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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。基于互联网的过程控制系统的设计和实现摘要: 互联网为过程系统的高水平控制赋予了巨大的潜力。作为一个新的概念, 基于互联网的过程控制在几年前就已经开始得到关注。可是对于目标是形成一个基于网络的过程控制系统的系统的设计方法, 迄今为止做的这些工作还是远远不够的。本文研究了与互联网相关的基于互联网的过程控制的五个根本设计问题, 她们分别是: 需求规格说明, 架构选择, 基于网络的界面设计, 监督控制以及系统的安全性检查。比如一个水槽控制系统是被用来证明我们设计方法是可行的。独特的, 图像反馈, 基于文本的交流, 和白板都被嵌入系统中而且被
2、通信用户分享。虚拟的监督参数控制克服了互联网流量引起的动态时间延误。实验结果表明: 基于网络的水箱控制系统如果设计得当的话也能够产生与本地控制相同的现象。1.引言: 在过去的十年中, 网络发展最成功的地方就在于互联网已经发展成为为分布式协同工作服务的一个强大的工具。新兴的互联网技术为我们提供了前所未有的互联能力和协同工作的分配方式, 这些对于利用高水平程序系统的过程控制的工作方式来创造利益有着巨大的潜力。( 1) 这些利益都包括: 能够远程监督和校正系统; ( 2) 能够使位于不同地点的系统技术管理员相互协作; ( 3) 能够很容易的重新定位系统管理人员的实际位置来作为实际需要的响应。系统工程
3、师要求更好和更快的方法检索数据和对发生在在世界上任何地方和任何时间的系统波动作出反应。作为可能是下一代控制系统的基础, 基于网络过程控制的概念在最近几年被提出。至今, 大部分对于基于互联网的过程控制的研究已经引起的例如Sun Microsystems, Cyberonix, Foxboro以及 Valmet的小规模的证明。它们中的很多最后发展成为了JAVA。另外, OPC技术( 开放过程控制) , OPC基金会( 1998年) 支持包含Visual Studio的XML的工作, 使基于互联网的进程控制使用XML能够成为现实。Intuitive Technology Corp也为JAVA图形化控
4、制台的实时反馈数据提供了一个名为webaGlance的网络平台。而且, Invensys公司当前正在与牛津大学工程科学部门合作来发展以网络为基础的控制装置。一些企业也正在尝试生产基于网络的控制系统来作为控制装置。在这个领域, 一些来自于高等教育机构的研究人员为了实现远程教育这一目标, 专注于开发基于网络的虚拟控制实验室。她们允许远程用户在她们的控制工程实验室中经过互联网进行实验。然而, 对于这样一个基于网络的过程控制系统来说, 在开发系统的设计方法或准则的设计方面做这些工作是远远不够的。不幸的是, 设计所使用的方法是对于以计算机为基础的控制系统来说的, 但并不适合基于互联网的控制系统, 因为她
5、们没有考虑到互联网的环境问题, 如: 网络堵塞, 用户同时访问, 基于网络的界面以及相关网站的安全造成的时间延迟。例如, 一个基于网络的控制系统不确定性的用户是谁, 有多少用户以及她们的所在位置。相反, 对于一个系统负荷已经被确定的典型的分散控制系统( DCS ) 来说, 基于网络的过程控制系统存在一个可变化的工作负荷。一些现有的以互联网为基础的过程控制方案中讨论网络环境特点所造成的限制, 如互联网传输时间延迟和用户隔离。实际上, 互联网时间延迟和多用户之间的协作是我们在设计基于网络的控制系统中必须要解决的两大问题。本文旨在找到一个方法来为工艺装置设计基于互联网的控制系统, 并在实验室中开发一
