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技术领先、具有WEB功能的SCADA系统

具有WEB功能的SCADA系统，也有人称为第四代SCADA。它集成了Internet技术、面向对象技术、DNA神经元技术等技术内核，使采集和监控的数据得以开放，能被更多的管理系统、控制系统和使用者所访问。WEB SCADA将会成为众多企业实现管控一体化所选择的第一步。
Action Web SCADA系统，是由美国爱克新仪器（Action Instruments）公司生产的WebViewI/O、WVC16等一系列最新产品，加上Internet技术、JAVA技术和Web OPC技术构成。
美国爱克新仪器公司，领导工业信号转换隔离器潮流已达25年之久，提供高质量、高性能价格比的产品。世界上大多数的信号转换隔离器都是由爱克新公司提供的。各种远程信号的转换和隔离一直处于世界领先地位。美国爱克新公司不断采用高科技技术、最新设计及最新制造工艺，使每种产品都是对工业过程信号提供完整的安全保护。
Web SCADA系统与传统的SCADA系统相比，具有以下优点
1) 可以远程访问，使用户虽远离现场，亦可处处关心
2) 广泛的技术合作成为可能，多人在多方对同一问题可进行会诊，甚至全世界
3) 报警方式的多途径实现，不仅能在SCADA监控系统中显示，还可以通过传呼、E_Mail甚至手机短信实现
4) 一个用户可监控多个过程，使过程控制人员不再分身乏术；多个用户可以监控同一过程，真正实现了数据的开放性及过程信号的透明化
5) 最终用户参与设计，使控制过程更趋于合理，生产工艺得到更完美的体现
6) 仪器虚拟化，操作简单，不仅可以进行现场数据记录，更可以进行智能化分析
7) 多种仪器、多种控制系统的协同工作，使全局自动诊断能力增强
8) 既可在原有的PLC/DCS基础上安装，也可以独立安装，能够实现与原系统的无缝连接。
2.1 Action Web SCADA的软件基础
OPC是Microsoft, Intellution, Fisher-Rosemount等五家自动化软件领袖发起并制定，是专为过程控制而设计的基于OLE技术的标准。它提供了一种标准途径从数据源（服务器）提取数据并且传输到应用程序（客户端）的机制，这是一种开放、高效的通信机制。它利用微软公司的COM/DCOM对象模型和ActiveX技术,可以用其它高级语言进行应用软件的开发。OPC规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得COM技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。它具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。
WebOPC是OPC技术的最新发展和方向。它为用户提供了更为廉价和方便访问过程数据的方式。这种真正的瘦客户端解决方案可以直接通过普通的WEB浏览器（如微软的IE或网景的Navigator）直接访问数据，不需要安装过程软件或其它客户端软件。有了WebOPC，就可以将过程数据存贮在全企业通用数据库中，被有权限的用户和程序访问；可以用HTML页面的制作工具来制作监控画面，JAVA动态效果可以对过程进行仿真模拟。与传统的HMI/组态软件所不同的是：它提供了真正透明的I/O层，可以被包括远程在内的普通浏览器所访问，从而提供了远程组态、远程监控、远程维护的功能。
近年来，仪表虚拟化也是控制仪器发展的方向。National Instruments(NI)公司是数据采集软件的领先供应商，也是数据采集硬件的最大制造商之一，他们长期使用的口号是："软件就是仪表"。在Web SCADA系统中，仪表更成为一个动态化的Web页面，可以方便地以数字、图形、表格等各种形式同时表现出来，同时也可以进行智能化的分析。
Web技术离不开脚本语言，Web SCADA系统通过脚本语言扩充功能，从而实现复杂的系统要求。脚本语言一开始是以特殊命令的形式出现的, 各种软件通过其特有的命令语言实现附加功能, 随着技术的发展和微软技术在工业界的推广，脚本语言不再只是一个软件概念，它可以集成到智能化仪表中，以实现特定的功能。在有些现场，智能化仪表可以不依赖PC而独立工作。Action Web SCADA系统中的WVC16就是一个内置Web SERVER的智能化连接器，它可以生成JAVA脚本语言，独立完成通过E_mail进行极限报警等卓越功能。
2.2 Action Web SCADA系统硬件的特点
2.2.1 WebViewI/O的优点
来自美国爱克新仪器的WebView I/O产品，是一系列令人激动的信号转换器，它提供了传统信号转换器从未有过的功能。WV系列信号转换器比目前市场上绝大多数信号转换器具有更高的输入输出精度，而且它的稳定性也更好。它的另一个特性是："智能电源"功能使它在轻负载时能降低输入电源的供给。另外，WV系列产品可以通过标准的浏览器在企业内部互联网（Intranet）上直接访问传感器数据。用户也可以在异地通过远程浏览器进行组态、维护和查看过程信号。更进一步的是，当错误发生或超过上下限时，这些模块能发出Email电子邮件进行通知。
WebView I/O系列产品最重要的一个优点是：它同时也是独立的信号转换器，不必通过以太网联接也能进行组态和维护。它可以通过DIP开关和按钮进行标定。当用户需要升级到企业控制互联网时，仅需在旁边简单地安装WebView的通讯接口WVC16，然后把它连接到以太网，就完成升级可以运行了。
