摘要： 80年代兴起的现场总线技术和90年代兴起的工业以太网技术，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系，使自控系统与设备加入工厂信息网络，使企业的信息沟通的范围一起延伸到生产现场。基于现场总线技术和工业以太网技术在企业建立覆盖全企业的网络化监控系统，可以极大地提高企业的信息化水平。它使得生产、管理部门及时了解全企业及各车间的水、电、气、油等各种介质的实时和历史生产、消耗状况，为生产调度提供及时、可靠、丰富的数字依据，使各种介质的生产、使用、管理从过去的局部的单靠经验的孤立静止状态进入到一个较为全面的整体的瞬时动态平衡。管理部门在进行生产计划作业时可以做到均衡生产，可以使各种气体介质的生产、使用、储备相对稳定，可以合理安排检修计划等，从而最终达到促进生产、节能降耗、提高效益目的。同时网络化监控系统作为工业企业网的一部分，能与企业的信息网融为一体，从而使得生产、决策、经营管理融为一体。本文针对网络化监控系统时所涉及的相关问题作些介绍，并以某企业的网络化监控系统为例，对系统的设计步骤进行了详述。
1 引言
80年代兴起的现场总线技术和90年代兴起的工业以太网技术，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系，使自控系统与设备加入工厂信息网络，使企业的信息沟通的范围一起延伸到生产现场。基于现场总线技术和工业以太网技术在企业建立覆盖全企业的网络化监控系统，可以极大地提高企业的信息化水平。它使得生产、管理部门及时了解全企业及各车间的水、电、气、油等各种介质的实时和历史生产、消耗状况，为生产调度提供及时、可靠、丰富的数字依据，使各种介质的生产、使用、管理从过去的局部的单靠经验的孤立静止状态进入到一个较为全面的整体的瞬时动态平衡。管理部门在进行生产计划作业时可以做到均衡生产，可以使各种气体介质的生产、使用、储备相对稳定，可以合理安排检修计划等，从而最终达到促进生产、节能降耗、提高效益目的。同时网络化监控系统作为工业企业网的一部分，能与企业的信息网融为一体，从而使得生产、决策、经营管理融为一体。本文针对网络化监控系统时所涉及的相关问题作些介绍，并以某企业的网络化监控系统为例，对系统的
设计步骤进行了详述。
2 网络化设计原则与步骤
由于计算机的广泛使用，为用户提供了分散而有效的数据处理与计算能力。计算机和以计算机为基础的智能设备除了处理一般的业务以外，还要求与其它计算机彼此沟通信息、共享资源、协同工作，于是出现了用通信线路将各计算机连接起来计算机群，以实现资源共享和作业分布处理，这就是计算机网络。计算机网络的网络拓扑结构和传输介质都是影响网络性能的重要因素，在组建网络时必需予以十分关注。
2.1 监控系统进行网络化设计时应遵循的几条原则
(1) 实时性原则
在大多数监控系统中，对数据的采集和处理速度要求都很高，因此在进行网络化设计时应该首先考虑到这一点，根据具体的情况在不同的网段采用相应的解决办法，以减少延迟，提高系统的实时性。
(2) 可靠性原则
监控系统一般对传输网络的可靠性要求非常高，因为其可靠性直接影响到监控计算机所得到的现场信息的正确性以及上层管理系统的命令是否能得以正确执行，进而影响整个监控系统的性能。
(3) 开放性原则
网络系统的开放性关系到网络系统内不同网段间互连、企业内部网络与外界网络互连的可实现性。随着计算机及其网络系统应用的飞速发展与普及，企业与国内外其它企业、市场、上级主管部门的联系会不断增多，所需信息量和信息的覆盖领域会进一步扩大，网络互连的需求会不断加深，因此应选择开放性好、连网方便的网络系统。
(4) 实用性原则
网络系统是为满足生产过程的监视、控制、管理、调度、决策需要而设置的，满足企业生产实际需要是设计的基本出发点。网络系统的设计应以需求分析作为设计基础，如网络的节点数、节点的地理位置分布;网络的信息量、运行速率、传输能力;以及网络建成之后改建的可扩充性，如网络节点增加、网络扩展等。对底层控制网络，要充分考虑到为实现控制所必须满足的实时性要求。
(5) 先进性原则
