基于工业以太网的多系统远程监控实现项目计划

（一）项目背景 随着现代工业革命的不断进步，自动化技术有了很快的发展，自20世纪90年代以来，我国的自动化技术发展也是日新月异，突飞猛进，已成为高科技的重要组成部分，自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。随着现代工业生产的规模不断扩大，控制要求的不断提高，生产设备由就地分散的局部自动控制（在不同设备之间或同一设备中的不同控制系统之间没有或很少有联系的控制方式）逐渐向综合自动化体系（以计算机及其网络为主要技术工具，生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统又称管理控制一体化系统）发展。 作为综合自动化的基础现场总线技术的出现标志着控制工具的又一次重大变革，自动控制进入了真正的计算机时代。 现场总线技术采用公开的、标准的网络协议，把微处理器置入现场设备中，并将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等）与工业过程控制单元、现场操作站等进行互连而成计算机网络，从而使整个系统具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，并且很容易与其它网络集成，更加方便信息的共享。 在工业控制领域，长期以来，现场总线技术一直得到了广泛的应用，然而不同厂商的仪表设备在不同的现场总线系统总线网络中兼容性问题并没有得到解决。因此,现场总线的发展前景受到了很大的制约,世界各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题,于是，目前在信息网络中广泛应用的以太网成为首选的目标。 以太网技术近年来发展迅速，在构筑信息高速公路、企业信息系统和智能建筑中都无一例外地应用了高速以太网，由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，且具有简单方便、价格低、速度高等优点，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，但是以太网又有信息传输的不确定性和实时性差等缺点， 在工业自动化领域，实时控制能力、信息传输的确定性和通用的操作性尤为重要。为解决这些问题， 基于TCP/UDP/IP协议在以太网上实现的工业以太网技术应运而生。工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。其具有基于TCP/IP以及UDP/IP协议；使用分布式对象模型；允许控制报文和信息报文在同一以太网中共存；提供基于生产者/消费者通讯模式的网络服务 ；满足工业自动化系统的各项要求；能够被广大自动化设备厂商接受并实施等优势。 工业以太网已逐渐成为现场总线中的主流技术，各大公司纷纷推出基于工业以太网的控制系统，使得基于TCP/IP技术的工业以太网应用越来越多。 2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备研究项目，其目标是：攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。 我们今天可以看到许多在两三年前按兵不动的厂商已经纷纷推出自己的工业以太网产品，如西门子、Phoenix Contact等。研华公司的工业通信产品线中的端口服务器系列如ADAM-457×/EDG-450×可以把支持串行通信的传统设备直接连入以太网，不但支持虚拟串口传输方式，还支持TCP/IP协议。 无论是国外知名的DCS厂商还是PLC厂商，还是国内的厂商，出于各方面的因素的考虑，都纷纷推出了各自的工业以太网产品和网络体系，以适应市场需求；据业内著名的市场调查公司美国ARC Group针对我国国内工业以太网市场提供的报告称，2002 ～2007年间，每年的工业网络接口递增率高达84%！而2003～2008年间，与工业以太网紧密相关的DCS产品和PLC产品的市场容量年增长率分别高达15%和14%。可以说在2004年以前，我国国内工业以太网的市场还处于开发初期，其概念和产品对国内用户来讲还是一个新鲜事物，用户对产品的选择相对保守。在进入2004年以后，用户渡过了最初的接触期，对此类概念已逐步了解掌握，对产品及方案的选择趋于多样。而在进入2006年以后，整个市场步入了快车道，将呈现出更快速增长。美国VDC（Venture Development Corp.）调查报告也指出，以太网在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2000年的11%增加到2005年的23%。 顺应自动化技术的飞跃，一大批自动化企业蓬勃发展，罗克韦尔自动化公司（Rockwell Automation）就是其中之一。 