WebView I/O系列产品支持多种信号的输入：交流、直流的电压/电流、热电偶、热电阻、频率、桥路、可变电阻，并且在在输入、输出、电源间互相隔离。其优点如下：
· 极大地提高了输入输出的精度和可靠性：输入和输出精度的0.015%
· 高稳定性：满量程的100ppm
· 有"智能电源"控制的低耗电量
· 可通过以太网/非以太网连接组态
· 当连接到企业内部互联网（Intranet）时，可以直接访问传感器数据
· 具备远程诊断能力(与WVC16并用时)
· 多途径报警能力，当错误发生时，可用Email通知(与WVC16并用时)
· 在非冗余系统中，也能提供低成本的准确性保证
2.2.2 I/O服务器接口控制模块WVC16的特点
WV系列信号转换器内置红外通讯联接器，通过壳体旁边的小孔与接口控制模块进行通讯，不需要运行任何程序，WVC16模块会完成所有的连接工作。
每一个控制模块可以支持32个I/O模块。控制器包括：WEB页服务器和Email服务器，同时也是以太网的接口。WVC16内设有存贮器，可以存储信号转换器的历史数据、Web页面和所有Email信息。
WVC16通过一个标准的RJ45接口与10BaseT网络连接。可以通过附带的软件通过RS232口对WVC16分配IP地址。它内置了AM-186微处理器，当断电时数据也会被保存。
WVC16实际上会把一个JAVA小程序下载到客户机上。这个小程序提供了访问信号转换器的数据，这些数据包含以下信息：
l 模块简要组态信息
l 模块组态编辑器
l 诊断/警告状态
l 报警设定和状态
l 建立、编辑Email和地址簿
l 过程变化查看
2.2.3 网络的特点
ACTION Web SCADA系统网络的特点就是可与通用的以太网络产品集成，组网容易，维护成本低。
用以太网取代现场总线是实现管控一体化网络的必经之路。传统PLC/DCS、现场总线等控制方式有如下问题：
1) 传感器数据经由各自的CPU和驱动程序，传输速率低，开发和维护都相当困难。
2) 控制器与控制器不能自主通讯。
3) 所有控制器独立地运行，实现数据交换需要高成本的专用硬件和软件支持。
4) 不同的控制系统很难实现数据的共用，更无法实现系统的联动。
5) 专用的现场总线设备昂贵，并且利用率低。
而以太网产品经多年的发展，技术已相当成熟并且费用低廉。用以太网卡、路由器等产品来代替现场总路线的通讯设备，不仅大大降低了组网设备的费用，同时也极大地降低了开发、维护和运行成本。同时，管控一体化更使企业内众多的不同控制网络连成一个整体，可以对企业网络设备有效地分布，并且共享带宽。
Action Web SCADA系统网络的另一特点是，能够与无线以太网相结合。与兼容TCP/IP协议的无线以太网相连，可以使Action Web SCADA系统能够对多种过程的生产、分配能源等进行管理。无线通讯系统主要适用于点分散、距离较远、范围较大的城市集中供热（热网）、供气（煤气、天然气等）、供水及排水（管网、自来水、污水处理等）、供电（电网、变电站等），以及油气田、煤矿的开采、运输和分配；也同样适合于移动目标的数据采集，如焦化厂的推焦车、拦焦车和消火车，港口集装箱搬运机械等。与地理信息系统GIS、全球定位系统GPS相连，更可以使Web SCADA系统能到更广泛的应用。
3 Action Web SCADA系统的建立及维护
Action Web SCADA为企业建立高度集成的自动化控制和信息网络平台，及时准确采集和传递各种数据，确保对生产过程的精确控制提供了完整可靠的解决方案。它是企业实现管控一体化的必由之路，并且因为它既可以建立全新概念的SCADA系统，又可以对现有的PLC/DCS系统进行改造，所以它的应用前景非常广阔。
Action Web SCADA虽然是低成本，高品质的系统，但它的建立和维护却相当容易：
1、 硬件安装简单，可以用DIN导轨高密集安装
2、 多种途径的组态方式，可以通过以太网/非以太网在现场或远程都可以组态
3、 使用通用以太网设备，安装和维护都方便
4、 软件开发工具更简单、广泛，建模容易；最终用户也可以参与更多的设计
5、 统一的各层次通讯协议TCP/IP使全局的I/O透明
6、 报警设定更方便、多途径、甚至在远程和异地
7、 既可与原有系统充分地结合，实现平稳的过渡；又提供新功能，可以独立使用
Action Web SCADA系统实现了信息的可视化和网络的开放性，不仅可以精确完成各种复杂现场的数据采集和监控，还有效的解决了与其它网络通讯的难题。它为企业最终实现管控一体化、全企业E化迈出了坚实的一步。
目前，很多企业都在进行内部管理网络、INTRANET系统的构建。开放的Action Web SCADA系统已经为企业提供了与管理系统、INTRANET系统相连的有效接口。生产与管理的联网，将极大地提高企业的运作效率、降低管理成本，使企业更具竞争能力。通过与供货商及合作伙伴联网，实现BtoB的电子商务方式，更使企业能及时组织生产、降低库存、回避风险，实现Just-in-time管理。
Web技术在工业控制系统中的广泛应用，使传统的自动控制领域发生了重大变革，也使更多的行业，如计算机、网络、通讯等产业巨头参与进来。开放的平台、广泛的技术合作和激烈的竞争，将带来功能更强、价位更低的产品，受益的将是最终用户。
Web技术对自动化控制领域技术的影响是空前的，Action Web SCADA系统作为一个技术领先的SCADA系统，将会在石油化工、电力、冶金、交通、楼宇、智能大厦等行业的得到更加广泛的应用。

