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l 引 言

基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)(FCS)近年來得到了迅猛的發(fā)展，正在逐步取代集散控制系統(tǒng)。這被稱為工業(yè)控制的第3次革命。為實現(xiàn)真正意義上的分布控制，通過微處理器的嵌入，測量儀表和控制儀表已逐步成為實際上的計算機單元。這些計算機單元之間，它們與上層的監(jiān)控計算機之間，以及企業(yè)管理級計算機之間要進行的數(shù)據(jù)和信息的交換就形成了實際意義上的工業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)（圖1）。伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是嵌入式技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，工業(yè)控制的計算機網(wǎng)絡(luò)將越來越龐大，結(jié)構(gòu)將越來越復(fù)雜。

一個完善的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是計算機網(wǎng)絡(luò)能夠可靠和穩(wěn)定運行的保證。同時，好的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)還能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)的性能進行及時的分析，保證了網(wǎng)絡(luò)的高效運行。這兩點對于工業(yè)控制系統(tǒng)尤為重要。

2 問題的提出

圖l是基于FCS的工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)模型。

目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，過程級和現(xiàn)場級之間的總線協(xié)議尚未形成統(tǒng)一的國際標準，企業(yè)級與過程級之間的以太網(wǎng)管理也處于一種各自為政的狀態(tài)，不僅網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議沒有采用國際標準，其上運行的系統(tǒng)也不統(tǒng)一。這種狀況會帶來以下主要問題：①整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得不到保障；②系統(tǒng)的性能不能得到最大限度的發(fā)揮；⑨不利于系統(tǒng)的維護和擴展；④許多基于以太網(wǎng)的先進技術(shù)不能得以及時運用：⑤不能充分利用Internet資源。Internet只成為一種企業(yè)事務(wù)管理的工具，而未能將其擴展至工控領(lǐng)域；⑥過程級對企業(yè)級所提供的服務(wù)只是對查詢的支持，而且不具有實時性；⑦企業(yè)級對生產(chǎn)過程基本不具有控制能力，不能對生產(chǎn)過程的信息進行全局性實時性的分析；⑧對過程級的工控微機和生產(chǎn)級的監(jiān)測控制儀表設(shè)備進行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理存在困難。

3將網(wǎng)絡(luò)管理和Java運用于工業(yè)控制

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理與工業(yè)控制

網(wǎng)絡(luò)管理是控制一個復(fù)雜的計算機網(wǎng)絡(luò)使它能夠穩(wěn)定、可靠和高效的運行的過程。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是由一系列軟件組成，提供多種網(wǎng)絡(luò)管理功能，包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)性能分析、系統(tǒng)維護和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制等。

網(wǎng)管技術(shù)已經(jīng)非常成熟，有完善的協(xié)議，有信息模型描述手段和開發(fā)工具，用網(wǎng)絡(luò)管理思想進行工業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)的管理和控制，具有標準化程度高，開放，容易實現(xiàn)等優(yōu)點。利用Manage-Agent模式，采用層次型網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，可以較為有效的解決目前工業(yè)控制領(lǐng)域中的計算機網(wǎng)絡(luò)管理中存在的問題。

(1)利用網(wǎng)絡(luò)管理的失效管理功能可以對網(wǎng)絡(luò)中的問題和故障進行定位，包括及時發(fā)現(xiàn)問題、找出問題原因、自動修復(fù)（如有可能）。例如一個設(shè)備在與另一個設(shè)備進行通訊時突然通訊中斷，設(shè)備可以將故障報告給網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。網(wǎng)管系統(tǒng)立即分離由于該故障可能導致的問題，使相關(guān)設(shè)備運行于安全模式，以防止故障繼續(xù)擴大。同時網(wǎng)管系統(tǒng)還提供一系列工具用于查找故障點，并在有可能的情況下對故障進行修復(fù)。這樣就很大程度上提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)利用網(wǎng)絡(luò)管理的安全管理功能可以保護生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)和重要信息。例如對于參數(shù)報警值，控制器調(diào)節(jié)參數(shù)等進行限權(quán)訪問，可以提高系統(tǒng)的安全性。