当今网罗技术发展速度是相当迅速的，应当尽量选择技术水平高、有发展前途、短期内不会被淘汰的网络系统来组建监控系统的网络。尽量采用国际标准，采用主流技术，方便网络的扩展与升级。当然，作为实用工业网络，也应充分考虑到技术的成熟性。
(6) 软件资源丰富性原则
在监控系统网络的产品选型时，还应考虑到所选系统是否具备丰富的软件支持，特别是需要功能强、性能好的网络管理软件的支持，以便今后对网络系统的运行、管理与维护。
(7) 经济性原则
网络系统设计像任何一项工程设计那样，必须考虑到投资的合理性，如系统的性价比、投入产出比、企业的经济承受能力等因素。在计算机、网路设备、系统软件的产品选型与购置方面，在综合考虑上述几种因素的基础上，尽量可能节省投资。
2.2 网络化设计步骤描述
(1)根据实际需要把需要组网的监控系统分成不同的网段，把大系统划分为几个子网，然后再在各个网段内进行网络规划与配置;
(2) 确定各子网的体系结构，如计算服务模式、网络拓扑结构、通信协议、网络互连协议、数据库类型等;
(3)对网络设备配置方案和选型，包括系统管理、网络管理主机、服务器，以及作为网络节点的计算机、监控设备与仪器，网络连接设备，如中继器、集线器、交换器、网桥、路由器的选型，网络传输介质及缆线的选型;
(4)网络布线设计，根据主机、网络连接设备、各网络节点安装的地理位置设计出整个网络系统，包括各子系统的网络布线图，布线设计通常考虑到借助已有的通信线路，建筑物内的布线设计还经常把计算机网络与电话系统布线结合在仪器考虑;
(5)网络系统的软件配置，包括网络操作系统、数据库、维护管理、开发工具、应用软件等，这些软件将完成网络配置管理、流量管理、网络安全管理、错误管理、计费管理等功能。
3 网络架构
网络化监控系统的网络结构从逻辑上可分为三种层次:
(1) 现场设备层;
(2) 控制管理层;
(3) 生产管理层。
现场设备层的主要用于连接现场
设备，完成数据的原始采集;控制管理层实现将现场实时采集的数据传送到SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)节点并进行处理，在本地实现流程图显示、趋势曲线、历史数据保存、历史数据查询、参数调整、报警管理和报表管理等功能;在生产管理层，服务器根据不同用户的需求，将SCADA服务器上的各种服务提供给生产管理部门的用户，使用户及时了解生产消耗状况，为管理决断提供及时、详实、可靠的统计资源。
现场设备层是基于Profibus-DP和MODBUS的现场总线网络，由7个Profibus-DP主站、4个Profibus-DP从站和若干MOBUS从站组成。各主站通过工业以太网模块CP343-1连接到企业网上，主从站之间通过Profibus总线通讯。主站的CPU315-2DP和从站的IM153-2模块提供了Profibus-DP接口，通讯介质为屏蔽双绞线。1#、3#、4#和5#主站还具有CP341模块，通过MODBUS总线和电能计量仪通讯。现场设备层的网络结构示意如图1所示:
在控制管理层，SCADA服务器和各个Profibus-DP主站通过SIMATIC NET工业以太网进行通讯，将现场采集实时数据传送到SCADA节点并进行处理。SIMATIC NET工业以太网技术提供符合国际标准IEEE802.3/IEEE802.3u的单元网络，因而可以无缝地集成到企业以太网中。符合IEEE802.3标准的SIMATIC NET工业以太网能以10Mbps的速率进行传输。符合IEEE802.3u准的工业以太网能以100Mbps的速率进行传输。SIMATIC NET在工业以太网中，既可以使用电气网络，也可以使用光纤，或光电混合网络。电气网络最远可达1.5km;光纤网络最远可为200km。在一个工业以太网中，典型配置为2-100个站点，最多允许约1000个站点。SCADA服务器上安装了CP613通讯处理器和SIMATIC
S7-1613通讯软件，以SAPI-S7的方式与各Profibus-DP主站的CP343-1模块进行通讯，使用SAPI-S7通讯可能的连接数为160个。
