如何用TRACE MODE建立分布式控制系统

我们认为，控制系统工程师遇到的大多数问题都与违反大型工程的创建原则――系统原则――有关。系统原则要求将控制系统建成统一的系统，而不是在结构、软件、硬件方面相互独立的局部解决方案的机械组合。系统原则适用于工程建立的所有阶段――从任务设定到工程实施。本篇报告将探讨使用Trace Mode建立分布式控制系统时，系统原则的若干问题。 ■TRACE MODE通讯功能 利用TRACE MODE的控制系统中，可以使用几乎所有的现代通讯手段： § 局域网（LAN）； § 串行接口RS-232，RS-485， RS-422； § 无线电网桥； § 专用上网线路和拨号上网线路； § GSM网络； § 通过标准接口(OPC, DDE, NetDDE, ODBC)和驱动器的随机总线。 利用这些手段，可以安排控制系统各个层面之间的数据交换。此时，既建立了纵向联系（在各个层面之间，从生产控制终端到PLC），也建立了横向联系（在同一层面的各个节点之间。 以下逻辑协议可以用于开发利用TRACE MODE的分布式控制系统： § I-Net。用于通过局域网（LAN）在TRACE MODE的各个服务器之间进行数据交换； § TRACE MODE服务器与控制器之间的DCOM协议； § TRACE MODE各个服务器和应用软件之间数据交换的DCOM OPC接口; § ODBC, DDE, NetDDE; § M-Link。串行通道的有线和无线通讯协议的基础； § 内置于TRACE MODE服务器的协议，控制器和远程I/O插件的外置常规协议； § 以用户驱动器为基础的协议。 这为设计不同布局，不同数据流动结构的系统创造了条件。 ■选择最优解决方案 通常，网络设置的有效范围，受到生产层次，经济技术要求等要素的严格限制。工程师面临着严峻的选择： 1. 应该选择哪些数据通道和接口用于系统各个组件之间的连接？ 2. 应该如何安排各个节点之间的数据流动（矢量大小，通信规则，通讯通道的效率）？ 解决方案，一方面，应该在不丧失可靠性的前提下，保证系统的高度动态特点，另一方面，要保证经济指标和实施期限的可行性。 事实上，与数据提供有关的初期支出，与系统的设计、安装和投产的花费相比，是很微不足道的，也不对决策起决定作用。如果在工程进行过程中改变错误的决策，那么，用于改造工程，购买新的硬件，替换通讯工具的费用则多得多。不仅浪费资金，而且影响了工程速度。 技术决策分4个阶段进行： § 选择PLC硬件（分布式控制器，控制器）和网络硬件； § 安排系统数据流动结构；; § 确定通讯规则，安装TRACE MODE服务器； § 安装系统网络组件。 我们认为，用户感兴趣的是尽量减少用于工程设计，调试，运行调试工作，投产和今后的发展的支出，而不是其它非生产性的考虑，比如，使用工程师的现成方案，增加现有工程师的工作负担，个人的兴趣和偏好。 在这种情况下，应该注意最终用户提出的限度（通常是客观要求的）。比如，生产现场的自动化情况，其用于改造的工艺、技术、资金能力等等。 那么，第一阶段的主要选择标准可以归纳为： § 尽可能的保证工程各个组件的一致性； § 所用的成套产品要尽可能的具备生产的完整性。. 就我们的论题来说，第一个原则的实施意味着，大部分硬件应该尽可能的使用TRACE MODE编程，并支持TRACE MODE标准协议。否则，使用不同的开发工具来编程、设计界面，将极大的增加工程建立和实施的各个阶段的支出，影响工程的投产性能。 所以，如果TRACE MODE监控器通过OPC和DDE通用接口与控制器或者分布式控制器连接，数据通道的工作效率，与根据TRACE MODE内置协议交换数据相比，大大降低。 如果用户不得不使用没有内置软件支持的硬件，那么，开发专门的驱动器，而不是通用的OPC或者DDE服务器则更为合理。 使用系列生产、性能优良的现成控制器替代电子、软件和结构组件集成的传统手动控制器――是第一阶段的第二条选择标准。 通常，习惯亲手完成每一项工作（包括设计结构，组装，编程）的工程师存在一种误解。他们认为只要在现有的方案中添加优秀的SCADA系统，如TRACE MODE系统，就可以达到最理想的效果。实践证明，这种做法将使系统的很多优越性得不到充分利用。比如，TRACE MODE强大的工程开发自动化工具――工程自动建立TM。同时，也会出现非标准装置和驱动器的调试和优化问题。 我们的经验证明，最有效率的工程（不超过半年或者一年）通常是由集成商和最终用户使用带有标准网卡系列PC-控制器（大部分为俄罗斯国产）开发出来的。如果使用的是串行接口，则采用通用转换器。 ■网络结构设计 控制系统工程中，在具备了设定的功能的前提下，数据流动的结构应该保证一定水平的可靠性和效率。 与局域网相比，串行接口速度较慢，可靠性较差。这一点，在现代工业的应用中，尤为突出。因此，只要有可能，系统节点之间数据的实时交换都倾向于使用局域网。