现场总线与电厂信息系统的集成

        近几年来现场总线已经得到了越来越多人的重视，它能够在工程建设的基建、安装、维护等阶段为我们节约大量的资金。但有一点往往容易被忽视，即现场总线也可以和电厂的信息网络很好的集成，这样工程人员就可以通过电厂的信息系统查看到有关现场总线系统的信息。本文将着重介绍
  
序 言
        目前很多电厂都将电厂的数字化建设放在一个很重要的位置，而且都建设了比较完善的管理信息系统（MIS）甚至是厂级监控信息系统（SIS），但数字化电厂不仅仅要实现管理过程的数字化，也需要实现生产环节的数字化。现场总线在网络中传输的都是数字量，同时它的网络结构也遵守OSI规定的七层协议，这就为现场总线与电厂信息系统的集成创造了可能性。下面介绍一下现场总线与电厂信息系统集成方面的情况。
一、现场总线通信系统和ISO／OSI参考模型的关系
        首先介绍一下现场总线系统所遵守的ISO／OSI参考模型。
    ISO／OSI参考模型定义了一个7层的开放系统通信结构。现场总线系统根据现场环境的要求，对模型进行了优化，除去了实时性不强的中间层，并增加了用户层，这样构成了现场总线通信系统模型。例如，基金会现场总线（FF）模型与ISO／OSI参考模型的对应关系如图1所示。
        图型的现场总线协议模型图1的中间一列所示，它采用ISO／OSI参考模型中的三个对应层，即物理层、链路层和应用层。考虑到现场总线通信的特点，将ISO／OSI参考模型中的3～6层简化为一个现场总线访问层。它是ISO／OSI参考模型的简化形式，既考虑到开放性系统的要求，又兼顾了控制系统的特点。
        基金会现场总线（FF）模型如图1的右侧一列所示。它采用了ISO／OSI参考模型中的三层：物理层、链路层和应用层，隐去了3～6层。其中物理层、链路层采用了IEC／ISA标准。应用层分别为两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范子层FMS。FMS为系统的用户层提供通信服务。FMS提供不同类型的通信信道，称为虚拟通信关系VCR，FAS把VCR映射到底层网络，从而把用户的应用进程同网络技术的发展隔离开来。链路层、访问子层和报文规范子层的全部功能集成在一起称为通信栈（Communication Stack）。
1.1 物理层
        现场总线物理层是由物理介质的有关规定和传输数据的信号协议所构成。物理层使数据链路层在发送、接收数据时与物理介质的类型无关。物理层协议是有关于系统安装的一些规定。它规定了以下四个特性：机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
    机械特性：主要涉及到连接器的规格，以及连接器的安装。
    电气特性：规定传输线上数字信号的电压高低、传输距离和传输速率等；
    功能特性：定义连接器内容插脚的功能；
    过程特性：规定了信号的时序关系，以便正确地发送、接收数据。
    物理介质可以是IEC物理层技术规范中所规定的任何一种传输介质。例如双绞线、光缆和射频。物理层又可以分成物理介质相关子层与物理介质独立子层。
1.2 数据链路层
        现场总线数据链路层（DLL）位于物理层与总线访问子层之间，它为系统管理内核和总线访问子层之间，它为系统管理内核和总线访问子层访问物理层提供服务。为了对现场总线上的各类链路传输活动进行控制，需要在数据链路层上附加协议控制信息。现场总线通信中的链路活动调度、数据接收与发送、链路活动控测与响应、链路时间同步都是通过数据链路层实现的。通过链路活动调度器（LAS）可以对传输介质进行周期和非周期两种访问。
        在功能上，DLL可以分成两层，访问总线和控制数据链路的数据传输。
1.3 应用层
        应用层直接为客户服务，提供适用于应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务。开放系统相互连接的管理包括初始化、维护、终止和记录某些数据所需的功能，这些数据与为在应用进程间传送数据而建立的链接有关。现场总线应用层主要组成部分包括：应用进程、应用进程对象、应用实体和应用服务元素等。应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。现场总线访问子层（FAS）提供发布者／接收者、客户／服务器和报告分发三种服务，现场总线报文子层（FMS）则提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务。