6、个包含一个水箱的基于互联网的过程控制系统, 并将它作为论证我们的设计方法和观察网络时间延迟, 多个用户访问和交流技术的平台。本文其余部分如下, 基于网络的过程控制在第二部分予以说明, 基于网络的过程控制的网络相关的特性所产生的需求规格, 架构选择, 基于网络的界面设计, 监督控制, 并发用户访问, 系统安全检查这六个关键问题将在第三部分说明。第四部分介绍了以网络为基础的水箱的过程控制系统的体系结构, 包括其硬件结构和软件结构。第五部分介绍该系统的实施和一些实验结果。第六部分是结论部分。2.基于计算机的过程控制与基于网络的过程控制的关系以计算机为基础的控制已广泛应用于工业过程中。其应用范围从独立
7、的基于计算机的控制到本地计算机基于网络的控制, 比如DCS系统。图1.1: 联网的DCS图2.1: 过程控制系统的层次结构和可能存在的与互联网的联系图1展示了一个与互联网相连的DCS控制系统。图2展示了一个典型的给予计算机的过程控制系统结构层次, 图2的过程控制系统分为以下的几个等级层次: 工厂优化, 监督, 监管和保护。全球数据库和数据处理工厂的电脑系统都处于尖端水平, 蕴含了相当大的计算能力。工艺数据库和监控位于第二层, 其中许多先进的控制功能得到实施。集散控制系统和过程与保护分别位于两个相对较低的层次。建立以互联网为基础的过程控制系统的目标是在分级结构中添加一个额外的互联网级别去强化基于
8、计算机的过程控制系统, 而不是取代它。额外的互联网等级应根据控制要求妥善放置在现有的过程控制系统的分级结构中。图2展示了互联网和过程控制系统之间可能存在的联系。额外的互联网级别可能与现有的过程控制系统经过工厂优化水平, 监督水平或监管水平这一级相连。因此, 基于互联网的过程控制的范围被定义为过程控制体系中的互联网控制水平。互联网的控制水平如图1, 作为远程监测和控制站, 经过无线网络和调制解调器与现场总线相连。3.基于网络特性的设计问题及其解决办法将互联网引入过程控制系统引进了许多新的功能, 例如网络相关的的交通延误, 基于网络的界面, 用户的不确定性, 多用户访问及与网站相关的安全等都应该在
9、基于互联网的过程控制系统的设计中考虑到。这些新的功能使得基于网络的过程控制系统的设计方法不同于基于计算机的过程控制系统, 六个从过程控制系统的网络相关功能中产生的基本问题将在本节被研究, 它们是: 规格需求, 架构选择, 基于网络的界面设计, 对于带有网络时滞的因特网的控制, 多用户同时访问和系统安全性检查。3.1 .需求规格以互联网为基础的过程控制的具体要求是非常重要的, 因为不同的需求可能会导致不同的控制结构。当设计一个控制系统时, 这是首先要考虑到的, 这些规定应该只包括过程监测和控制目标, 是经过现有的互联网水平能够完全达到的, 而且所开发的系统也是仅限于现有的技术水平。例如, 应该避
10、免有需要在确定时间内完成的任务, 因为她们可能由于网络相关的交通延迟而无法实现。规格需求的主要任务是发现和解决目标和系统中出现的相互矛盾或者不能完全实现的系统约束之间的权衡问题。假设基于互联网的过程控制的可能需求仅仅是由可经过可实现的互联网的控制层次, 工厂的全优化层次, 监管层次和控制体系中的调整层次组成。那么基于互联网的过程控制的具体要求的程序如下: (1)将过程工厂的控制需求分解为工厂的全优化, 监督和调整三个层次。(2)进一步分解每个层次的控制需求, 将其各自分解为互联网可实现和互联网不可实现两个部分。(3)删除不必要或者无法实现的需求而且实现基于互联网的过程控制的最终需求。3.2结构
11、选择如图2显示, 以互联网为基础的过程控制应该与过程控制层中的正确层次相连, 以便有效地进行控制和完成对于上述制定的监控。尽量减少互联网层次和已存在的控制层次之间的交流负载也是有必要的。可能的架构能够根据上述指定的控制和监督需求以及像通信协议和数据交换机制这种硬件和软件工具来确定。现在的问题是选择每个可能结构的优缺点是什么。表格1说明的是每个可能的连接之间的简单的优缺点评价。此表格作为一个向导被用于在互联网控制层和在过程控制体系中已存在的控制层之间作出选择。例如表1所表明的, 可编程逻辑控制器(PLC)能够经过用允许与互联网交流的传输控制协议或互联网协议(TCP/IP)直接与互联网连成一体。然
