互聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)姓名：陳興文 學號：04083182摘要：互聯(lián)網(wǎng)為過程系統(tǒng)的高水平控制賦予了巨大的潛力。作為一個新的概念，基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制在幾年前就已經(jīng)開始得到關(guān)注。但是對于目標是形成一個基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)的設(shè)計方法，迄今為止做的這些工作還是遠遠不夠的。本文研究了與互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制的五個根本設(shè)計問題，他們分別是：需求規(guī)格說明，架構(gòu)選擇，基于網(wǎng)絡(luò)的界面設(shè)計，監(jiān)督控制以及系統(tǒng)的安全性檢查。比如一個水槽控制系統(tǒng)是被用來證明我們設(shè)計方法是可行的。獨特的，圖像反饋，基于文本的交流，和白板都被嵌入系統(tǒng)中并且被通信用戶分享。虛擬的監(jiān)督參數(shù)控制克服了互聯(lián)網(wǎng)流量引起的動態(tài)時間延誤。實驗結(jié)果表明：基于網(wǎng)絡(luò)的水箱控制系統(tǒng)如果設(shè)計得當?shù)脑捯部梢援a(chǎn)生與本地控制相同的現(xiàn)象。1.引言：在過去的十年中，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展最成功的地方就在于互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為為分布式協(xié)同工作服務(wù)的一個強大的工具。新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為我們提供了前所未有的互聯(lián)能力和協(xié)同工作的分配方式，這些對于利用高水平程序系統(tǒng)的過程控制的工作方式來創(chuàng)造利益有著巨大的潛力。（1）這些利益都包括：能夠遠程監(jiān)督和校正系統(tǒng)；（2）能夠使位于不同地點的系統(tǒng)技術(shù)管理員相互協(xié)作；（3）能夠很容易的重新定位系統(tǒng)管理人員的實際位置來作為實際需要的響應(yīng)。系統(tǒng)工程師要求更好和更快的方法檢索數(shù)據(jù)和對發(fā)生在在世界上任何地方和任何時間的系統(tǒng)波動作出反應(yīng)。作為可能是下一代控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于網(wǎng)絡(luò)過程控制的概念在最近幾年被提出。至今，大部分對于基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制的研究已經(jīng)引起的例如SunMicrosystems，Cyberonix,Foxboro以及Valmet的小規(guī)模的證明。它們中的很多最后發(fā)展成為了JAVA。此外，OPC技術(shù)（開放過程控制），OPC基金會（1998年）支持包含VisualStudio的XML的工作，使基于互聯(lián)網(wǎng)的進程控制使用XML能夠成為現(xiàn)實。IntuitiveTechnologyCorp也為JAVA圖形化控制臺的實時反饋數(shù)據(jù)提供了一個名為web@aGlance的網(wǎng)絡(luò)平臺。并且，Invensys公司目前正在與牛津大學工程科學部門合作來發(fā)展以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的控制裝置。一些企業(yè)也正在嘗試生產(chǎn)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)來作為控制裝置。在這個領(lǐng)域，一些來自于高等教育機構(gòu)的研究人員為了實現(xiàn)遠程教育這一目標，專注于開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬控制實驗室。他們允許遠程用戶在他們的控制工程實驗室中通過互聯(lián)網(wǎng)進行實驗。然而，對于這樣一個基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制系統(tǒng)來說，在開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計方法或準則的設(shè)計方面做這些工作是遠遠不夠的。