基于IAP的工业控制系统远程组态及监控平台的设计

贾庚午 陈新楚,2

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116； 2.福建省工业控制信息安全技术企业重点实验室，福州 350008）

随着计算机技术和网络技术等新技术的不断涌现和快速发展，整个社会开始发生划时代的变革[1]。而工业控制组态软件自20 世纪80年代问世以来，其发展却相对缓慢。现在人们对于工业控制领域智能化和网络化的要求也越来越高，很多跨国企业例如西门子、ABB 等都试图表明其工业控制系统具有开放性和网络化特性，但由于缺乏统一标准，使得它们的产品虽然采用了先进的控制组态技术，但都局限于在局域网范围内实现，并没有形成基于互联网的应用，导致控制资源难以共享，在时空限制方面具有极大弊端[2]。

而物联网、云平台等新技术的出现和应用，为工业控制系统的远程组态和监控的实现提供了技术支持[3]。本文在中海创集团自主研发的IAP（工业自动化通用技术平台）的研究基础上，设计一套工业控制系统的远程组态及监控平台，试图通过对该平台的研究，为工业控制系统控制组态和监控功能向互联网领域的拓展提供一条新的路径，从而实现工业控制与信息技术的融合。同时，本文也为在下一阶段中，建设工业控制系统的云端服务体系创造条件。

1 远程平台设计原理

本文所设计的远程组态及监控平台，其主要实现的功能是：将工业控制系统的应用范围从局域网环境扩展到更为广阔的互联网环境，实现工业控制系统良好的远程交互体验。通过互联网，工业用户可以更加充分的利用远程平台中的信息资源，对控制系统的开发、组态和维护等过程进行远程仿真应用，从而减少实际项目调度的工作量并控制风险，同时降低差错率，提高控制算法的效率与优化程度。

在此远程平台中，为实现上述目标而采用的综合策略为：首先针对远程平台在互联网环境下可能面临的问题，设计适应互联网环境的远程平台新架构。在远程平台新架构的基础上，充分利用在局域网中已成熟应用的IAP，通过对IAP 组态数据和监控数据通信过程（局域网条件下）的研究，对IAP在远程平台中的通信方案重新设计，并把相关软件进行相应的改进。最终成功设计出一套基于IAP 的工业控制系统远程组态及监控平台，实现控制资源的远程共享。

本文之所以采用IAP 作为远程组态及监控平台的基础，是因为与传统DCS 系统相比，IAP 通过采用数据引擎技术和数据建模技术[4]，不仅可以兼容不同厂家的PLC、IPC 设备，还可以运行统一的控制组态软件，从而实现控制策略的跨平台运行[5]。因此，在IAP 的基础上对远程平台进行研究和开发，对于解决在工业控制系统与信息技术融合过程中，所存在的架构开放性问题具有先天优势，更加有利于解决工业控制系统当前局域网限制问题和标准不统一问题。

2 远程平台设计方案

2.1 远程平台架构设计

远程平台所运行的互联网环境，与局域网环境相比，最大的不同是互联网环境的复杂性：在互联网环境下，数据通信过程变得更加复杂，数据的实时响应性能以及数据的完整性、安全性都值得探讨。在远程平台中，通信对象是在网络中通信的组态数据和监控数据。因此对于远程平台来说，首先需要设计合理的系统架构，使远程平台在互联网环境中进行远程操作时能很好地应对和解决，可能产生的一些问题。在此基础上，再根据远程平台的架构对IAP 原有软件进行升级和适配，从而建立起工业控制系统的远程组态及监控平台。为了对远程平台中的数据进行有效的管理和控制，远程平台采用了三层体系架构的设计方案[6]：三层架构分别为数据访问层、交互逻辑层和用户应用层，如图1所示。

图1 远程平台架构示意图

由图1可以看出，用户应用层处于整个远程平台的末端，作为远程平台与用户之间的衔接环节，该层由用户直接进行操作[7]，用户应用层主要实现控制系统设计与仿真的用户终端功能：互联网中的远程用户通过用户应用层发出协调仿真、远程控制和动态重构等请求。这些请求会被传输给处于用户应用层上层的交互逻辑层；同时在接收到交互逻辑层的反馈数据之后，用户应用层会把用户请求所对应的反馈数据呈现在用户的终端界面上。在用户应用层中所运行软件为控制策略组态软件IAPlogic 和人机界面组态软件IAPview。

交互逻辑层是远程平台架构设计的核心层，负责用户应用层和数据访问层所有的数据传输，交互逻辑层在平台数据交换过程中起到了承上启下的作用：一方面，交互逻辑层与用户应用层建立起交互关联，通过互联网将用户的请求传送给数据访问层；另一方面，交互逻辑层与数据访问层进行对接，数据访问层将用户请求的反馈数据通过互联网返回给用户，实现远程用户和互联网终端数据的交互和处理。交互逻辑层通过采用进程间数据通信技术，可以实现用户应用层、数据访问层的解藕，使得远程平台的结构更为清晰，分工更加明确，且利于远程平台的后期维护和升级。交互逻辑层所运行软件为人机界面服务器端远程通信软件VRemoteServer 和人机界面用户端远程通信软件VRemoteClient，以及控制组态远程通信软件 IAPlogicNetService 和IAPlogicNetClient。

