通信网关pFieldComm技术白皮书.doc

北京力控华康科技有限公司
Beijing ForceControl-Huacon Technology Co.,Ltd.
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工业通信网关pFieldComm技术白皮书

版本号
V 1.0
当前状态
草稿
发布日期
2011-8-8
作者

目录
1 概述 3
1.1 简介 3
1.2 产品对比 3
2 产品结构 4
3 功能特点 6
4 pFieldComm应用配置与管理 9
4.1 配置管理工具 9
4.2 监视工具PFC-Monitor 10
4.3 日志服务器 10
5 应用 11

1 概述
1.1 简介
目前在“数字化”工厂的企业信息化、能源管理系统、轨道交通，楼宇BAS、工业控制等信息集成系统中需要对各种现场“智能”设备进行统一监控，但由于大量设备都是由不同厂商提供的，通信协议的差异使这些设备产生“信息孤岛”。同时由于监控的设备种类繁多、协议多样化，并地理分散，企业的生产监控及信息化软件标准又不统一，导致解决系统联网中通信协议转换的问题越来越突出，由于信息不能共享，已严重影响到自动化系统的性能、工期、成本和系统稳定，因此解决通信标准化的问题意义重大，是保证企业生产信息集成的基石。
力控华康推出的pFieldComm工业通信网关可以解决信息集成中由于各信息化软件系统、控制及数据采集设备通讯协议不一致、造成系统通讯连接和数据交换成本加大的困难，可广泛应用于发电、变电、化工、石油、楼宇、水利、冶金、机械、交通、环保等领域的异种系统互连及信息集成项目中。
力控华康pFeildComm系列工业通信网关采用高性能的嵌入式计算平台，服务内核软件可运行于桌面操作系统或嵌入式操作系统中，是一个脱离于具体硬件设备接口的通讯服务平台，该系统拥有高性能的实时数据库系统（原型为Unix下标准C开发），具有多种通讯采集和转发规约库。可以实现采集多个不同子系统的数据，进行数据集中汇总、分类和预处理，可以简化系统中异种协议的转换和系统联网过程，异种协议容易接入并可转换为标准协议（如OPC方式）与其它系统联网。
力控华康pFeildComm支持对多个上级调度等平台系统进行数据转发与上传。可作为分布式数据采集装置、工业协议转换网关、电力通讯服务器或通讯前置机等使用，同时结合了软件和网络安全技术、远程组态技术，使得系统更加稳定、易于使用和维护。
1.2 产品对比
传统的通信服务器解决方案的缺点：
基于工控机的方案问题：维护工作量大，不能有效满足发挥集中控制和无人值守的要求，问题如下：
· CPU发热量高，硬盘、风扇等机械运动部件需定期更换，必须厂商协助；
· ISA/PCI总线连接，抗震性差；
· 系统备份、恢复比较困难；
基于通讯控制器的方案的问题：只能用作数据采集和简单协议处理，既有专门的通讯控制器也有PLC兼用或者使用串口服务器，存在的问题如下：
· 协议的简单转换，处理能力差，自动化实现严重依赖后台系统；
· 通讯协议处理不具备组态功能，配置困难；
· 通讯调试、分析故障诊断困难；
· 主机频繁访问串口或者双机冗余切换时，容易发生死机、串口不能被初始化等现象；