不幸的是，設(shè)計所使用的方法是對于以計算機為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)來說的，但并不適合基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，因為他們沒有考慮到互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境問題，如：網(wǎng)絡(luò)堵塞，用戶同時訪問，基于網(wǎng)絡(luò)的界面以及相關(guān)網(wǎng)站的安全造成的時間延遲。例如，一個基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)不確定性的用戶是誰，有多少用戶以及他們的所在位置。相反，對于一個系統(tǒng)負荷已經(jīng)被確定的典型的分散控制系統(tǒng)（DCS）來說，基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制系統(tǒng)存在一個可變化的工作負荷。一些現(xiàn)有的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過程控制方案中討論網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點所造成的限制，如互聯(lián)網(wǎng)傳輸時間延遲和用戶隔離。實際上，互聯(lián)網(wǎng)時間延遲和多用戶之間的協(xié)作是我們在設(shè)計基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中必須要解決的兩大問題。本文旨在找到一個方法來為工藝裝置設(shè)計基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，并在實驗室中開發(fā)一個包含一個水箱的基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)，并將它作為論證我們的設(shè)計方法和觀察網(wǎng)絡(luò)時間延遲，多個用戶訪問和交流技術(shù)的平臺。本文其余部分如下，基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制在第二部分予以說明，基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的特性所產(chǎn)生的需求規(guī)格，架構(gòu)選擇，基于網(wǎng)絡(luò)的界面設(shè)計，監(jiān)督控制，并發(fā)用戶訪問，系統(tǒng)安全檢查這六個關(guān)鍵問題將在第三部分說明。第四部分介紹了以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的水箱的過程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，包括其硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。第五部分介紹該系統(tǒng)的實施和一些實驗結(jié)果。第六部分是結(jié)論部分。2.基于計算機的過程控制與基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制的關(guān)系以計算機為基礎(chǔ)的控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中。其應(yīng)用范圍從獨立的基于計算機的控制到本地計算機基于網(wǎng)絡(luò)的控制，比如DCS系統(tǒng)。Modem圖1.1：Modem圖1.1：聯(lián)網(wǎng)的DCSModernExtra]nt?raetlevelGlobal.DatabaseProc?SGDatabaseSetpaint2,Supervisacy:Extra]nt?raetlevelGlobal.DatabaseProc?SGDatabaseSetpaint2,Supervisacy:evclr^anitoringandSupetviwryMen祁的entControlOverallplantoptmi onlevHDynsminUnntrulRegulatoryLeve'圖2.1：過程控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和可能存在的與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系圖1展示了一個與互聯(lián)網(wǎng)相連的DCS控制系統(tǒng)。圖2展示了一個典型的給予計算機的過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次，圖2的過程控制系統(tǒng)分為以下的幾個等級層次：工廠優(yōu)化，監(jiān)督，監(jiān)管和保護。全球數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理工廠的電腦系統(tǒng)都處于尖端水平，蘊含了相當大的計算能力。