SCADA系统的XML Web服务实现
杨朴1，游大海1，向龙云2
(1.华中科技大学电气及电子工程学院；
2.华工电气公司，武汉430074)
    摘  要: 电力市场环境下，传统的SCADA系统不能满足信息交互的需要。一般的Web服务在进行实时信息的监控方面显得力不从心，XML Web服务提供服务描述发布与发现功能，并利用现有的Internet基础进行XML格式的消息传送，可以达到实时性的要求。本文介绍了一种基于组件对象模型（COM）开发，实现XML Web服务的SCADA系统。系统集成了Internet服务，并实现分布式的网络服务，支持即时信息查询和实时控制功能。系统已经在现场得到应用。
    关键词: 电力市场; 数据采集与监视控制系统; 因特网; 扩展标记语言; 扩展标记语言的网络服务; 组件对象模型
1引言
  电力工业的发展，特别是电力市场的建立，对SCADA系统提出了新的挑战。传统的SCADA系统存在几个问题：系统扩展性较差，技术支持系统之间的平台兼容性较差，系统网络服务接口开放性较差等。随着计算机技术的发展，面向对象思想（OO）、通用信息模型（CIM）、分布式网络结构（DNA）等技术为电力系统自动化提供了解决方案。
    组件对象模型（COM）是一种采用面向对象思想的模块化设计，实现了二进制代码级对象复用。组件具有良好的封装性与透明性，与开发平台和语言无关。采用COM技术开发的SCADA系统，可以向不同的服务商定制组件，并采用多层服务架构组建分布式网络，极大地增强了系统的扩展性。
  XML（eXtensible markup language）提供了描述结构化数据的方法，具有数据自描述性和平台无关性，可以在电力系统中充当标准数据交换模型。目前，一种基于XML的CIM（通用信息模型）在电力系统中得到了应用。
  Internet技术飞快发展，成为电力系统网络服务的基础。目前的分布式网络，更多的是提供企业内部的服务，采用的协议主要是DCOM（分布式组件对象模型）和CORBA（Common object request broker architecture）。然而DCOM和CORBA在处理异构平台之间的互操作性上遇到了很大的困难。一种采用现有Internet基础构建的SOAP（Simple object access protocol）协议可以绕过防火墙的限制，通过Internet的基础协议HTTP实现基于XML格式的消息传递和远程过程调用（RPC）［4］。XML Web Services为满足应用之间的数据通信和互操作性要求，提供了一种异构系统之间交互的方法。
    电力市场的建立使得用户对信息交互要求提高。为适应新的变化，华工电气公司开发的HG 2002 SCADA系统采用COM技术进行系统构建，三层客户/服务逻辑结构分为客户层、服务层（商业逻辑）和数据源，实现了Internet服务功能处理即时信息查询和实时控制。本文主要介绍了HG 2002 SCADA系统基于Internet服务功能的实现，给出了完整的XML Web Services解决方案。
2电力市场环境下的SCADA系统
  SCADA系统是DMS和EMS的关键部分。SCADA系统收集电力系统实时数据，用于分布式应用程序的处理。操作电力系统的控制命令也可以通过SCADA系统实施。电力系统解除管制给SCADA/DMS/EMS系统带来了许多变化。其中一个变化要求EMS系统与变电站和电力市场经纪人等外部组织交互信息。一些信息有实时性要求，另外一些譬如历史数据则没有。然而，两者都需要快速访问和数据安全性。例如Internet、分布式计算等快速发展的IT技术支持任意时间、任意地点和任意类型的SCADA系统信息交换。
    当前对SCADA系统的研究主要集中在电力市场对系统可靠性影响和系统通信功能增进等方面。然而，对信息访问方式的变化对SCADA影响的研究刚刚兴起，许多应用局限于基于现存的SCADA系统加上普通的Web服务功能，不能满足电力市场信息一体化的集成应用要求，主要有几个问题：不能满足信息需求的多样化，不支持实时刷新，客户端需要安装额外的控件，远方过程调用比较困难，扩展服务内容过于复杂，系统整合安全性没有统一标准等方面。
    市场环境下，用户对信息的访问分为两种。一种是通过应用程序网络接口，譬如发电公司向运营中心获取历史数据和发布上网价格；另一种是用户通过Internet请求服务，通常使用Web浏览器进行交互，譬如用户上网查询电价和进行电力交易。不同用户对信息有不同的要求，需要服务提供用户订制功能。