同时，必须选择与投产条件和信息连接逻辑相适应的网络硬件和配置。在稳定运行的前提下，网络占用不应超过20％。这样，可以降低传输高峰时数据冲突和流失的概率。 现在，大多数使用TRACE MODE建立的，具有几十个节点和几千个变量的高效率网络，依据的正是这些原则。 在使用TRACE MODE设计网络时，关键应该根据要解决的任务的重要程度和要求的反应速度，把数据流动分成三个组。 第一组保证实时服务器之间的数据交换。这一组解决的是数据处理，控制，管理和存档等优先等级高的任务。针对这一组任务，开发了专门的I-Net协议。其速度是通常用在类似的系统中的DDE，OPC接口的8到16倍 ，更不用说SQL/ODBC了。 第二组包括实时服务器之间的数据流动。既包括在用户模块之间，TRACE MODE的优先等级较低的服务器（Global Documentation Server）之间，也包括应用软件（ODBC驱动器，OPC，NetDDE，和SQL应用软件）。TRACE MODE实时服务器的OPC接口的数据交换也属于这一组。所有这些数据流动都利用标准接口，效率较低，通常用于解决优先权较低的任务。 第三组包括与实时过程没有直接关系的数据流动，或者其使用的接口具有自己特殊的时间要求，从而极大降低了其优先等级的数据流动（比如，Web-achtivator和浏览器的数据交换）。TRACE MODE系统与控制系统之间的数据交换也属于这一组。 在设计第一组的数据流动的复杂结构时，必须分出1条或者2条网络通道。同时，应该尽可能的利用TRACE MODE服务器能依据I-Net与2个适配器工作的特性；通过一个适配器进行基本的双向交换流动，通过另一个将数据传送到Global Logger，并接收工程的其它服务器发送的信息（非优先信息）。 第二组和第三组数据流动最好分为物理流动和逻辑流动。因为，第三组特有的文件交换常常会导致网络超载，可能降低交互过程反应速度，使数据显示、文件生成明显滞后等等。还必须考虑的是，在第二组和第三组中循环的数据具有完全不同的可存取性和安全性。 做为保证第二组和第三组的数据流动的一个可行方案，可以使用具有两个网络之间的网络连接器作用的TRACE MODE服务器。 我们认为，设计局域网中的数据流动此类结构的唯一障碍是电缆价格，铺设费用和通讯设备的价格。然而，考虑到现代控制系统的成本回收时间不超过1年或者2年，为保证数据传输的速率和可靠性而投入资金是完全值得的。 ■网络交换模式的选择 依据I-Net协议进行数据交换的效率，在很大程度上，取决于数据的交换模式和对所选择的模式的实时监控。 效率最高的模式是“一点对多点”的交换模式。在这种模式下，当所选变量值改变时，该变量值被标注上当前时间，传送到网络上，被所有相关的服务器接收。此类协议的高效性是由取决于以下三个因素： 1. 不同的服务器未向同名变量发出查询； 2. 只有在变量值改变时，才向网络发送信息； 3. 在自己的处理、控制和存档的算法库中用到相关变量的几个服务器可以读取每一个信息。 除此以外，在这个模式中，还实现了保证信息传送可靠性的补充机制。这一模式的数据流动可以很容易的使用工程自动建立Ô的工具创建。“一点对多点”的交换模式的更为独特之处在于组群控制。此时，具有共同组名的服务器都可以读取信息。 应该指出的是，“一点对多点”的交换模式还可以用于Trace Mode 5的服务器和Trace Mode 4.20监控器的连接。而且，使用TRACE MODE 4.20编程的节点可以嵌入利用TRACE MODE 5开发的工程中。通过工程自动建立Ô的方法，能够很方便的创建它们之间的连接。必要时，网络交换可以得到依据nM_Link协议（以TRACE MODE 5.0F服务器为MASTER，以TRACE MODE 4.20监控器为SLAVE的串行接口协议）双向交换的补充。 在极少数情况下，需要使用“一点对一点”交换模式。比如，变量的个别查询，向个别地址发送指令或者一组参数。 通讯模式和参与交换的变量组的优化能够对网络负荷以及与此直接相关的传输的可靠性和及时性产生重大影响。有时，在几个服务器上对共同的原始数据进行平行处理，与补充交换处理结果相比，显得更为合理。 I-Net协议在保证TRACE MODE的服务器热备冗余常规功能方面起着特殊的作用。以这个协议为基础，一对MASTER-SLAVE节点支持本身的数据交换以及与系统的其它节点的数据交换。这样，就能够实现平稳转换和存储器的同步（恢复）。 保证TRACE MODE工程的数据结构的高效性的重要因素是灵活的数据流动实时控制和网络传输控制的常规系统（包括网络冗余）。TRACE MODE的系统功能使用方便，服务器的网络设置简单，保证了合理的，考虑到具体工程特点的数据结构的建立。 ■网络OS的设置特点 TRACE MODE工程中的网络通讯配置简单。但是，这决不意味着用户无需解决网络操<