工藝數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控位于第二層，其中許多先進的控制功能得到實施。集散控制系統(tǒng)和過程與保護分別位于兩個相對較低的層次。建立以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過程控制系統(tǒng)的目標是在分級結(jié)構(gòu)中添加一個額外的互聯(lián)網(wǎng)級別去強化基于計算機的過程控制系統(tǒng)，而不是取代它。額外的互聯(lián)網(wǎng)等級應(yīng)根據(jù)控制要求妥善放置在現(xiàn)有的過程控制系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)中。圖2展示了互聯(lián)網(wǎng)和過程控制系統(tǒng)之間可能存在的聯(lián)系。額外的互聯(lián)網(wǎng)級別可能與現(xiàn)有的過程控制系統(tǒng)通過工廠優(yōu)化水平，監(jiān)督水平或監(jiān)管水平這一級相連。因此，基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制的范圍被定義為過程控制體系中的互聯(lián)網(wǎng)控制水平。互聯(lián)網(wǎng)的控制水平如圖1，作為遠程監(jiān)測和控制站，通過無線網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器與現(xiàn)場總線相連。3.基于網(wǎng)絡(luò)特性的設(shè)計問題及其解決辦法將互聯(lián)網(wǎng)引入過程控制系統(tǒng)引進了許多新的功能，例如網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的的交通延誤，基于網(wǎng)絡(luò)的界面，用戶的不確定性，多用戶訪問及與網(wǎng)站相關(guān)的安全等都應(yīng)該在基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計中考慮到。這些新的功能使得基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計方法不同于基于計算機的過程控制系統(tǒng)，六個從過程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能中產(chǎn)生的基本問題將在本節(jié)被研究，它們是：規(guī)格需求，架構(gòu)選擇，基于網(wǎng)絡(luò)的界面設(shè)計，對于帶有網(wǎng)絡(luò)時滯的因特網(wǎng)的控制，多用戶同時訪問和系統(tǒng)安全性檢查。3.1.需求規(guī)格以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過程控制的具體要求是非常重要的，因為不同的需求可能會導致不同的控制結(jié)構(gòu)。當設(shè)計一個控制系統(tǒng)時，這是首先要考慮到的，這些規(guī)定應(yīng)該只包括過程監(jiān)測和控制目標，是通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)水平可以完全達到的，并且所開發(fā)的系統(tǒng)也是僅限于現(xiàn)有的技術(shù)水平。例如，應(yīng)該避免有需要在確定時間內(nèi)完成的任務(wù)，因為他們可能由于網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的交通延遲而無法實現(xiàn)。規(guī)格需求的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和解決目標和系統(tǒng)中出現(xiàn)的相互矛盾或者不能完全實現(xiàn)的系統(tǒng)約束之間的權(quán)衡問題。假設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制的可能需求僅僅是由可通過可實現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)的控制層次，工廠的全優(yōu)化層次，監(jiān)管層次和控制體系中的調(diào)整層次組成。那么基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制的具體要求的程序如下：將過程工廠的控制需求分解為工廠的全優(yōu)化，監(jiān)督和調(diào)整三個層次。進一步分解每個層次的控制需求，將其各自分解為互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)不可實現(xiàn)兩個部分。刪除不必要或者無法實現(xiàn)的需求并且實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制的最終需求。