12、而, 在大多数情况下, 并不需要对一个控制器进行直接访问, 而且它也是不可取的。另外, 过程车间和基于互联网的客户之间的信息交换能够经过例如关系数据库或者实时数据库这种公司系统来实现, 并不是经过控制单元。例如, 公司系统出来的信息能够被封装在一个用JAVA语言编写的自描述对象中, 而且密集高效的发送到客户的工作站, 准备出版或者列入可用格式。从系统架构的角度来说为了保证系统的鲁棒性, 可靠性和可能出现的系统故障也应该被考虑到。例如, 在工厂的全优化层, 主机电脑在造成较小后果的情况下能够安全的关闭几个小时甚至几天, 如果在监控层或调整层与控制器相连的网络在连接失败几分钟后使车间停工可能是必要
13、的。3.3.网络用户界面设计控制和信息技术的改进使操作者从一个控制回路中的关键因素转变为实现工厂监督和疑难解答这以功能。基于互联网的过程控制就加快这种转换, 而且这种加快的转换是自从许多常规控制被过程控制结构中的调整层中的基于计算机控制系统接管开始的。在基于互联网的过程控制中基于网络的用户界面设计的主要目标是让操作者更迅速的适应过程车间的运行, 而且提够一个除了主控制室外的模拟的解决问题的环境。应该牢记的是, 中央控制室外的互联网环境中跟中央控制室中的可用媒体相比是非常有限的。”多媒体”和”实际存在”领域的技术在更好的发展用于过程控制技术的人机界面这一课题上有着巨大的潜力, 不同的媒体能够比其
14、它媒体更有效地传播某些类型的信息, 因此, 如果精心挑选能够改进操作性能。对于不同的界面任务要选择其最好的媒体而且要尽量减少大量的无关信息是我们采取的两个指导方针, 经过简化高度自动化流程的人机界面的设计原则。人机界面任务能够根据操作目标被归纳成两种功能类型: 过程操作功能和过程监督功能。用来说明当前进程情况的程序流程图, 历史趋势显示和车间的可视信息是过程监督功能的三个元素。控制器窗口显示的是过程操作功能的部分。3.4.对于带有网络交通延迟的互联网的控制3.4.1.网络时间延迟 过程车间和基于互联网的客户之间的信息交换不但允许客户远程监控控制车间的情况而且能在质量和产量发生变化时立即得到反馈
15、。基于互联网的的过程控制其中的一个困难就是由于网络交通延迟所带来的动态延迟, 罗和陈( )已经多次经过从每次她们自己的服务器向不同的远程服务器发送64字节的数据来测试网络的传递效率。试验结果显示互联网潜在的包含了严重的和不确定的时间延迟。 图3.1基于互联网的过程控制系统图3表示的是基于互联网的过程控制系统, 完成一次操作周期的总的时间是t1+t2+t3+t4,这四种时间延迟分别产生于: t1产生于是远程操作者作出控制决定时。t2产生于远程操作者向本地系统发送控制指令时。t3产生于本地系统的执行时间到实际执行控制行为之间。t4产生于本地系统向远程操作者发送信息的时。如果四个时间延迟都是恒定的,
16、 那么基于网络的控制就是恒定的, 但不幸的是, 罗和陈( )的实验中显示的结果并不是那样的。网络时间延迟t2和t4是随着距离的远近变化的, 而且时间延迟跟经过的节点数目有关。而且时间延迟也严重的取决于网络负载。在细节上, 网络时间延迟能够经过节点的运行速度, 节点的负载和宽带的连接速度, 大量的信息, 传输的速度等方面来描述。在k时刻的网络时间延迟Td (k)能够被描述为:其中是第i次的连接长度, c是光速, 是经过第i个节点时的路由速度, 是第i个节点的负载引起的滞后, M是数据量量, 表示宽带在i段的连接, 是独立时间周期, 是取决于时间的周期, 因为周期对于准确预测每个时刻的互联网时滞的建模是不合理的, 因此, 对于基于互联网的控制系统