    普通的Web服务很难满足实时信息的刷新。普通的Web服务在客户提交一个请求后，服务器返回包含处理结果及相关额外的内容，需要整个页面的刷新，使得实时信息更新难以在Web服务中实现。常用的解决办法是开发ActiveX控件，处理内容的更新，一个这样的例子是股票价格查询。缺点是需要在客户端下载控件后才能实现服务功能，不满足“瘦”客户的要求。
    为了实现系统自动化要求，需要实现远方过程调用（RPC）。一个典型的例子是在线电力市场事务交易，要求客户在查询实时电价后，选择适当的电力供应商，然后发出订单通知，Web服务器接到消息后应该能够根据请求进行处理。常见的RPC协议有DCOM和CORBA，然而他们在Internet上的应用遇到了极大的麻烦。
    当服务内容需要重新发布时，服务端必须向所有的客户对象进行解释，然而这样需要维护一个比较大的用户列表，当用户信息发生变化后，会出现数据不一致。另外，如果动态保持与用户的连接，会耗用极大的系统资源。
    网络服务的一个重要方面是安全性问题，必须考虑基础结构的安全性、连接的安全性、身份验证和授权等方面的内容。普通的Web服务没有一套统一的安全性解决方案，或者说难以形成整合的安全性能，不能满足电力系统的需要。因此，SCADA系统的Web服务不能简单的套用现存的Web解决方案。随着XML技术在IT中的应用日益广泛，基于XML技术的Web Services越来越受到人们的重视。
3基于XML的Web服务
3.1XML基础
    “可扩展标记语言”(XML) 提供一种描述结构化数据的方法。与主要用于控制数据的显示和外观的HTML标记不同，XML标记用于定义数据本身的结构和数据类型。
  XML使用一组标记来描绘数据元素。每个元素封装可能十分简单也可能十分复杂的数据。您可以定义一组无限制的XML标记。由于XML标记在整个单位中以及跨单位采用，因此来自各种不同数据存储区的数据将更容易交换和操作。
  XML是一种简单、与平台无关并被广泛采用的标准。XML相对于HTML的优点是它将用户界面与结构化数据分隔开来。这种数据与显示的分离使得集成来自不同源的数据成为可能。
  XML文档具有下述几个特征：一是可扩展性，指的是用户能自由的定义他们自己的数据标签。二是结构化，即数据结构可以对任何复杂级别的事物进行建模。三是有效性，数据可以对其结构进行正确性检查。
3.2XML Web服务
  XML Web服务（Web Services）是一种通过URI（Uniform resource identifier）定位的软件系统，其公共接口和绑定方法使用XML进行定义和描述。它的定义可以被其他软件系统发现。这些系统可以根据由Web Services提供的定义方法通过Internet协议传递XML格式消息与其进行连接。
  Web服务基本结构包括了三个主要部分：消息交换、Web服务描述和Web服务描述的发布与发现。服务构架定义了一种软件代理之间的交互行为，即服务请求者与服务提供商之间的信息交互。这样的交互行为涉及服务发布、发现和绑定操作。首先服务提供商对提供的服务进行具体的描述，并发布到请求方或者服务发现代理。请求方行为分为两个阶段，一个是设计阶段，根据发现的接口和数据类型描述对应用进行设计；另一个阶段是运行阶段，发现并请求具体服务。实际的交互发生后，在服务端解析XML格式的请求，处理后将结果（XML格式）返回到请求端。
3.2.1消息交换协议
    服务建立在一个消息传递机制基础之上，通常采用SOAP协议。SOAP（简单对象访问）协议建立于现有的Internet基础之上，采用HTTP协议发送XML格式的消息。包括三个部分：封套（envelope）相当于一个容器，定义了消息内容和处理的框架；一套编码规则用来表达定义数据类型的实例以及表达远程过程调用和响应的协定。
3.2.2Web服务描述
  Web服务使用WSDL（Web services definition language）作为底层的服务描述。WSDL是一种XML文档格式，将Web服务作为一系列基于消息的终端操作进行描述，这些消息包含面向文档或者面向过程调用（RPC）的消息。通常包括服务接口定义和服务实现定义。
    服务接口定义是一种抽象的可复用的服务定义，可以被不同的服务实现定义所实例化和引用。一般我们可以将服务接口视作一种IDL（Interface definition language）、Java接口或者Web服务类型。服务实现定义描述了特定的服务接口如何被给定的服务提供商所实现。同时，也提供了服务定位，使得请求对象可以发现服务。
3.2.3服务描述的发布与发现