罗克韦尔公司从20世纪80年代中期开始服务中国市场，并于中国数所高校建立罗克韦尔自动化实验室，立足于高校自动化专业的学生和从事自动化专业的工程技术人员推广当前最先进的自动化技术，天津理工大学罗科克韦尔实验室是学校的重点实验室，是天津教委“十五”重点投资建设的实验室，具备目前自动化领域最先进的工业自动化三层网络体系（以太网、设备网、控制网），代表当今飞速发展的网络技术及工业自动化的需求。实验室除了满足日常的实验课程外还承担一定的研究性工作和自动化专业工程技术人员的培训工作。实验室基本采用AB公司的设备，进行了关于冗余控制，节点开发等研究工作，且承接了与网络集成相关的项目，实验室指导教师曾为渤海石油和摩托罗拉等大企业进行过相关培训。 （二）客户需求 现代工业控制系统往往是规模庞大、结构复杂、变量众多、功能综合、目标多样的过程控制与信息处理相结合的总和自动化系统，要满足他们的需求未必就一定要一个单一的统一网络实现； 用户不希望在所有的项目中，使用同一厂家的产品，同时，为了保护已有的用户投资，也没必要使用同一种网络，这就有了不同网络的互连问题； 不同厂商的仪表设备在不同的现场总线中兼容性问题无法得到解决，因此,现场总线在工业控制中的发展前景受到了很大的制约； 在企业内部，管理者如果可以利用通用计算机信息网络，对工厂各类设备进行实时运行数据的发布和显示，通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理，将极大的节省生产运营成本，提高生产效率； 在新旧设备更替中，由于目前企业内传统仪器仪表占绝大多数，就需要一种既能能保证新老设备兼容有最大限度节省成本的方案； 机械化大生产出现后，种类繁多的机器设备投入了运行，流程化生产线的出现更是设备检查和维修成为生产活动不可缺少的一个环节，并且生产工艺条件越来越苛刻，生产过程中潜在危险越来越大，为保证工艺、设备和人身的安全，保障生产正常有序的进行，经常需要对现场的自动化设备进行监视和控制，目前随着各个行业在监控系统功能方面日益苛刻的要求，对于工业控制系统简单的监视与控制功能也已不能满足要求，而往往需要解决对于本地监控系统的远程访问等功能，但解决这些功能的途径尚不多见，目前在国际上也只有几家大公司提供了解决方案，但并未得到广泛应用。 目前，世界各大厂商纷纷寻找其他途径以求解决以上诸多问题,于是目前在信息网络中广泛应用的以太网成为首选的目标，工业以太网能很好的解决这些问题。 工业以太网技术是一种规模可大可小的技术,通过对网络进行网段细分,即全双工端口交换,可以用一种简单的方式产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。 工业以太网与现场总线相比，它能提供一个开放的标准，是企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，解决了由于协议上的不同导致的“自动化孤岛”问题。 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟、可持续性强、可以完美地解决控制系统中不同厂商新老设备的兼容和互操作的问题等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。 通过以太网能便捷地访问远程系统，实现远程诊断和远程维护,共享/访问多数据库等。 工业以太网是当前控制领域的热门话题，但真正接纳这种网络的企业同总线系统相比，尚处在起步阶段，还属于新兴的网络控制技术。本项目正是从这一趋势着眼，组建了基于工业以太网的控制系统 ，并且一般监控系统不具备远程用户访问的功能，本项目允许远程用户实现对监控系统的跨网段访问。 （三）项目目标 项目战略目标：依托自身的研发力量，结合实验室的优势，把实验室建成国内一流的罗克韦尔自动化实验室。 总目标：组建工业以太网控制系统，实现与之相关的监控系统的远程访问，填补实验室所进行研究工作的空白。 具体目标： （一）工业以太网接口的使用； （二）工业以太网控制系统的组建； （三）采用RSView32对系统实现监控； （四）采用VPN方式实现对监控系统的远程访问。 （五）WBS 图（1）基于工业以太网的多系统远程监控系统设计WBS （四）QFD表格 通过如表（三）的QFD表格，我们很容易可以看到，客户需求与满足客户需求的技术方法之间的关系程度，○代表依赖程度一般，◎代表具有很强的依赖关系。 技术方法 客户需求 工业设备系统 可远程登录实时监控系统 工业以太网网络总线系统 硬件搭建，控制程序编制，调试。 通信方法确定及相关程序编制，调试。 监控界面设计，调试。 远程登录服务器配置，调试。 监控程序编制，调试 工业现场网络总线 商用以太网网络总线 多系统网络，网络稳定，实时性，可操作性强，方便控制，运行成本低，可维护性强。 ○◎