在生产管理层，服务器根据不同用户的需要，SCADA服务器将不同的服务提供给不同的用户。根据用户访问服务器的模式不同，服务器既可以是SCADA服务器本身，也可以是微软的终端服务器。管理层的硬件设备主要是SCADA服务器/终端服务器和具有访问服务器能力的用户计算机。用户计算机访问服务器时有两种模式可以选用，一种是Client/Server方式，一种是Brower/Server方式。控制管理层和生产管理层的网络结构如图2所示。
由于SCADA服务器可能还要直接为生产管理层提供网络服务，充当网络服务器，因而应根据服务器的负荷能力和系统的安全性不同需要或选择一台SCADA服务器组成独立的SCADA节点，或将SCADA任务分配到多台SCADA服务器组成分布式SCADA系统。国际知名的组态软件SIMATIC WinCC和iFIX均支持分布式的SCADA系统。
4 硬件系统组成
钢厂内部的网络化监控系统的硬件系统可以划分为两部分，即上位机硬件系统和下位机硬件系统。
4.1 上位机硬件系统配置
(1) 网络:选择单网方式，网络传输速度为100Mbps;
(2) 前置机:将前置机软件并入服务器软件中，系统硬件结构中可以省去前置机;
(3) 服务器:选用hp Pentium Ⅳ高档服务器，内存256M、硬盘容量18.5G，双硬盘配置;
(4) 操作员站/工程师站:选用hp Pentium Ⅳ高档PC机(内存128M、硬盘容量10G。显示器分辨率为1024×768);
(5) 网络部件:包括100M智能集线器(或网络交换机)，光缆及相应转换，Ethernet网卡以及网络线缆;
(6) 打印机:用于报表打印、考评等。
4.2 下位机硬件系统配置
(1) 现场总线:选用SIEMENS公司的PROFIBUS-DP总线，通讯介质屏蔽双绞线;
(2) 现场总线主站:选用SIEMENS公司的S7-300系列产品;
(3) 远程I/O站:选用SIEMENS公司的ET-200M系列;
(4) 电量测量采用加拿大的POWER INSTR
UMENT公司的电量综合测量仪表系列3300型(测量参数包括:电压、电流、有功、无功、电度、功率因数、频率)，通信协议为MODBUS。
由于系统中包括Profibus设备和MODBUS两类设备，MODBUS总线网络挂接在Profibus总线下，因此涉及到协议转换的问题。在该系统中，CP341用作MODBUS主站，与多个含RS-485接口的电量仪(MODBUS从站)实现通信，完成对远程电量数据的采集。CP341在CPU没有通讯任务负载时，通过点到点的连接方式实现快速、强大的串行数据交换，可执行ASCII 3964(R)、RK512或由用户指定的协议;电量仪3300ACM采用16位微处理器，自带RS-485通信接口，支持MODBUS协议。
在MODBUS系统中有两种有效的传输模式，即ASCII(美国标准信息交换码)和RTU(远程终端装置)。RTU模式的传输格式是8个数据位，1个停止位，没有奇偶校验位。RTU发送模式仅靠模拟的同步信息来保持帧的同步，接收设备监视接收字符间的经过时间，若3个半字符的经过时间后仍没有新的字符或未完成帧，设备就会冲掉该帧并设定下一个接收的字符作为地址。在RTU通信模式中，1字节信息(或报文)作为一个单8位字符被发送，在ASCII通信模式中，每个8位ASCII字节包含4个数据位和4位格式化ASCII字符，因此每发送1字节信息需要2个ASCII字符，导致ASCII模式所使用的字符大致是RTU模式的两倍。由于电量仪3300ACM只支持RTU传输模式，因此该系统采用了MODBUS
Master协议的RTU模式，其数据帧格式如下:
(1) 下发数据包
●从站地址 1byte
●功能码 1byte
●寄存器地址 2byte
●寄存器个数 2byte
●CRC校验 2byte
(2) 上传数据包格式
●从站地址 1byte
●功能码 1byte
●数据个数 1byte
●第1个寄存器的值 2byte
●第2个寄存器的值 2byte
●… 2byte
●CRC校验 2byte