3.2.結(jié)構(gòu)選擇如圖2顯示，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過程控制應(yīng)該與過程控制層中的正確層次相連，以便有效地進行控制和完成對于上述制定的監(jiān)控。盡量減少互聯(lián)網(wǎng)層次和已存在的控制層次之間的交流負載也是有必要的。可能的架構(gòu)可以根據(jù)上述指定的控制和監(jiān)督需求以及像通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交換機制這種硬件和軟件工具來確定。現(xiàn)在的問題是選擇每個可能結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點是什么。Tjhk]ProsjnUicoixofpiissitikinksLlueInfumetLDElrdLtvi'lund.uunfny]teveKExdihnsii'i^trul.khi:LliiE'KrniaGiL'iACh溫出訕Pljnl-wiijeLi^liihi^h^iifcvdGlobalditihoeE^ily 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記的是，中央控制室外的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中跟中央控制室中的可用媒體相比是非常有限的。“多媒體”和“實際存在”領(lǐng)域的技術(shù)在更好的發(fā)展用于過程控制技術(shù)的人機界面這一課題上有著巨大的潛力，不同的媒體可以比其他媒體更有效地傳播某些類型的信息，因此，如果精心挑選可以改進操作性能。對于不同的界面任務(wù)要選擇其最好的媒體并且要盡量減少大量的無關(guān)信息是我們采取的兩個指導方針，通過簡化高度自動化流程的人機界面的設(shè)計原則。人機界面任務(wù)可以根據(jù)操作目標被歸納成兩種功能類型：過程操作功能和過程監(jiān)督功能。用來說明當前進程情況的程序流程圖，歷史趨勢顯小和車間的可視信息是過程監(jiān)督功能的三個元素。控制器窗口顯示的是過程操作功能的部分。3.4.對于帶有網(wǎng)絡(luò)交通延遲的互聯(lián)網(wǎng)的控制3.4.1.網(wǎng)絡(luò)時間延遲過程車間和基于互聯(lián)網(wǎng)的客戶之間的信息交換不僅允許客戶遠程監(jiān)控控制車間的情況并且能在質(zhì)量和產(chǎn)量發(fā)生變化時立即得到反饋。基于互聯(lián)網(wǎng)的的過程控制其中的一個困難就是由于網(wǎng)絡(luò)交通延遲所帶來的動態(tài)延遲，羅和陳(2000)已經(jīng)多次通過從每次他們自己的服務(wù)器向不同的遠程服務(wù)器發(fā)送64字節(jié)的數(shù)據(jù)來測試網(wǎng)絡(luò)的傳遞效率。試驗結(jié)果顯示互聯(lián)網(wǎng)潛在的包含了嚴重的和不確定的時間延遲。M日.地| ulfCWmM岳小拙時域# ftfJ7gFit.3Iliebkx：kdiagramHthem聞m#卜bci心cm■「說圖3.1基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)圖3表示的是基于互聯(lián)網(wǎng)的過程控制系統(tǒng)，完成一次操作周期的總的時間是t1+t2+t3+t4,這四種時間延遲分別產(chǎn)生于：t1產(chǎn)生于是遠程操作者作出控制決定時。

t2產(chǎn)生于遠程操作者向本地系統(tǒng)發(fā)送控制指令時。t3產(chǎn)生于本地系統(tǒng)的執(zhí)行時間到實際執(zhí)行控制行為之間。t4產(chǎn)生于本地系統(tǒng)向遠程操作者發(fā)送信息的時。如果四個時間延遲都是恒定的，那么基于網(wǎng)絡(luò)的控制就是恒定的，但不幸的是，羅和陳(2000)的實驗中顯示的結(jié)果并不是那樣的。網(wǎng)絡(luò)時間延遲t2和t4是隨著距離的遠近變化的，并且時間延遲跟通過的節(jié)點數(shù)目有關(guān)。并且時間延遲也嚴重的取決于網(wǎng)絡(luò)負載。在細節(jié)上，網(wǎng)絡(luò)時間延遲可以通過節(jié)點的運行速度，節(jié)點的負載和寬帶的連接速度，大量的信息，傳輸?shù)乃俣鹊确矫鎭砻枋觥Ｔ趉時刻的網(wǎng)絡(luò)時間延遲Td(k)可以被描述為：其中l(wèi)是第i次的連接長度，C是光速，"是經(jīng)過第i

