用3、工業(yè)控制軟件的面向?qū)ο箝_發(fā)技術(shù)4、采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法實現(xiàn)PLC在原料輸送系統(tǒng)中的控制5等。這些都說明面向?qū)ο蟮募夹g(shù)可以應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域，可以將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)的整體系統(tǒng)設(shè)計，而不是簡單地停留在某個具體的軟件

4、設(shè)計中。這就涉及到一個嵌入面向?qū)ο蠹夹g(shù)的工業(yè)自動化軟件平臺的問題。目前，美國Wonderware公司提供的Wonderware Industrial Application Server就是一種面向?qū)ο蟮钠脚_軟件系統(tǒng)。由于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法與原來的控制系統(tǒng)設(shè)計思想的不同，如何在該工業(yè)自動化軟件平臺上進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計是值得深入研究的。1999年，作為工業(yè)自動化領(lǐng)域領(lǐng)先的軟件解決方案供應(yīng)商,美國Wonderware公司在全球推出了新的工業(yè)自動化軟件架構(gòu)ArchestrA(簡稱A2)，并在其核心工廠套裝軟件FactorySuite 2000中全線應(yīng)用，從而形成了新的套件系統(tǒng)Wonderware F

5、actorySuite A2。在該套裝軟件中，新推出了一款嵌入面向?qū)ο蠹夹g(shù)的新產(chǎn)品Wonderware Industrial Application Server。該產(chǎn)品充分發(fā)揮了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)優(yōu)勢，提供了供自動化工程師選擇使用的多個基礎(chǔ)模板，將程序中的面向?qū)ο蠹夹g(shù)屏蔽掉，只需要經(jīng)過客戶化的配置以及擴(kuò)展即可以滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃工作，從而使工程師從簡單、復(fù)雜、耗時的程序模塊中解放出來，將主要的精力集中在系統(tǒng)控制模型以及控制算法上，大大縮短了工業(yè)自動化系統(tǒng)的設(shè)計和上線時間，并提高了系統(tǒng)的重用性。該系統(tǒng)具有良好的可伸縮性或擴(kuò)展性，支持小到1個平臺幾百個點、大到400個平臺和1000000

6、點數(shù)據(jù)的工業(yè)自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)隨時間推移而增值；同時該系統(tǒng)具有良好的集成性，可以激活目前企業(yè)現(xiàn)存的控制系統(tǒng)，延長項目的生命周期。而從整體上提高了系統(tǒng)建設(shè)的投資回報率。3 基于Wonderware IAS系統(tǒng)平臺的開發(fā)技術(shù)傳統(tǒng)的面向功能的設(shè)計方法集中在控制系統(tǒng)的局部，圍繞某個功能實現(xiàn)，而在嵌入面向?qū)ο蠹夹g(shù)的自動化軟件平臺Wonderware Industrial Application Server上，采用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮面向?qū)ο蠹夹g(shù)的封裝性、繼承性的優(yōu)勢，同時采用抽象對象的方法看待整個監(jiān)控系統(tǒng)的組成。一般采用如下步驟設(shè)計：(1) 收集設(shè)備對象和功能需求在采用面向?qū)ο筮M(jìn)行軟件系統(tǒng)

7、設(shè)計時，通常要分析該軟件系統(tǒng)涉及的對象以及對象的屬性和功能，便于系統(tǒng)類的設(shè)計。在采用面向?qū)ο蟮淖詣踊O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，同樣要了解系統(tǒng)中的設(shè)備對象以及相關(guān)的功能需求，便于系統(tǒng)總體模板的設(shè)計。例如在某控制系統(tǒng)中要使用到很多的電動閥門,閥門就有輸入/輸出控制點,有些閥門還有開度等屬性,這些都是要收集的數(shù)據(jù)。該階段收集設(shè)備對象和功能需求參考表格如表16所示。其中屬性、功能完全一致的可以歸納成一種設(shè)備。通過搜集歸納系統(tǒng)中使用的設(shè)備屬性和功能需求，可以為抽象對象和設(shè)計模板提供參考依據(jù)。(2) 抽象對象設(shè)計模版Wonderware IAS針對工業(yè)自動化系統(tǒng)對象的類型及特點，提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)應(yīng)用模版，其中包括A

8、nalogDevice、Boolean、DiscreteDevice、Double、Float、Integer、 String等；還有相關(guān)的通訊模版，包括DDESuiteLinkClient、OPCClient、InTouchProxy等；以及系統(tǒng)模版，包括Platform、Engine、Area。這些模版充分利用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的封裝性，把一個對象的所有數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的操作封裝在該模版中，并提供一種機(jī)制, 使對象內(nèi)的私有數(shù)據(jù)具有其私有的操作；同時提高了模版的可重用性, 使人們在開發(fā)新系統(tǒng)時減少重復(fù)工作。在這些模版中提供了自動化監(jiān)控系統(tǒng)的基本信息描述、IO通訊、功能腳本、用戶自定義屬性(UDA)