CP341与多台3300ACM电控仪表通信的主要问题是如何实现同一时间段只有一台3300ACM电控仪表与CP341通信，即如何保证上传的数据与下发的数据是对应的，否则会出现上传的数据无法识别是响应的哪一个下发的数据帧，因此导致出现数据紊乱和错误的现象。该系统通过编程实现CP341对各个3300ACM的轮循访问，确保在同一时间段内CP341只与系统中的一台3300ACM电量仪通信。采用轮循的方式用时比较长，实时性不如中断响应方式。由于该系统只作数据采集，不要求实时监控，因此对实时性要求不高，轮循方式的访问完全可以满足网络化监控系统的需要。
整个网络化监控系统的软件包括系统软件、数据库软件和实时监控软件、下位机组态软件和上位机监控软件五个部分。
5.1 系统软件
操作系统是基于Microsoft Windows的32位操作系统。服务器软件选用Windows NT 4.0 Server(中文版)或Windows2000;工作站软件选用Windows NT4.0 Station或Windows98。前置机程序:运行于前置机中(也可与服务器程序合并运行于服务器中)，负责数据采集及预处理;服务器程序:运行于服务器中，主要负责数据处理，数据库管理，以及与工作站的数据交互等工作;操作站程序:运行于工作站中，主要负责人机界面，页面浏览及编辑等工作;工程师站程序:运行于工程师站中，主要负责系统维护、组态等工作。
5.2 数据库软件
目前市场上使用较多的关系数据库有Oracle，DB2，Sybase，Informix，MS SQL server等。本网络化监控系统出于以下几个方面考虑决定采用
Oracle数据库:
(1) 价格相对便宜;
(2) 该钢厂原有的数据库平台都是采用Oracle数据库，兼容性好;
(3) 获得最高认证级别的ISO标准认证;
(4) 性能最高，保持Windows NT下的TPC-D和TPC-C的世界记录;
(5) 多层次网络计算，支持多种工业标准，可以用ODBC，JDBC，OCI等网络客户连接;
(6) 长时间的开发经验，完全向下兼容。
Oracle数据库软件在本系统中的作用主要是将由iFIX传输来的数据进行存储管理，将采集得到的累计数据、实时数据、中间数据以及最终统计数据存储到Oracle数据库中。Oracle支持人工修改、查询、安全检查、数据一致性等功能，SQL/语言可以实现据用户定义的规则对数据进行处理计算。处理的主要内容包括:
●用能优化分析
在企业总利润最高能耗最低目标下求出企业能源结构和产品结构，并用图表形式直观，清晰的表示出来;
●能源预测与分析
根据历史数据，采用多元回归分析预测方法，预测各种能源的未来消费趋势，合理安排采购，生产活动。最后提供各种管理人员需要的报表，并提供接口，可由用户自行生成所需报表。并支持打印功能。
5.3 实时监控软件
实时监控软件选用可编程逻辑控制程序的标准软件STEP7 SIMATIC Manager(简称STEP7)，可使用梯形图逻辑，功能块图或语句表对系统进行编程与监控。STEP7的基本结构层包括:
(1) 站(Station):表示一个可编程控制器的结构,包含一个或几个可编程模块;
(2) 硬件(Hardware):包含一个站的配置数据和参数，这些配置和参数存在系统数据块(SDBS)中;
(3) 可编程模块(Programmable Modules):可编程模块中是用户的程序;
(4) 连接表(Connection Table):连接表描述了所有可编程控制器之间的连接;
(5)块(Block):块中有控制所需的程序，根据它们的功能分可为组织块(OB)，功能块(FB)，数据块(OB)等;
(6) 符号表(Symbol Table):符号表说明各个象征符号的定义。
STEP7项目可按不同的顺序生成。但无论以哪种顺序和方式，都按照组态硬件、生成用户程序和下载调试程序的顺序进行。在生成一个用户程序的过程中，组织块OB1的创建是最为基础的，它可以完成程序的主要部分，也可以用来调用和组织其它的块;功能块FB在程序的分级结构中位于组织块之下，它包含程序的一部分，可以在OB1中多次被调用;数据块DB中存储功能块的所有形参和静态数据，每个功能块都需要指定特定的数据块;功能FC和功能块一样，也位于组织块下面，为使一个功能被CPU处理，它必须被它的前一级调用，与功能块不同，功能不需要数据块。