i個節(jié)點時的路由速度，tL(k)是第i個節(jié)點的負載i引起的滯后，M是數(shù)據(jù)量量，b.表示寬帶在i段的連接，d是獨立時間周期，d(k)是取決于時間的周期，因為周期d(k)對于準確預測每個時刻的互聯(lián)網(wǎng)時滯的建模是不合理的，因此，對于基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)來說，選擇一個對于時間延遲不敏感的控制體系結(jié)構(gòu)是必要的。3.4.2.虛擬監(jiān)督參數(shù)控制虛擬監(jiān)督參數(shù)控制(VSPC)戰(zhàn)略對于對時滯不敏感的基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制是一個實際可行的方法，如圖4,詳細的控制功能在本地控制系統(tǒng)中得到了實現(xiàn)。圖4.虛擬監(jiān)督參數(shù)控制基于網(wǎng)絡(luò)的控制通過VSPC僅僅是在更新設(shè)定值和比例微分積分(PID)參數(shù)時需要發(fā)送給本地控制系統(tǒng)時被引用，新的設(shè)定值在下個周期中VSPC作為本地控制系統(tǒng)的輸入直至收到下個設(shè)定的參數(shù)。VSPC的一個優(yōu)點就是可以對以前的控制系統(tǒng)中的設(shè)置進行保護，比如通過現(xiàn)有的DCS和PLC調(diào)度基于網(wǎng)絡(luò)的通知系統(tǒng)，并且，VSPC提夠了一個高的安全標準，因為本地控制系統(tǒng)是作為其冗余系統(tǒng)來工作的。并且，它可能不會因為網(wǎng)絡(luò)時間延遲而收到很大的影響，因為如圖4所示網(wǎng)絡(luò)時間延遲t和t在控制系統(tǒng)的閉合回路中被排除。當VSPC無法滿足規(guī)定的要求時，更廣泛的控制功能應(yīng)該通過基于網(wǎng)絡(luò)的控制被共享。例如，遠程用戶可以在局部控制計算機中引用一個基于模型的先進控制器。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)控制的輸出水平可能是一個啟動命令和/或基于模型的現(xiàn)金控制器幾個初始條件。只有VSPC在本文中得到執(zhí)行。在異常狀態(tài)下維持現(xiàn)有的過程車間和本地控制系統(tǒng)的安全水平對于VSPC用于真正的車間來說是非常重要的。真正的挑戰(zhàn)是如何使遠程的操作者能夠知道發(fā)生了緊急情況和怎么去避免緊急控制功能受到網(wǎng)絡(luò)時間延遲和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的異常情況的影響。該VSPC運行在“安全比對不起要好”的安全模式，這就意味著如果車間中發(fā)生錯誤，本地控制系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，本地操作者有權(quán)設(shè)置VSPC的忽略所有遠程傳來的任何命令的模式。3.5.多用戶的訪問與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相比，基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)的特別之處在于它是多用戶的并且不確定用戶是誰，有多少用戶以及他們都在哪。盡管集散控制系統(tǒng)允許多個操作者和/或者工程師同時操作，但是他們通常是坐在同一個操作室里。因此，協(xié)調(diào)他們并不是真正的問題。在基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，操作者可能看不見并且不認識對方。可能是多個用戶同時試著去控制一個特定的過程變量。如果授權(quán)的用戶擁有相同的機會去充分控制整個過程，那么可能會產(chǎn)生一些問題。假設(shè)用戶1規(guī)定了控制器的設(shè)定值，然后將設(shè)定值通過VSPC發(fā)送到本地控制器，如果用戶2在變量到達之前對于同一個變量規(guī)定了另外一個設(shè)定值，即使是在不合適的條件下，第二個設(shè)定值也會將第一個覆蓋?？刂破鞯脑O(shè)定值就會從一個值波動到另一個值，因此，多個用戶之間的協(xié)調(diào)就變得非常重要。有些方法可以解決多用戶之間的控制的沖突問題，并且協(xié)調(diào)他們的操作。有三個步驟來處理多用戶之間的同時訪問：將用戶分配為不同的優(yōu)先次序，例如，由整數(shù)0-6來代表。有高度優(yōu)先權(quán)的用戶可以立即編寫可以由低一個級別的用戶發(fā)出的指令，一般來說，最簡單的方法來確定用戶身份就是運用用戶帳戶，當用戶登陸時，一個動態(tài)的身份確定用戶身份就是運用用戶帳戶，當用戶登陸時，一個動態(tài)的身份(ID)將為用戶生成。用戶發(fā)出控制指令時這個ID是一并發(fā)出的，所以服務(wù)器可以識別發(fā)出指令者，識別發(fā)出指令人的優(yōu)先權(quán)，并且決定是否接受這個指令。?當一個新的指令被接受，系統(tǒng)將被在一段時間內(nèi)鎖定并且拒絕接受同一級別或者低于此級別的其余用戶的下一指令，時間是因情況而定的。通常情況下，系統(tǒng)恒定時的時間可能被選擇，因為它確保了在新的命令到達之前，以前的命令已經(jīng)執(zhí)?在調(diào)整操作中只允許單一的用戶操作系統(tǒng)，有兩種典型的操作情況。