力控华康pFieldComm解决方案的优点
可靠性
以高性能嵌入式硬件平台取代工控机，减少中间硬件环节，降低硬件风险，满足无人值守要求。采用工业专用操作系统取代Windows,解决“软硬件雪崩”问题，减少非自动化应用对可靠性的威胁。
方便的维护性
设备和系统可自恢复，提升系统维护效率，提供通讯报文/规约在线分析功能，系统调试和故障诊断更方便，配置可组态，减少对厂商的依赖，方便维护。
先进性
支持多主机访问及其它冗余系统的要求，实现无后台系统运行，提供即插即用的本地/远程维护手段，支持信息安全功能，满足网络多种应用需求。
2 产品结构
力控华康pFieldComm系统是由嵌入式工业通信网关（以下简称网关）和应用软件包两部分组成，嵌入式工业通信网关自动完成数据的采集与转发，pFieldComm的应用软件包可以按照项目要求进行组态，选择和配置相关采集与转发设备的通讯协议、物理地址、通道地址、参数名称等来完成系统应用。所有数据采集、转发均支持数据的读、写双向访问,根据安全需要可以设置成只读方式，保证系统数据的安全，系统说明如下：
网关
网关由嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式运行系统三部分组成。
嵌入式硬件平台：采用的是集成了以太网、多串口功能的硬件平台，由于具备低功耗、无风扇、使用电子盘等特点，因此可以投运在恶劣的现场环境。
嵌入式操作系统：采用主流的嵌入式系统，并针对硬件平台进行了裁剪和优化。
嵌入式运行系统包括：实时数据库、数据采集、数据转发、事件记录等子系统。嵌入式运行系统占用的磁盘空间很小，运行系统运行在网关设备内，出厂时由厂家工程人员自动配置好。
应用开发软件组成
软件由配置管理工具、日志服务器等构成， 开发维护软件运行在PC上，通过PC可以对网关进行上传、下载、配置、报文监测等功能，完成远程诊断与维护。
实时数据处理
pFieldComm系统适用于处理不断更新的快速变化的数据及事件处理，能够以各种方式对数据库进行各种操作，包括：数据运算处理等。
pFieldComm系统利用实时技术为实时数据库提供时间驱动调度和资源分配算法，针对不同的应用需求和特点，它采用L树索引技术、专用的内存分配和管理方法、数据字典和结构化设计，并采用了多线程和并行处理方式等技术。
物理级安全隔离
隔离措施：
·物理隔离：将以太网输入/输出转化为485/232总线型输出/输入，将以太网进行物理级安全隔离。
·安全通道隔离：即通过专用通信硬件和私有不可路由协议等安全机制来实现内外部网络的隔离和数据交换，有效地把内外部网络隔离开来，而且高效地实现了内外网数据的安全交换。

3 功能特点
多对多的协议转换：
单台通讯服务器支持最多16个串口，6个以太网口，所有的端口均可自由指定接收或转发的协议类型。协议库种类达到上千种，包括国内外主流PLC、DCS、智能仪表、智能模块、IEC60870系列电力规约等。
完全工业级的产品：
系统搭载串口均支持RS422/485/232跳线转换，支持RS485自动数据流控制，端口加载3000V隔离装置，采用千兆以太网，所有端口工作状态均有前面板指示灯供观察，所有芯片部件均采用高可靠元件，通过CE、EMC、FCC认证。
安全隔离：
当数据采集接口网关为上位软件提供实时数据时，它一般位于自动化控制系统和上位软件服务器之间，由于pFieldComm采用了多网段隔离和单项数据传输技术，可达到自动化控制系统和上位软件服务器之间的安全隔离目的。
实时稳定：
采用嵌入式低功耗设计，工业级DOM存储介质，导热管散热工艺，整机无任何机械部件，采用嵌入式实时操作系统，搭载大容量工业级实时数据库，具有很强的实时性和稳定性。
实用性强：
pFieldComm不但支持通用的工业标准协议，还可以支持多种协议的变种。例如，电力的国标或国际规约。通常各厂家的实现都不尽相同，pFieldComm已经实现了对国内主流厂家的兼容；同时提供定制功能，对非标协议或协议中的非标部分均可进行定制。
开发维护简便：
可实现远程组态，远程上传、下载；不需要编写代码。
多级冗余设计，支持网关之间的冗余和多台网关组网的扩展功能。
多种数据集成接口：
除了转换成多种标准规约外，pFieldComm同时提供对多种软件的内部接口，可实现上位机轻松组态，例如在ForceControl、iFix、Intouch、PI、Infoplus、PHD等软件中，均可通过其自身的底层接口对pFieldComm进行组态和通讯；
支持串口、以太网、现场总线、电话拨号、电台、GSM/GPRS/CDMA等多种通讯方式；
提供端到端的“协议转发”方案，灵活的可扩展通讯口多达32个；
支持数据包进行加密处理，可以将数据转化为规范化文本格式（XML格式）的数据包；
支持“ 多” 转“ 多” 的协议转换模式，方便不同上级系统共享相同数据；
支持根据数据中心命令采集和主动定时采集等数据采集模式，定时采集周期可灵活配置；
支持设备诊断，通讯中断的时候可以本地存储，同时数据可以进行断点续传；
数据采集器对数据中心（服务器）数据远传时支持国际标准：OPCServer、ODBC/JDBC、MODBUS/TCP、 DNP传送规范，支持OPC、DDE、ODBC等通讯方式的数据互相转换；
可以提供基于C/C++接口的数据采集程序开发包，可供用户独立增加、下载新的驱动程序；
对于不便公开的保密协议，用户可利用驱动开发包自行开发采集设备的驱动程序。