    发布服务描述有两种方式，一种是直接发布，另一种是通过UDDI注册。直接发布是指服务提供商直接将服务描述发送到请求对象，可以通过Email、FTP或者光盘发布。统一描述、发现和集成协议（UDDI）计划为描述服务、发现商业实体和集成商业服务创建了一个平台独立的开放式架构，同时又是当前可操作的注册中心。
    请求对象服务描述的发现分为两个阶段。在设计阶段，请求对象通过支持的接口类型搜索Web服务；在运行阶段则基于通信方式和服务的质量。
4实例分析
4.1HG 2002 SCADA系统概述
    华工电气公司的HG 2002系统是一套基于Internet的变电站综合自动化系统，采用了XML Web服务。用户通过Internet对实时信息进行访问，信息通过Internet使用VLSI的布局和路由技术自动产生一线图形的分层机理。用户也可以在服务端通过Internet控制变电站的操作。SCADA系统Web服务实现了零客户安装、按需求访问、平台独立性和事务管理等强大的在线功能。
    系统基于组件构造，分为五个子系统。数据库系统用于保存参数设置和历史数据；图元系统绘制和创建图库和ActiveX控件；图形系统形成在线的一次接线分层机理，跟踪系统的参数变化和动作行为；报表系统用于处理历史数据和参数数据，包括查询、显示、打印，数据转储、删除和恢复等功能；主应用系统包括数据采集模块、显示模块、数据库管理模块、报警模块和实时控制模块等；设备驱动系统负责OPC服务器对设备进行数据采集和控制；网络服务模块，包括局域网通信系统和Web服务系统。
    系统采用标准的数据交换模型，基于XML的CIM（通用信息模型）可以实现异构系统的互操作性。
4.2SCADA系统的Web服务实现
    为实现分布式网络的信息交互和实时控制，采用了XML Web服务。系统用ASP.NET开发，利用SCADA系统的组件，实现Internet服务，其基本的构架如图1。
    其中，UDDI是一个虚拟的注册中心，在服务端实现，负责服务描述发布和支持服务发现功能。SCADA系统将提供的服务，例如系统参数、设备状态、操作记录等服务内容用WSDL语言描述，然后向UDDI中心发布。当用户请求服务时（包括其他系统通过应用接口，或者用户通过浏览器、电话等方式访问服务），请求实际定向于UDDI，搜索到具体的服务，与服务器正式绑定连接，开始接受服务。服务器逻辑上分为两层，商务逻辑层和数据服务层。商务逻辑层负责与用户交互，并分析请求，然后对后台数据源进行操作。这里的数据源可以是调度中心的主要数据库，也可以是现地站的数据库，或者是在共享内存中的数据集合，实现分布式处理。结果是基于XML格式的消息，返回到请求对象。
  Web服务是一个无连接的网络服务。为了实现实时数据的刷新，客户端设置定时器，不断发出请求。服务器响应后返回XML结果，有效数据包含在SOAP的Envelope正文部分，客户端分析XML文档，根据内容对具体的控件进行刷新，避免了整个页面的刷新。
    系统Web服务提供实时图形的绘制功能。基于VML协议，可以利用XML格式数据绘制图形。当前，系统可以动态显示电量、模拟量、脉冲量等的实时曲线图形。另外，设备状态也可以通过ActiveX控件或者网页图形进行动画显示。
    在通过Internet进行实时控制时，需要对命令进行身份识别，验证信息包含在包的header部分。服务器通过解析登陆信息对授权部分提供服务，使用数字签名可以保证服务安全性。
4.3XML Web服务的安全性
    为保证Web服务的安全性，使用的技术包括保护连接安全、对交互操作进行身份验证和授权。
    保护基础结构的安全性。包括对现有通信设备、基础设施的安全管理维护，对潜在的环境危险（如黑客、病毒和自然灾害等）的考虑，对网络的运行制度的规范等。
    保护连接的安全性。根据网络的物理和逻辑范围、交互操作的活动配置文件，采用基于防火墙的规则、安全套接字（SSL）和虚拟专用网络（VPN）技术来实现这种连接的安全性。
    身份验证和授权。对提出访问要求的客户进行身份识别，通常可以根据密码验证，验证通过之后根据相应的访问控制信息来确定访问的权限。典型的包括基本身份验证、集成Windows身份验证和SSL上的客户端证书，例如Microsoft的Passport服务。
    互操作性。基于XML的网络服务推动着安全规范的发展，一种核心为XML Web Service安全语言（WSSecurity）的安全规范，为SOAP协议提供了三种增强功能：凭图据传送、消息集成和消息保密。作为一种安全性能构架块，规范为网络服务发展提供了框架。如图1。