一種是調(diào)整作業(yè)，另一種是正常運行。調(diào)整操作包括啟動，關(guān)閉，緊急處理。通常情況下，調(diào)整作業(yè)由高級工程師來操作。在這種情況下，操作應(yīng)該是連續(xù)的，獨立的，并且不會被打斷。因此，只有單個用戶可以享有命令服務(wù)，一直到用戶退出登陸或者將操作權(quán)給其他用戶，在這種情況下，其他用戶只可以對操作進行監(jiān)督。3.6.系統(tǒng)安全檢查互聯(lián)網(wǎng)帶來的潛在的危害應(yīng)該系統(tǒng)地被查出來并且建議應(yīng)該為實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的安全設(shè)計采取進一步的行動。然而，這行完成。 樣就很難保證基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的完整性，因為可能有攻擊者通過互聯(lián)網(wǎng)試圖通過打開網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)攻擊網(wǎng)絡(luò)而造成失敗。為了簡便起見，我們假設(shè)可以通過例如防火墻和授權(quán)書等已存在的互聯(lián)網(wǎng)安全方案安全的進入本地控制系統(tǒng)，因此，在這里只需要考慮在互聯(lián)網(wǎng)控制層的遠程用戶所引起的安全問題。最近，基于計算機控制車間的危險分析框架在我們最近的研究中被提出，它可以擴展以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的過程控制車間的安全性檢查。圖5是一個基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制車間的被修改的過程控制實例圖（PCED），在PCED中，互聯(lián)網(wǎng)是一個功能層，引進網(wǎng)絡(luò)客戶端和處理功能層能夠使人，控制系統(tǒng)以及過程影響可以被表現(xiàn)出來。節(jié)點顯示了控制系統(tǒng)中的實體?；〉姆较虮硎拘盘柕膫鞑シ较蚧蛘呔哂幸蚬P(guān)系的行為操作或結(jié)果。本地控制系統(tǒng)發(fā)出指令的程序。本地控制系統(tǒng)從過程車間本地控制系統(tǒng)發(fā)出指令的程序。本地控制系統(tǒng)從過程車間（節(jié)圖5.過程控制實例圖Table2TheanalystsresultsbasedonthePCEDNodeinPCEDScenarioSafetyrequirementActionN1LongtimedelayNotsatisfiedUseatimedelayinsensitivecontrolstructurelikeVSPCN1CommenderrorNotsatisfiedCheckthecommendsuitabilityN1UserconflictSatisfiedConcurrentuseraccessstrategyisenough表2圖5說明了一個

基于網(wǎng)絡(luò)的

遠程操作者

通過互聯(lián)網(wǎng)

（節(jié)點N1）向

點N2）接收到了一個可測的信號并且在控制器準備好輸出（節(jié)點N3）的情況下對過程車間點N2）接收到了一個可測的信號并且在控制器準備好輸出（節(jié)點N3）的情況下對過程車間（節(jié)點N4）實施一個控制行為，PCED包含的信息對于判斷控制系統(tǒng)是否設(shè)計完備以至于車間不能出現(xiàn)危險狀況是必要的。表2說明的是圖5中基于PCED可能存在的安全性分析結(jié)果.其中一種安全需求是過程變量無論在任何情況下都應(yīng)該保持在一個合理的情況下?？赡艿那闆r包括一遲”。同樣，對節(jié)點一運用其他的方案，并將所有可能的方案運用到其他節(jié)點可以實現(xiàn)全面的安全分析結(jié)果。構(gòu)。因為VSPC從控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)排除了網(wǎng)絡(luò)時間延遲并且受到時間延遲的影響小，因此運用VSPC可以接受“長時間延遲”。同樣，對節(jié)點一運用其他的方案，并將所有可能的方案運用到其他節(jié)點可以實現(xiàn)全面的安全分析結(jié)果。測試平臺的架構(gòu)為了說明我們上述介紹的設(shè)計方法，我們在過程控制實驗室中選擇一個水箱控制系統(tǒng)來實現(xiàn)和驗證上述理論，水箱系統(tǒng)是一個安裝在本地控制系統(tǒng)的教學平臺。在已存在的本地控制系統(tǒng)中加入額外的網(wǎng)絡(luò)控制層。由于本地控制系統(tǒng)的限制，與從車間的全優(yōu)化層連接到網(wǎng)絡(luò)并不能在測試平臺上闡明。在這一部分中，包括軟硬件在內(nèi)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都是特定的。