        近几年来现场总线已经得到了越来越多人的重视，它能够在工程建设的基建、安装、维护等阶段为我们节约大量的资金。但有一点往往容易被忽视，即现场总线也可以和电厂的信息网络很好的集成，这样工程人员就可以通过电厂的信息系统查看到有关现场总线系统的信息。本文将着重介绍
  
序 言
        目前很多电厂都将电厂的数字化建设放在一个很重要的位置，而且都建设了比较完善的管理信息系统（MIS）甚至是厂级监控信息系统（SIS），但数字化电厂不仅仅要实现管理过程的数字化，也需要实现生产环节的数字化。现场总线在网络中传输的都是数字量，同时它的网络结构也遵守OSI规定的七层协议，这就为现场总线与电厂信息系统的集成创造了可能性。下面介绍一下现场总线与电厂信息系统集成方面的情况。
一、现场总线通信系统和ISO／OSI参考模型的关系
        首先介绍一下现场总线系统所遵守的ISO／OSI参考模型。
    ISO／OSI参考模型定义了一个7层的开放系统通信结构。现场总线系统根据现场环境的要求，对模型进行了优化，除去了实时性不强的中间层，并增加了用户层，这样构成了现场总线通信系统模型。例如，基金会现场总线（FF）模型与ISO／OSI参考模型的对应关系如图1所示。
        图型的现场总线协议模型图1的中间一列所示，它采用ISO／OSI参考模型中的三个对应层，即物理层、链路层和应用层。考虑到现场总线通信的特点，将ISO／OSI参考模型中的3～6层简化为一个现场总线访问层。它是ISO／OSI参考模型的简化形式，既考虑到开放性系统的要求，又兼顾了控制系统的特点。
        基金会现场总线（FF）模型如图1的右侧一列所示。它采用了ISO／OSI参考模型中的三层：物理层、链路层和应用层，隐去了3～6层。其中物理层、链路层采用了IEC／ISA标准。应用层分别为两个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线报文规范子层FMS。FMS为系统的用户层提供通信服务。FMS提供不同类型的通信信道，称为虚拟通信关系VCR，FAS把VCR映射到底层网络，从而把用户的应用进程同网络技术的发展隔离开来。链路层、访问子层和报文规范子层的全部功能集成在一起称为通信栈（Communication Stack）。
1.1 物理层
        现场总线物理层是由物理介质的有关规定和传输数据的信号协议所构成。物理层使数据链路层在发送、接收数据时与物理介质的类型无关。物理层协议是有关于系统安装的一些规定。它规定了以下四个特性：机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
    机械特性：主要涉及到连接器的规格，以及连接器的安装。
    电气特性：规定传输线上数字信号的电压高低、传输距离和传输速率等；
    功能特性：定义连接器内容插脚的功能；
    过程特性：规定了信号的时序关系，以便正确地发送、接收数据。
    物理介质可以是IEC物理层技术规范中所规定的任何一种传输介质。例如双绞线、光缆和射频。物理层又可以分成物理介质相关子层与物理介质独立子层。[page]
1.2 数据链路层
        现场总线数据链路层（DLL）位于物理层与总线访问子层之间，它为系统管理内核和总线访问子层之间，它为系统管理内核和总线访问子层访问物理层提供服务。为了对现场总线上的各类链路传输活动进行控制，需要在数据链路层上附加协议控制信息。现场总线通信中的链路活动调度、数据接收与发送、链路活动控测与响应、链路时间同步都是通过数据链路层实现的。通过链路活动调度器（LAS）可以对传输介质进行周期和非周期两种访问。
        在功能上，DLL可以分成两层，访问总线和控制数据链路的数据传输。
1.3 应用层
        应用层直接为客户服务，提供适用于应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务。开放系统相互连接的管理包括初始化、维护、终止和记录某些数据所需的功能，这些数据与为在应用进程间传送数据而建立的链接有关。现场总线应用层主要组成部分包括：应用进程、应用进程对象、应用实体和应用服务元素等。应用层主要提供通信功能、特殊功能以及管理控制功能。现场总线访问子层（FAS）提供发布者／接收者、客户／服务器和报告分发三种服务，现场总线报文子层（FMS）则提供对象字典服务、变量访问服务和事件服务。