5.4 下位机组态软件
下位机的组态同样借助于STEP7来实现。打开SIMATIC 300下的项目文件，双击hardware符号，在“Hw configure”窗口下将实际机架上的模块编号依次拖入槽中，并对其中一些模块的属性，包括地址、工作模式等进行设置。当一个机架不能容纳所有模块而需要扩展多个机架时，硬件组态需要使用接口模块将两个机架连接起来。在组态网络化系统时，用户只需要完成通讯模块的添加与参数配置，STEP7会自动生成相应的网络构架。
5.5 上位机监控软件(iFIX)
目前市场上使用的较多的组态软件有iFIX，INTO-UCH，RSVIEW32，WINCC，组态王，MCGS等。本网络化监控系统出于以下几个方面考虑决定采用iFIX:
(1) 该钢厂的其他自控系统多采用iFIX，方便兼容;
(2) 国外知名企业产品，软件性能稳定，功能强大;
(3) 技术支持力量雄厚，升级方便。
iFIX是Intellution Dynamics公司的自动化软件产品家族中的HMI/SCADA最重要的组件，它以iCORE为核心，包括数据采集和数据管理两个基本功能，是基于WindowsNT/200
0平台上的功能强大的自动化监视与控制的软件解决方案，被广泛应用于电力、化工、冶金、石油等行业。iFIX采用了Microsoft的系列工业标准，支持ODBC、VBA、Active控件、ADO、Internet和OPC，具有不可比拟的开放性和巨大的兼容性。数据采集层可以通过STEP7的驱动程序将底层数据传输给iFIX。
5.6 iFIX在本系统中的主要功能
iFIX在本系统中主要提供以下功能:
(1) 实时监控底层车间数据
监控画面可按不同能源、不同车间分类。在各个画面之间连续切换，值班员可在数分钟内充分了解所有车间的能源产出/消耗情况;
(2) 查看历史数据曲线、实时数据曲线
通过历史趋势曲线用户可以观察到任意时间段的能源介质使用情况，并可根据历史趋势分析历史数据，合理安排生产、提高生产效率。通过实时数据趋势曲线用户可以观察当前能源介质产耗情况，为设备故障诊断和调试提供很好的依据;
(3) 事故报警
由于对整个集团车间进行监控，数据采集量大，系统非常复杂，各种故障发生率非常高，因此良好的报警管理系统是能及时发现和迅速排除故障，使系统能够安全稳定运行、保证数据的完整性和一致性的有力保障。
6 系统的组态
系统的组态主要是指现场设备层各类设备的组态，包括硬件组态和网络组态两个部分，组态软件选用SIEMENS公司的STEP7软件。
6.1 硬件组态
硬件组态包括以下几个方面:建立工程;组态机架;添加电源;选取CPU;组态CP343-1;组态CP341;安装SM331。网络组态又分为PROFIBUS-DP网络的组态和工业以太网的网络组态。
6.2 PROFIBUS-DP网络组态
PROFIBUS-DP网络的组态步骤如下(在STEP7编程环境下):
(1) 点击“DP”，在右边出现的“Profibus(1):DP Master
System(1)”并点击，在出现的菜单中，打开“Properties”，“Network Setting”。根据实际进行有关参数的设定。设置完成按“确定”即可。若还需要设定其他的参数可打开“Option”，进行电缆参数的设置;
(2) 在右边菜单栏中，打开“Profibus-DP”，“ET200M”，选取“IM153”并双击。这时在“Profibus(1):DP Master System(1)”下面将出现一个DP从站图标;
(3) 设置DP从站硬件模块，点击从站的图标，出现IM153及表格后，点击表格“4”，并在右边菜单栏中选取“SM331 AI8×12BIT”并双击，根据实际需要设置相关参数。至此，硬件模块的组态全部完成。
6.3 工业以太网网络组态
工业以太网的网络组态包括以下几个步骤:
(1)点击“开始”，在菜单栏中点击“Simatic”，“STEP7”，“Netpro-Cofiguring-
Networks”。在出现的菜单中点击“Open”，再点击工程的名称，如“Pro15”，在屏幕上将出现彩色的网络图(图3);