(3)配置管理可以方便地獲得整個系統(tǒng)中設(shè)備的配置情況，并且能夠遠程修改配置。

(4)性能管理可以測量網(wǎng)絡(luò)中的硬件，軟件和媒體的性能。這些性能包括：網(wǎng)絡(luò)吞吐量、設(shè)備運行情況、設(shè)備利用率、錯誤率、響應(yīng)時間等，并提供當前最佳運行參考方案。

(5)利用配置管理和性能管理，企業(yè)級管理中心通過過程級工業(yè)微機甚至可以實現(xiàn)遠程啟動／關(guān)閉現(xiàn)場的測量和控制儀表或修改配置、運行參數(shù)和控制參數(shù)等。配置管理和性能管理通過對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的統(tǒng)一管理可以使整個控制系統(tǒng)工作于高效和良性狀態(tài)，而且加強了企業(yè)級對生產(chǎn)的控制力。

目前的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要基于SNMP和CMIP這兩種網(wǎng)管協(xié)議，工業(yè)控制中的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議應(yīng)當采用CMIP。SNMP是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，由于它功能單一，一般只支持簡單的查詢，存在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)困難和完全沒有提供安全性保證的缺陷，也不適應(yīng)工業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)管理中需要的控制功能。因此不適用于對安全和監(jiān)測要求很高的工業(yè)控制領(lǐng)域。CMIP是基于OSI的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，支持復(fù)雜的信息模型，具有完善的管理功能和安全性，它為所有設(shè)備在OSI參考模型的每一層提供一個公共網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即為所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了完整的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議族。目前主要的總線協(xié)議如LonWorks等都基于OSI，這為在現(xiàn)場級實現(xiàn)網(wǎng)管提供協(xié)議上的保障。CMIP還提供建立一個完整的網(wǎng)絡(luò)管理方案所需的所有功能。CMIP包含兩個OSI的應(yīng)用協(xié)議：聯(lián)系控制服務(wù)元素ACSE(As-sociationControl Service Element)和遠程操作服務(wù)元素ROSE(Remote Operations Service Element)。這兩個協(xié)議可以很好的解決工業(yè)控制中遠程控制和監(jiān)測的需要。

在開放的異構(gòu)環(huán)境下，為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的無縫集成和互操作能力，需定義與協(xié)議無關(guān)的通用信息模型和規(guī)范化信息結(jié)構(gòu)。目前采用的是ISO ASN.1(詳見X．208,X.209)和GDMO (X.722).

3.2 Java與工業(yè)控制

JAVA被稱為網(wǎng)絡(luò)語言，具有適用于網(wǎng)絡(luò)管理的良好的安全性，網(wǎng)絡(luò)性等特征。JAVA的與平臺無關(guān)性，魯棒性可以很好的解決在PC機上開發(fā)的控制程序向工業(yè)控制機移植的難題。其良好的編程界面和面向?qū)ο?OO)的特征，極大的縮短了開發(fā)的周期，降低了開發(fā)難度。利用JAVA的移動代碼技術(shù)不僅可以實現(xiàn)對參數(shù)（變量）的遠程控制，而且可以將現(xiàn)場的控制器上的程序進行遠程編輯、調(diào)試和實時的動態(tài)修改JAVA具有良好的可擴展性，提供與Internet的接口。利用Java和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)可以實現(xiàn)基于Web的網(wǎng)絡(luò)管理，可以將工業(yè)控制延伸到Internet的范圍，使基于web的工業(yè)控制成為可能。利用嵌入式技術(shù)，Java芯片可為Java和網(wǎng)管在實時控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了硬件上的支持。