应用网关工作原理如下：
    1) 控制系统设备配置信息地获取及数据地采集与控制
    数据在现场总线上传输时，通过现场总线协议栈将设备信息及数据进行打包，然后送往监控层的监控机。在监控机上，将从底层现场总线上采集到的设备信息及数据进行解压，为计算机上的应用程序提供可视的访问接口。
    2) 设备信息组态
    监控层监控机在采集数据的同时，将采集到的设备数据信息经过现场组态，提供友好的人机交互式图形界面，实时动态地显示底层设备信息，以供监控人员实时监测及控制设备运行状况。
    3) 数据的存储和处理
       在监控机上，对设备信息进行组态的同时，通过TCP／IP协议与Intranet上的数据库服务器建立连接，将采集到的数据信息实时送往数据库服务器上数据库中保存。为Intranet上客户端的信息浏览提供数据服务。
数据通过此网关，在现场总线与企业Intranet之间进行有序流动，从而实现控制网络与信息网络之间的数据交互和信息共享。
四、现场总线控制网络与电厂信息网络集成的方法
4.1 加入转换接口
       在现场总线网络和电厂信息网之间加入转换接口是通过硬件实现的，即在底层控制网络与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换，从而实现现场总线智能设备与企业网中监控计算机之间的数据通信。
       转换接口的集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用TCP／IP的以太网，而TCP／IP没有考虑数据传输的实时性，当现场设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。
4.2 DDE技术
       当控制网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用DDE方式实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信息网络中的工作站。其中运行两个程序，一个接收、校验实时信息的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据信息；另一个是数据访问应用程序接口，供信息网络实现信息处理、统计分析等功能。
       DDE方式具有较强的实时性，而且比较容易实现，可以采用标准的Windows技术。但是涉及到复杂的协议转换时，DDE方式的软件费用较大。因此这种方式适合配置于小系统。
       从现场总线与以太网互联的系统结构可以看出，监控机既是现场总线控制系统的上位机，又是以太网的一个工作站，成为连接现场总线与以太网的桥梁，这是控制网络与以太网互联与其他异构网络互联的不同之处。因此，可以通过DDE方法来实现应用程序间数据交换。从而实现数据在现场总线与电厂信息网之间的有序流动。
从现场总线控制网络与电厂信息系统集成的体系结构及其集成原理的角度出发，可以将两者的集成分为两部分考虑，即现场总线设备层与监控层之间的信息集成以及监控层与企业Intranet之间的集成。
       现场总线设备层与现场总线监控层之间的信息集成采用工控机／现场总线结构，运行串行通信技术，来实现监控机与底层现场总线网络之间的数据通信。当监控机接收到现场总线上的数据后，将其送往实时数据库中保存，这些数据除了设备运行参数外，还包括现场总线上设备的基本情况，如设备名称，设备序列号、设备状态等信息。因此，在数据库的设计过程中应加以考虑。
五、现场总线监控层与Intranet之间的信息集成
       通过监控层将现场实时监控系统的各种数据信息送入Intranet，集中到Web数据库中，通过Web服务器，将相应的数据传递给客户端的Web浏鉴器。同时，在用户浏览器上，可以改变底层设备的运行参数，通过Web服务器，将此信息送入Web数据库，通过与监控层的信息交互，将此参数通过高级控制模块或智能设备中的简单控制模块对某一个现场智能设备进行控制，从而改变底层设备运行工况。

     在监控层，监控机既是现场总线控制网络的一个节点，同时又是Intranet上的一个节点，起到联结现场总线网络与Inteanet上的一个节点，起到联结现场总线网络与Intranet的桥梁作用。它作为现场总线与电厂信息网络之间数据传输的一个中间系统，对接收到的数据进行存储和转发，从事实现信息在现场总线和Intranet之间的共享。
六、结束语
        可以预见的是现场总线必将在电厂得到越来越多的应用，而电厂的信息化、网络化建设也将是大势所趋，将这两者集成起来将会更大程度的发挥它们的优势。现场总线系统与电厂的局域网的连接是可行的，因此在今后的电厂信息化建设的过程中可以考虑将这两个系统连接起来，从而实现数字化电厂的建设目标。