5 结语
    作为一个典型应用实例，本文对华工电气公司的HG 2002 SCADA系统实现的XML Web服务进行了描述。从系统开发中看，也存在不少问题。
    由于XML Web服务是一个新生的事务，标准一直在发展之中，使得开发和维护工作量比较大。
    考虑到网络连接和服务器可能出现的故障，应该可以延迟服务。一种基于MSMQ（微软消息队列）的消息传送协议在考虑之中。
    对语音功能的支持，基于VoiceML的应用在开发之中。用户可以利用电话和Internet进行语音信息交互和控制。
    目前，显示图形和动画主要使用ActiveX，或者基于VML协议进行矢量图形的显示。可以考虑使用SVG协议和VirtualML协议对图形和动画效果进行处理。
6参考文献
1高鸣燕,陆文.电网SCADA/EMS/DMS平台建设技术.电力系统自动化,1999,23(14)：41~44
2Rogerson Dale著,杨秀章,江英译.COM技术内幕.北京：清华大学出版社,2000
3Bin Qiu.Next generation information communication infrastructure and case studies for future power systems［D］.America,Virginia Polytechnic Institute,2002
4Microsoft Company.XML technique background introduces.Microsoft Visual Studio,NET Document,2001
5IEEE Standards Department.Draft standard for substation integrated protection,control and data acquisition communications.http://grouper.ieee.org/groups,1999
6Michael Champion,Chris Ferris,Eric Newcomer,et al.Web services architecture.http://www.w3.org/TR/2002/WDwsarch20021114/，2002
7Microsoft company.XML Web service security.http://61.155.114.20/xmlchina/,2002
长输管道网络控制系统研究
厂商：控制网 作者:
领域：DCS 点击数:145
 黄懿雪 王贵 
1 前言
    工控技术的日臻成熟，通讯技术的突飞猛进，IT技术的飞速发展，互联网的诞生与普及，改变了传统的信息交互方式，引导人类进入一个全新的信息时代。随着各种技术的不断进步，管道行业自动化和信息化建设也发生了革命性的变化。