(2) 建立PC/PG站，在右边菜单栏中点击“Sta- tions” 双击“PC/PG”，“Interfaces”，“New”，“Ethernet Interface”，“Ok”选取“Ethernet(1)”并填写1613的
MAC地址，然后将相关的部分连接就即可;
(3) 建立其他站，如需添加新的PC/PG站，可以按照上述的方法进行添加，网络的组态图会自动进行更新。
7 WEB浏览的实现
在该系统中，将现场仪表采集的数据经预处理后通过PROFIBUS总线传给工控机，由工控机上的iFIX工控软件设计13个画面，实时监控200多个数据。动态数据的网络监控功能可以通过以下两种方法实现:
7.1 DDE实现方法
iFIX的DDE服务器支持允许将数据从iFIX数据库传到其他DDE客户应用程序，DDE客户利用一个DDE地址向DDE服务器请求数据，不同的服务器可能是本地或远程的，因此用于DDE地址的语法也不同，本地服务器是一个DDE应用程序，它与客户应用程序被设置在同一台计算机内，远程服务器也是一个DDE应用程序，它与客户应用程序设置在不同的计算机内。
iFIX软件使用操作系统提供Net DDE在网络内允许一个DDE应用请求和接收远程节点上的另一个DDE应用的数据。用Net DDE从一个远程DDE服务器中获取信息，DDE地址语言不同于DDE编址节中的编址，Net DDE用于传输实时数据的语法示例如下:
‘ABCNDDE$’|‘DMDATA.DDE’! ‘SCADA1.AI1.A-CV’
由此可以将安装iFIX的工控机设置为DDE服务器，在另外需要观察监控画面的微机上安装DDE客户端。系统结构图示意如图4所示:
7.2 ASP实现方法
目前传统的客户机/服务器(C/S)模式逐渐开始向浏览器/服务器(B/S)模式转变。B/S模式的优点在于客户端无需安装用户应用程序，只需要一个浏览器，对客户机所采用的平台没有限制，管理及维护工作全部在服务器端进行。即使增加再多的客户端应用，应用系统的管理、维护工作量基本不变，系统既可运行在企业内部网Intranet，也可运行在因特网Internet上。由于iFIX提供了与数据库实时通讯的功能，iFIX ODBC提供了关系数据库与iFIX实时数据库通讯的接口，iFIX实时数据库可以配置为基于事件、时间或两者联合的通讯方式。用iFIX ODBC插入实时数据到关系数据库的过程如下:
(1) SQL触发块(SQT)触发，SQL任务从SQT块读取SQL命令名;
(2) SQL任务从SQL库表中检索相关命令;
(3)SQL任务从SQL数据块(SQD)读取SQL命令指定的块并从iFIX数据库读取与这些标签相关的值;
(4) SQL任务执行SQL命令并插入数据到关系数据库。
基于此原理，用iFIX的SQT块触发SQD中的实时数据触发到ACCESS数据库中，通过ASP编程从ACCESS中读取实时数据，然后利用IIS将本机作为WEB服务器，将ASP发布到局域网中，从而在任何一台联网的终端计算机上都可以通过IE浏览器对监控系统实时数据进行监控。
系统结构图示意如图5所示:
比较上面介绍的两种方法，采用DDE通信方式数据更新及时、准确，可以较好地满足实时监控的目的，但当数据流量增大及客户端增多时，数据通信在实时性与稳定性方面开始变差。综合考虑数据的流量和客户端连接需求，笔者选用了ASP方式实现网页与iFIX系统之间的通信，经实际运行检验，效果良好，通过授权的管理人员可以通过任意一台联网的计算机来浏览该系统的WEB网页，整个工厂的底层数据进行监控，并可任意浏览所需报表。
8 结束语
信息技术飞速发展，现场总线控制系统的出现，引起了过程控制系统体系结构和功能结构的重大变革，自动控制系统可以方便加入企业的信息网络。以现场总线和工业以太网技术构建的网络化监控系统，不仅可以对企业的生管理部门及时、全面得了解到企业当前生产状况，而且它还可与企业的办公信息网络集成，从而将企业的生产、调度、营销、经营管理和决策有机地融为一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的、高质量、高效益、高柔性的生产管理信息系统，使企业在激烈的市场竞争中占得先机。