数据访问层位于整个架构的最顶层，主要用于实现控制系统设计与选型、控制系统建模与组态、仿真运行、工况管理以及先进控制策略研究等控制系统设计与仿真运行功能。数据访问层通过交互逻辑层接收来自用户协调仿真、远程控制、动态重构等请求，然后根据这些请求通过局域网实现对服务器资源的远程访问，并将服务器资源所反馈的数据再经交互逻辑层传输给远端的互联网用户，这样就构成了一套完整的控制系统回路，实现了工业控制系统的远程组态及监控。主要运行软件为数据中心管理软件IAPdata 和系统结构组态软件IAPplant。

2.2 远程平台通信方案设计

远程平台通信方案主要解决的是在互联网的复杂环境下，数据访问层和用户应用层如何通过交互逻辑层进行数据交互的问题。远程平台的通信方案建立在远程平台三层架构的基础上，是通过对IAP数据通信过程（局域网条件下）的研究，并针对互联网环境进行改进和适配得到的。因此，在设计远程平台通信方案时，首先需要对IAP 在局域网中的数据通信进行分析，通过分析组态数据和信息交互通信的具体数据通信过程，探索出远程平台架构的改变对其产生的影响[8]。IAP 在局域网中数据的通信过程如图2所示。

图2 IAP 局域网通信过程示意图

如图2所示，在局域网中IAP 的数据通信是通过对共享内存的使用完成的。首先，IAP 在局域网中建立起socket 连接，通过socket 连接将逻辑组态软件和人机界面组态软件所需数据的数据类型及操作请求提交给共享内存，然后数据中心以及系统结构组态软件根据共享内存中的信息进行解析，并将计算结果通过共享内存传回给逻辑组态软件和人机界面组态软件，整个过程是通过socket 连接对共享内存的操作完成的。

互联网的复杂环境中，为了使远程平台稳定运行，且具有良好的可扩展性和可维护性[9]，交互逻辑层采用专门通信软件VRemote 和IAPlogicNet，并在用户应用层增加共享内存。交互逻辑层中的通信软件所建立连接方式为http 连接，与局域网所应用的socket 连接相比，数据对接更便捷，容错性更强。远程平台的通信过程如图3所示，远程组态软件所需数据的数据类型及操作请求首先传送给用户应用层的共享内存。并通过交互逻辑层所建立的http 连接传输给数据访问层的共享内存，然后交由数据中心和系统结构组态软件对数据进行解析。计算结果在传输到数据访问层的共享内存后，再通过交互逻辑层所建立的http 连接，依次传输到用户应用层的共享内存和远程组态软件中，实现组态数据在互联网中的远程通信[10]。

图3 远程平台互联网通信过程示意图

3 远程平台建立及运行分析

3.1 远程平台的建立

远程平台由服务器端、客户端和互联网三个部分组成，服务器端和客户端分别拥有独立的PC 处理器。其中，服务器PC 端运行数据中心管理软件IAPdata 和系统结构组态软件IAPplant，以及远程通信软件VRemoteServer、IAPlogicNetService。其主要作用是将局域网中的控制站数据与外部互联网中的客户端进行数据交互，对远程监控和组态数据进行运算，并将运算结果传输给远程的客户端，从而实现远程控制。客户PC 端运行控制策略组态软件IAPlogic 和人机界面组态软件IAPview，以及远程通信软件VRemoteClient、IAPlogicNetClient。其主要作用是接收来自服务器端的远程监控命令和组态数据，方便工程人员进行通过人机界面进行操作。

3.2 远程平台的运行分析

在对服务器端的实验测试机及客户端实验测试机配置不同网段IP 以及相应的端口信息之后，经过验证可以连通互联网。即可运行测试工程对远程控制平台进行实验测试。操作步骤如下：①运行服务器PC 端的系统结构组态软件IAPplant 和数据中心管理软件 IAPdata，以及相应的远程通信软件VRemoteServer、IAPlogicNetService；②运行PC 端控制策略组态软件IAPlogic 和人机界面组态软件IAPview，VRemoteClient 和 IAPlogicNetClient； ③在控制策略组态软件IAPlogic 和人机界面组态软件IAPview 中对远程工程进行下载和运行操作，如图4、图5所示。

图4 操作流程示意图

图5 远程工程界面打开示意图

3.3 远程平台的延时测试

工业控制领域对设备监控的实时性要求一般在10s 左右，互联网作为数据传输网络，进行数据远程传输本身就需要一定时间，且互联网是公共网络，难免存在数据“堵塞”现象，因此必须对利用互联网进行数据传输造成的延迟时间进行测试，确保系统可以满足工业控制的实时性要求。

数据传输是在服务器端和客户端之间进行，因此需要使用远程工程IAPDEMO 进行测试，服务器PC 端和客户PC 端之间通过不同网段IP 的互联网相连接，其中服务器PC 端的IP 为222.79.57.197，客户PC 端的IP 为202.101.149.29。测试工程中具有记录数据的发送时间和接收时间的功能，即测试延迟时间。具体的测试结果见表1。

表1 远程平台传输延迟测试表

除了以上3 次测试之外，还进行了多次随机测试，结果基本与以上结论相同，即尽管偶发数据接收不均匀的情况，但是数据传输延迟时间基本在3s之内。此延迟时间基本可以满足实际使用要求。

4 结论

本文依托IAP，设计了一套工业控制系统远程平台。通过该平台可以实现对工程的远程组态监控和控制，实现了控制资源的远程共享，使得工业控制系统的自动化程度和灵活性大大提高，并且平台具有高一体性、易于维护和易于后期的扩展升级等特点。这种新型的远程监控和组态平台，在后续的开发和使用中可利用丰富的控制站资源，结合半实物仿真模式的架构形成一套具有充分产业化应用价值的控制系统。

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