4.1.硬件結(jié)構(gòu)器，網(wǎng)絡(luò)攝像機以及一些包括移動用戶在內(nèi)的可以連接無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)客戶端。罐體通器，網(wǎng)絡(luò)攝像機以及一些包括移動用戶在內(nèi)的可以連接無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)客戶端。罐體通圖6.基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，整個系統(tǒng)由五部分組成，這五部分分別是水箱，數(shù)據(jù)采集(DAQ)工具，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)過手動控制閥控制入口的流量，通過一個連接管道和一個泵排空。出口流量是通過服務(wù)器上的一個本地控制系統(tǒng)控制的，會將罐體的也為保持在一個理想值。數(shù)據(jù)采集儀器是負責A/D,D/A轉(zhuǎn)換的，它能夠?qū)⒁何粋鞲衅鞯哪M信號轉(zhuǎn)換層數(shù)字信號，并且將閥門開度的數(shù)值轉(zhuǎn)化為一個模擬值去操作閥門，罐體的本地控制系統(tǒng)位于服務(wù)器上。服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集器是通過有線遙感-232c串行電纜連接的。通過運用串行電纜，實時數(shù)據(jù)在服務(wù)器和其他儀器之間被交換，網(wǎng)絡(luò)攝像頭與服務(wù)器相連，可以通過視頻服務(wù)器為用戶提供可視的信息。由于網(wǎng)絡(luò)攝像頭是從是從數(shù)據(jù)采集卡中獨立出來的，所以它可以被視為一個附加的傳感器。服務(wù)器提供標準的控制功能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并將其作為視頻的服務(wù)器，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的實施主要是以LABVIEWGserver為基礎(chǔ)的。這樣做的主要原因是能夠使用LABVIEW提供的可視設(shè)備(VI)通過網(wǎng)絡(luò)進行交流，而且可以建立一個網(wǎng)絡(luò)界面。除了標準的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，該服務(wù)器還需要跟客戶和本地控制器建立連接，使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，幾個遠程的用戶可以同時監(jiān)督和控制水箱。4.2.軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟件可以被劃分為兩部分：客戶端和服務(wù)器端。雖然客戶端是作用于用戶的，在服務(wù)器端并僅僅是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而且還包括了控制和數(shù)據(jù)采集程序以達到實現(xiàn)控制任務(wù)的目的。如圖7所示，從功能的角度來說，客戶端有控制和監(jiān)督這兩個部分，分別屬于控制面板和監(jiān)控面板，控制面板對用戶的互動作出響應(yīng)，用戶可以用它來發(fā)出命令或者改變控制器的參數(shù)。通過TCP協(xié)議，控制面板建立了與服務(wù)器的連接，除了向服務(wù)器發(fā)送信息，它也需要從服務(wù)器端接收信息。如果有客戶改變控制器的參數(shù)或者發(fā)出命令，服務(wù)器將會把改變發(fā)送給每個注冊用戶，控制面板處理這一信息是為了將這個改變同步化并指出控制器正常的情況。監(jiān)控面板提供了兩種功能，顯示動態(tài)圖像和視頻聊天。動態(tài)圖像由包括過程流程圖和提供系統(tǒng)當前情況的信息的過程變量的動態(tài)趨勢圖形構(gòu)成。與普通網(wǎng)頁不同的是，動態(tài)圖像通常是由服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生的，發(fā)送給用戶，然后在一段時間后自動的更新。它為用戶提夠了系統(tǒng)的實時信息。為了實現(xiàn)上述功能，使用了服務(wù)驅(qū)動器。服務(wù)驅(qū)動器的的基本原則是在信息、變化的基礎(chǔ)上發(fā)出信息，由服務(wù)器來監(jiān)督而不是由客戶發(fā)出請求。這不僅加快了客戶端的信息更新，也減少了服務(wù)器負載。視頻聊天系統(tǒng)的設(shè)計是為了監(jiān)督設(shè)備和與多用戶之間的多個渠道的溝通。多用戶之間可以通過發(fā)送消息或者共享白板來聊天。Conlrol