    在大量的工程实践的过程中，笔者越来越感觉到工控与软件数据和信息无法共享为客户带来的不便与麻烦，同时也无法认同国外几大公司将软件嵌入工控产品中去的做法，笔者认为最佳的解决办法应该是软件与工控实现数据级的集成，同时软件与工控等产品是可拆可合的，根据客户的需求随需而选，因人而变。基于以上的客户需求和公司产品设想，笔者提出了长输管道网络控制系统的整体解决方案。整体解决方案分为三层，最上层为管理信息系统平台，可根据客户的要求为客户选用不同的软件产品和解决方案。所有系列软件产品都可将地理信息系统与应用软件实现无缝集成，同时也可根据客户的需要定制特色功能模块；中间层是组态软件和仿真、检测软件等产品，组态软件实现实时控制、数据采集和存储、界面监控、异构网络设备互联等功能，仿真、检测软件通过采集到的数据进行分析处理，实现仿真、预测、检测和报警的功能；最底层为控制终端，包括PLC、RTU、DCS、智能仪表、数据采集卡等控制单元。

    解决方案整体结构如图1所示。

图1 解决方案结构图

        MIS系统、SCADA系统、仿真系统相结合，成为集自动化控制、仿真模拟及信息管理于一体的统一平台，MIS系统可以根据业务需要调用仿真系统进行运算后的仿真结果，MIS系统接收并保存从在线仿真系统中提取的实时数据进行统计和分析，MIS系统提取并保存SCADA系统中的生产实时数据进行统计和分析，为管理信息系统提供数据基础、业务管理需要和决策支持；仿真系统提取SCADA系统生产实时数据作为仿真、预测、检测等仿真操作的数据基础。

2 SCADA系统
2.1 SCADA系统简介
        SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA系统，由工程定义文件、组态软件、控制设备三个方面构成。工程定义文件，是关于SCADA系统监控界面、数据映射、设备定义和连接、体系结构的综合性描述；控制设备由PLC、RTU、智能仪表、多功能板卡等构成，是SCADA系统的采集和执行终端；而软件平台，则是工程定义和运行的环境，它的性能和功能，本质上决定了SCADA系统的性能和功能。因此可以说，组态软件是SCADA系统的核心和灵魂。