基于SNMP或CMIP網(wǎng)管協(xié)議，TMN(電信管理網(wǎng))利用Java實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理，為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了經(jīng)驗和借鑒。

4實現(xiàn)示例

4.1問題背景

以下以電力生產(chǎn)中的鍋爐監(jiān)測和控制的一部分實現(xiàn)為例。

在電力生產(chǎn)中企業(yè)級能夠?qū)^程級的工控微機和現(xiàn)場級的設(shè)備（包括監(jiān)測儀表和控制儀表）的運行情況進行實時監(jiān)測和分析，并可對設(shè)備參數(shù)、控制參數(shù)等進行修改，如對報警值、上下限進行設(shè)置。同時，還可以企業(yè)的工業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進行基于Internet的遠程控制。我們利用Java和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)對以上要求進行了實現(xiàn)。

4.2系統(tǒng)功能

采用層次型網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)模式，實行企業(yè)級和過程級兩級網(wǎng)絡(luò)管理。

4.2.1企業(yè)級管理中心的網(wǎng)管功能

(1)能夠開啟／關(guān)閉和監(jiān)測過程級工業(yè)微機，對其故障報告進行分析，對其配置進行遠程修改。

(2)能夠開啟／關(guān)閉和監(jiān)測過程級工業(yè)微機及各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對整個網(wǎng)絡(luò)運行情況進行分析。

(3)能夠通過過程級遠程開啟測量和控制儀表，具有對經(jīng)過程級工控微機處理的鍋爐汽包溫度，汽包壓力，汽包水位，汽包給水流量等參數(shù)進行全局實時分析，對各參數(shù)的報警值進行遠程設(shè)置的能力。

(4)能夠作為基于Internet生產(chǎn)管理指令的接口。

4.2.2過程級工業(yè)微機的網(wǎng)管功能

(1)對現(xiàn)場的控制設(shè)備（給水控制器，溫度控制器，壓力控制器等）的控制參數(shù)進行遠程設(shè)置，對測量儀表（溫度，壓力，給水等）的報警值進行遠程設(shè)置，并對這些設(shè)備的運行狀況進行監(jiān)測，對這些設(shè)備的故障報告進行分析。

(2)對現(xiàn)場級的網(wǎng)絡(luò)運行情況進行監(jiān)控，并對網(wǎng)絡(luò)故障進行分析。

(3)對企業(yè)級網(wǎng)管提供服務(wù)和支持。

4.3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

4.4對象描述

GDMO對被管對象的描述如下：(Controller部分)

Controller NAME BINDING

SUBORDINATE OBJECT CLASS Controler AND SUBCLASSES;

NAME BY

SUPERIOR OBJECT CLASS ControIService

With ATTRIBUTE Controlerld

REGIDTERED AS{…)

4.5系統(tǒng)的MIT組成樹

系統(tǒng)的mit組成樹如圖3所示。

4.6系統(tǒng)運行結(jié)果

經(jīng)測試，本系統(tǒng)運行效果良好。圖4為系統(tǒng)運行中的一個ControlManager的CRT輸出。

5結(jié)束語

目前利用網(wǎng)管和Java技術(shù)完全實現(xiàn)基于Internet的工業(yè)控制還存在一些問題，如采用TCP/IP協(xié)議的Internet的不安全性使基于Web的實現(xiàn)還有一定困難，而且基于Java的嵌入式芯片在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用還不廣泛。但有理由相信隨著IPV6的推出，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和嵌入式技術(shù)的進一步發(fā)展，Internet將成為人類社會的基礎(chǔ)信息平臺?；贗nternet通過Web監(jiān)控生產(chǎn)管理，將真正打破企業(yè)生產(chǎn)自動化管理的封閉模式，使之不再受地域的限制。網(wǎng)管技術(shù)和Java技術(shù)與工業(yè)控制相結(jié)合將有助于這一目標的實現(xiàn)。

 

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