Panel['ig.7.Software^Iruchireoflhe11nitrntl-basedcontrolsy^ltm.圖7基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的軟件部分在服務(wù)器端，服務(wù)可以被分為兩個部分：命令服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。命令服務(wù)器處理傳入的請求并且為控制器和數(shù)據(jù)服務(wù)器將收到的信息翻譯成參數(shù)和命令。它還想每個注冊用戶傳播所收到的信息，以達到用戶信息同步的目的。此外，它還得處理多用戶的情況，比如多用戶同時訪問。數(shù)據(jù)服務(wù)的設(shè)計主要是為了根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生一個圖像，并且將圖像嵌入到一個HTML頁面送到客戶端。數(shù)據(jù)用來生成從控制器獲得的圖像。媒介在控制器和其他設(shè)備之間建立了一個橋梁，因為COM裝置對于windows操作系統(tǒng)是最基本的，并

且對于本地交流也非常的有效，所以選擇COM交流裝置用來支持控制器和媒介之間的信息交換。盡管COM通信被認為是一個高速通信，但是媒介和設(shè)備之間的通信依然是是個低速進程。因此，媒介的主要任務(wù)就是協(xié)調(diào)不同速度的元件?？刂破饔脕硖幚順藴实淖詣釉O(shè)定值和手動控制。系統(tǒng)投運根據(jù)第三部分所討論的設(shè)計問題，系統(tǒng)的需求可以被認為是需要通過互聯(lián)網(wǎng)去控制水箱，所以互聯(lián)網(wǎng)與本地控制器直接相連。如圖8-10所示，所設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)的用戶界面通過使用標準網(wǎng)絡(luò)瀏覽器被運行出來。VSPC用來遠程控制水箱以克服網(wǎng)絡(luò)時間延遲，在系統(tǒng)投運期間應(yīng)考慮多用戶的問題。多用戶同時訪問是可接受的，并且可以通過3.5.提出的策略來解決。系統(tǒng)可以通過JAVA軟件和可視化軟件來完成投運。可視化程序由以下三部分組成：圖8：基于網(wǎng)絡(luò)的用戶界面：控制面板和過程流程圖9：基于網(wǎng)絡(luò)的用戶界面：控制面板和動態(tài)趨勢圖10：基于網(wǎng)絡(luò)的用戶界面：控制面板和視頻聊天頁面上圖分別表示人機界面，包含框圖的相關(guān)程序，表示數(shù)據(jù)流量和子程序之間的圖標連接器，總之，這三個要素是來自VI，VI是組成LABVIEW程序的最基本的程序。如圖7所示的動態(tài)圖，通過運行G-server軟件可以實現(xiàn)在線過程可視化，G-server是一個可以與服務(wù)器軟件兼容的超文本傳輸協(xié)議，它使超文本標記語言（HTML）文件和VI在網(wǎng)上能夠后定位在服務(wù)器上成為可能。從而能夠直接訪問像圖8和圖9所示的那中包含在線過程監(jiān)控的前面板。正如第4.2節(jié)中提到的服務(wù)驅(qū)動器已經(jīng)用在這里，用來提高客戶信息的更新速度和減少服務(wù)器負載。通過VIs形式執(zhí)行TCP協(xié)議，編輯一個JAVA程序通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)VSPC的遠程控制。為了使變化能夠同步并且校正到控制器的正常情況，TCP讓控制面板應(yīng)付基于網(wǎng)絡(luò)的用戶說帶來的變化。圖8-10說明遠程用戶界面被劃分為兩個部分。左手邊是控制面板，右手邊是監(jiān)控面板，控制面板是一個JAVA程序，網(wǎng)絡(luò)用戶通過可以發(fā)出指令或者改變控制器參數(shù)來控制水箱?？刂破鞯妮敵鲆矊@示在控制面板上。由于控制系統(tǒng)是在多用戶同時訪問，那么最新的信息就應(yīng)該同時展示給所有的操作者，否則他們中的一部分將在信息過期的情況下作出決定。因此，一旦其他的注冊用戶為了校正控制器改變了已有的信息，控制面板上的所有信息也應(yīng)該立即更新。控制面板在控制流圖（圖8），控制趨勢圖（圖9），以及視頻聊天面板（圖10）之間轉(zhuǎn)換。圖9中所示的動態(tài)趨勢圖顯示了在設(shè)定值改變狀態(tài)下的過程響應(yīng)。實驗結(jié)果表明通過應(yīng)用VSPC，基于網(wǎng)絡(luò)的過程控制系統(tǒng)即使在有網(wǎng)絡(luò)流量滯后的情況下也可以產(chǎn)生一個與本地控制系統(tǒng)類似的行為。圖10說明的是視頻如何向遠程用戶提供過程的可視信息。通過點擊一個視頻下面的通信按鈕，文本聊天和白板和白板彈出的窗口可以被引用，這些都為用戶合作提供了一個交流渠道。結(jié)論互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)用戶提供了一個不但可以遠程監(jiān)測過程車間并且可以實施遠程控制的平臺。如網(wǎng)絡(luò)時