分布式网络结构，模块化的软件内核设计
pFieldComm采用嵌入式操作系统，内核和应用软件的设计均按照分布式网络结构进行，软件按照功能模块划分形成了数百个组件，这种先进的软件结构设计最大程度的减少了软件模块之间的耦合，使得某个功能模块的故障可以被锁定在该模块内部，而不影响其它功能模块的正常运行，仅仅把自身的工作状态通知给与之接口的模块。

软件自诊断及看门狗技术
pFieldComm由多个独立进程分别完成通讯链路管理、数据采集管理、数据转发管理、网络管理、冗余与同步等任务，同时设立了一个进程总管--进程调度机，负责管理和守护pFieldComm的所有进程，拥有完善的软件看门狗机制，同时与pFieldComm的硬件看门狗紧密配合，软件看门狗自动监测CPU负载，可用物理内存等重要参数，可根据预先设定的限值，产生报警，并可自动复位系统，硬件看门狗技术采用了双硬件看门狗（BIOS级和应用软件级），自恢复和切换更稳定。

系统保护
系统保护与恢复系统采用了EWF保护技术，系统配置完成后，可以杜绝一切文件级写入操作，同时又不影响系统之间、或系统与调度层之间的有效数据交换，同时能有效防止未经授权应用pFieldComm支持用户认证，仅允许指定的专用协议从制定端口访问。

通讯调度
通讯调度机负责通过不同的通讯链路与不同厂家的设备建立通讯，自身拥有一套完整的通讯调度，独立的通讯状态管理，报文监测，故障排查，故障恢复，负载均衡机制，故障隔离功能保障单点故障不影响其它系统每个端口来保证独立的通讯进程。

4 pFieldComm应用配置与管理
pFieldComm设备的开发软件由配置管理工具、数据监视工具、日志服务器等组成。
4.1 配置管理工具
PFC-Config工具软件是专为 pFieldComm系列产品设计的通用智能化配置、管理与调试工具。它基于Windows 2000/2003/2008/XP和Windows 7 平台，提供基于 XP 风格的表格化交互式人机界面，采用基于向导的操作模式，操作十分简便
Ø 工程化配置管理
PFC -Config按照工程方式进行配置管理。PFC -Config可以对不同网关的不同现场应用案例分别按照不同的工程进行管理。每个工程包含了一种特定型号网关针对一个特定工程应用的全部配置文件，包括：内嵌数据库配置、I/O通信配置、网络配置、系统参数配置等。每个工程的配置文件都存放在不同的目录下。
Ø 模板化测点管理
PFC -Config对测点除了提供单点配置功能外，还提供了非常适用的模板功能。模板功能可以大大提供用户工程组态的效率，减少组态的差错率。对于OPC服务器，PFC -Config可自动遍历服务器所有测点并生成模板。用户也可以手工编辑模板然后导入到工程中。
Ø 测点级访问权限管理
一方面，通过PFC -Config可以控制在采集时允许接入哪些测点，哪些不允许接入；另一方面，如果转发存在多个服务，通过PFC -Config可以指定哪些测点允许暴露给哪个服务，同时对哪些测点进行屏蔽（禁止转发）。
Ø 测点读写访问控制
pFieldComm对每个测点均可设为“只读”或“读/写”属性。当设为“只读”属性时，所有数据回置操作被禁止以控制数据流向为单向。
Ø 网关远程管理及控制台管理
PFC -Config对网关提供2种管理方式：远程管理方式和控制台管理方式。远程管理是通过网络接口实现对网关的管理，包括：联机及用户登录、查询网关状态、上传或下载工程、修改密码、升级软件等功能。另一种方式为控制台管理方式，通过网关的控制台端口（RS232）实现对网关的管理。2种方式的操作方式完全相同。无论采用哪种方式，pFieldComm均提供了严格的身份认证来管理连接权限。
Ø 网关远程管理及控制台管理