9、、功能屬性擴(kuò)展、警報和歷史紀(jì)錄等功能。通過對設(shè)備對象和功能需求的分析，找出同類型設(shè)備的共同屬性和相同的功能，就可以抽象出系統(tǒng)的部分應(yīng)用模版。這些應(yīng)用模版可以利用面向?qū)ο蟮睦^承性特點，從基礎(chǔ)模版派生出來，再添加一些個性化的要求即可。在該設(shè)計部分，包括應(yīng)用基礎(chǔ)模版設(shè)計和對象結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中對象結(jié)構(gòu)的設(shè)計是根據(jù)對象的屬性特點來設(shè)計對象的層次，例如一個鍋爐對象，可能包括液位對象、溫度對象、壓力對象以及閥門對象等。(3) 設(shè)計區(qū)域模型監(jiān)控系統(tǒng)里所涉及到的應(yīng)用模版設(shè)計完成后，就要根據(jù)實際系統(tǒng)需要生成實例(instance)，并設(shè)計系統(tǒng)的區(qū)域模型。區(qū)域模型是應(yīng)用的邏輯組合，表明系統(tǒng)的實際層次結(jié)構(gòu)。這些模型可基

10、于物理位置、執(zhí)行的動作或用戶能夠設(shè)想出的其它任何邏輯參數(shù)。區(qū)域結(jié)構(gòu)的深度沒有限制。例如工廠被分成3個子區(qū)域:InTake、生產(chǎn)過程和Dispatch。生產(chǎn)過程區(qū)域又被細(xì)分成生產(chǎn)線1和生產(chǎn)線2兩個區(qū)域，如圖1所示。此外工廠模型在項目中增加了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，針對部署、執(zhí)行以及報警提供了一種對象分組機(jī)制。(4) 設(shè)計安全模型工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)是對控制現(xiàn)場信息的在線監(jiān)測和交互控制，需要對不同的操作人員實施不同的操作授權(quán)，例如系統(tǒng)管理員可以實施全系列的系統(tǒng)維護(hù)和配置更改操作，系統(tǒng)工程師可以實現(xiàn)局部控制系統(tǒng)的配置，一般工程師可以實現(xiàn)某個設(shè)備的交互控制，現(xiàn)場值班人員只可以監(jiān)控畫面，不能實施任何的控制動作等。這些

11、就要求監(jiān)控系統(tǒng)擁有良好的安全控制策略，不但要對配置界面的操作進(jìn)行控制，而且需要單獨對某個對象的控制授權(quán)。而傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中，都是通過使用簡單的腳本語言在控制對象上實現(xiàn)簡單授權(quán)，由于操作人員分工不同，需要更好、更穩(wěn)定、更易維護(hù)的安全策略。同時一些監(jiān)控系統(tǒng)還要求與現(xiàn)有操作系統(tǒng)的控制策略實現(xiàn)良好的集成。在操作系統(tǒng)中是通過組、角色、用戶的概念實施安全策略的。這種安全策略維護(hù)方便，便于理解，便于實現(xiàn)復(fù)雜的安全授權(quán)，因此是一個良好的安全策略。Wonderware IAS提供了三種安全策略供選擇，分別是Galaxy、OS User based、OS Group based。其中Galaxy是獨立于操作系

12、統(tǒng)的一種安全策略。OS User based和OS Group based是可以與操作系統(tǒng)集成的安全策略。三種安全策略都可以控制單獨的對象層次。至于對象中的屬性部分，又提供了Read Only、Operate、Tune、Secured Write、Verified Write和Configure六種安全選項。通過對對象級以及屬性級兩種層次的安全設(shè)定，可以完全滿足工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)對安全策略的需求,而且維護(hù)方便、擴(kuò)展性好。(5) 系統(tǒng)部署設(shè)計由于Wonderware IAS系統(tǒng)是一個全分布式的系統(tǒng),通過開發(fā)環(huán)境,可以將不同的對象部署到不同的計算機(jī)上運行。該分布式系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中一

13、個計算機(jī)只能對應(yīng)一個Platform,一個Platform可以有多個Engine。同樣地，一個Engine上可以有多個Area和Object。系統(tǒng)部署設(shè)計是面向計算機(jī)的軟件分配設(shè)計，在設(shè)計過程中要考慮到對象的負(fù)荷情況，這些負(fù)荷一般是由I/O通訊量以及用戶自定義變量的數(shù)量等因素綜合決定的。通過分析對象的負(fù)荷狀況，在具體分配時結(jié)合計算機(jī)的性能實現(xiàn)有效的負(fù)載均衡分配， 達(dá)到計算機(jī)資源有效合理的使用。另外還要根據(jù)數(shù)據(jù)的流向,考慮采集軟件的合理分配。如果數(shù)據(jù)流向比較集中，可以將采集軟件分配在一臺計算機(jī)上；如果數(shù)據(jù)流向比較分散，可以將采集軟件分散分配在不同的計算機(jī)上。4 應(yīng)用示例該面向?qū)ο蟮脑O(shè)計技術(shù)在“數(shù)字黃河”以及浙江天然氣管網(wǎng)監(jiān)控等方面發(fā)揮了重要作用。其中在黃河中下游引黃涵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，利用Wonderware IAS實現(xiàn)了對分布在長達(dá)700多公里、32個縣的黃河中下游沿岸的84座引水涵閘有效地集中控制，整個系統(tǒng)從設(shè)計到上線正式運行，僅用了3個月的時間。自系統(tǒng)投運以來，已帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益7。同樣，在浙江天然氣管線監(jiān)控系統(tǒng)中，采用以Industrial Application Server為核心的SCADA解決方案，用以構(gòu)建站控系統(tǒng)SCADA中心的軟件架構(gòu)和各種應(yīng)用，為浙江天然氣管網(wǎng)未來10年建設(shè)超過1400公里提供了極