        SCADA系统平台最突出的特点是实时、多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。

2.2 组态软件主要研究内容
        (1) 如何与采集、控制设备间进行数据交换；
        (2) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各个元素关联起来；
        (3) 处理数据报警和系统报警；
        (4) 存储历史数据并支持历史数据的查询；
        (5) 各类报表的生成和打印输出；
        (6) 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适用不同应用领域的需求；
        (7) 最终生成的应用系统运行稳定可靠；
        (8) 第三方程序的接口，方便数据的共享。
        从以上的研究内容可以看出，为了满足工控工程对组态软件的要求，组态软件应具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠的特点。

2.3 组态软件的功能模块

图2 组态软件功能模块图

        从组态软件的功能来看，其主要包括基本功能模块和专用功能模块，图 2为组态软件功能模块图，基本功能模块如下。
        (1) 应用程序管理器：实现应用程序的建立、管理、存档等工作；
        (2) 图形界面开发程序：实现应用程序图形界面的编辑、变量管理、动画连接的控制；
        (3) 图形界面运行程序：工程执行的用户主界面，是监控工作人机交互的用户接口；
        (4) 实时数据库系统组态和运行程序：实现设备数据的输入输出、实时数据的存储、历史数据的维护；
        (5) I/O扫描及驱动程序：实现控制终端与应用程序数据的交互；
        (6) 数据开放性接口：主要实现应用程序的数据开放性，是第三方应用程序以标准的方式访问系统数据。
        其它功能模块包括：
        (1) 长输管道站控模块：用于长输管道站级控制系统的定制开发；
        (2) 长输管道中心控制模块：用于长输管道控制中心级控制系统的定制开发；
        (3) 长输管道图库及开发工具：针对长输管道工程控制设备的专用图库及工具；
        (4) 分布式体系模块：实现了软件架构对TCP/IP、串口网络的支持。

3 仿真软件

        天然气管道仿真软件用天然气管道系统模型（描述系统的行为特征）对真实或假想的管道系统进行模拟，并借助于专家经验知识、统计数据等对模拟结果进行分析研究，为系统的设计和管理提供支持。该系统具有如下功能：(1) 可以模拟管道和设备的运行操作；(2) 可以预测诸如爆管、设备故障或其他的事故时所采取的不同的控制策略。该系统通过计算流体在管网中不同时间的压力、流量、密度、温度以及其他的参数变化规律来进行模拟仿真，通过打印报告和图表的方式输出结果。
        天然气管道仿真软件的主要研究内容：
        (1) 建立通用的完整的管道系统结构模型；
        (2) 管道动态仿真的数学模型，即运行参数的扰动沿距离的传播随时间的演变；
        (3) 边界点参数的求解，如站内设备的特性方程以及设备之间的相互作用。

3.1 管网结构的描述―组态式管道建模技术
        任意一个输气管网由节点和枝组成，节点代表管子或其他设备的连接处，枝则代表管网中的元件，元件是连接于节点之间的输气设备，它可以有管道、调节阀、压缩机、外部接口等多种形式，元件通过量和一些元件参数反映元件的特性，元件实现气体的传输和管网系统的某些特定功能。

    管网的相互连接关系可以用元件―节点关联矩阵A=[aij]n×m来描述。本文所采用的管网结构描述方法的思想是元件―节点关联矩阵。但此矩阵的初始化和使用都不方便。本文用多个小数据结构解析了元件―节点关联矩阵。

        这种组态式管道建模技术，根据用户的输入能清晰地描述复杂的站内结构和完整地描述复杂的管网结构，为仿真软件的不断升级在管道模型方面奠定了基础。

3.2 动态仿真的数学模型―特征线模型
        本文采用的特征线模型在含有惯性因子的等温特征线模型的基础上（惯性因子引入改善模拟时步的局限性），将能量方程有机地加入到特征线模型中，实现了温度的动态模拟，考虑了温度与其它参数之间的相互影响。本文采用的特征线模型为：
        C+特征线：

        C-特征线：

        材料特征线：

        上式中：

        式中，p表示压力，T表示温度，ρ表示密度，cp表示定压比容，M表示质量流量，B表示波速，s表示高程差，α表示摩阻系数，A表示管的横截面积，D表示管内径，μ表示惯性