4.2 监视工具PFC-Monitor
PFC -Monitor工具软件是专为 pFieldComm系列产品设计的通用监视工具。基于Windows 2000/2003/2008/XP和Windows 7 平台，提供基于 XP 风格的交互式人机界面。
与PFC -Config类似，PFC -Monitor可通过远程管理方式和控制台管理方式2种方式对网关进行监视。无论采用哪种方式，pFieldComm均提供了严格的身份认证来管理连接权限。
PFC -Monitor提供的监视功能包括：查询网关状态、查询运行状态、在线监视测点数据、在线监视通信报文信息、查询授权状态、查询程序版本信息、查询调试信息、查询日志信息等。
4.3 日志服务器
在一个完整的软件系统里面，日志服务器是一个非常重要的功能组成部分。它可以记录下系统所产生的所有行为，并按照某种规范表达出来。我们可以使用日志系统所记录的信息为系统进行排错，优化系统的性能，或者根据这些信息调整系统的行为。在安全领域，日志系统的重要地位尤甚。
pFieldComm日志服务器分过程信息和事件信息
过程信息：定期产生的信息，如采集次数等
事件信息：运行过程中各种需要记录的信息；如通道超时重启，上位机请求重载工程等。

各日志生成程序是否发送日志由日志服务器控制，并且可以设定日志级别等参数。

5 应用
能源管理系统EMS
在冶金、石化、发电厂企业的能源管理系统及信息化建设过程中，存在着大量的不同厂家和不同通讯方式的过程设备。过程设备与实时数据库服务器之间的实时数据通讯，无论从数据质量上还是数据的完整性上都存在着很多问题。集中表现在： 能源（配电室、变电所）、计量（水、电、气等） 数据没有完整地进入实时数据库，实 时数据采集留有很多空白点。实时数 据库对于物理上比较分散的数据源没 有采集办法，造成MES、ERP等管理 软件有些功能靠手工录入数据工作， 影响了软件性能的发挥。 MES、SIS、ERP建设的实时数据 采集接口兼容性、开放性不好，甚至 提供的不是标准接口。当过程设备升级 或管理软件升级后，接口程序需要重新开发。 使用pFieldComm以后，轻松接入各 种标准接口及各种ERP、计量、质量检测系 统，对实时数据库PI、Infoplus、PHD、 iHistorian、InSQL等具有良好的兼容性。

企业执行制造系统
企业执行制造系统企业生产执行制造系统中，关键性的数据管理采用的是大型的实时数据库来进行海量数据管理，在通讯标准上，OPC标准由于其开放性和高效性，现在已 被广泛应用于自动化控制领域及生产信息管理中。 目前大多数DCS系统、SCADA系统对外都提供了OPC Server，以便为上层MES、生产调度等管理信息系统提供 实时生产数据。同时几乎所有的MES系统、生产调度 系统的采集接口也都提供了OPC Client以便能实现对 OPC Server数据的采集。然而由于很多众多的设备地理 分散、通讯设备协议也不一致，给企业MES的后续数据 的入网带来了不便，力控pFieldComm可以有效的将各种设备协议转换成OPC Server，方便系统联网。

电力通讯管理机
在某变电站综合自动化系统内，在物理层集成了电力行业的CAN与LON总线接口。在数据链路层实现了电力IEC101与IEC104通讯协议的转换，保障了系统的稳定。如下图：

轨道交通EEP
pFieldComm在工业领域已得到广泛应用。近年来，随着轨道交通行业的旺盛需求，该产品也开始进入轨道交通综合监控行业，承担起FEP（前端处理器）角色。pFieldComm在综合监控系统共中的功能和构架图如下：

系统结构解析：
如图所示，整个网络分为现场设备层 - 通讯网关层 – 数据服务器层三层结构：
现场设备层
· 串行链路设备
RS485/RS422：先将同种规约设备连接成485/422网络，通过串口以太网转换模块接入以太网，与网关连接；
RS232：通过串口以太网转换模块接入以太网，与网关连接；
网关A/网关B：同时对串行设备进行采集，采集指令在串口以太网转换模块进行排队，确保每次仅有一条指令提交给设备层；
· 网络设备
直接接入以太网，与网关连接；
网关层
A/B两台网关热冗余。设置两条网络链路：所有A网关连入A网；所有B网关连入B网。两台网关同时采集设备层的数据，采集周期可以组态，最小组态周期为1MS；
服务器层
双服务器冗余。每台服务器均为双网冗余，两块网卡分别连接A网/B网。两台服务器上均运行定制的IO程序，实现对网络通讯的调度。
楼宇IBMS