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基于因特网的过程控制系统的设计和实现
基于互联网的过程控制系统的设计和实现
摘要：
互联网为过程系统的高水平控制赋予了巨大的潜力。
作为一个新的概念，基于互联网的过程控制在几年前就已经开始得到关注。
但是对于目标是形成一个基于网络的过程控制系统的系统的设计方法，迄今为止做的这些工作还是远远不够的。
本文研究了与互联网相关的基于互联网的过程控制的五个根本设计问题，他们分别是：
需求规格说明，架构选择，基于网络的界面设计，监督控制以及系统的安全性检查。
比如一个水槽控制系统是被用来证明我们设计方法是可行的。
独特的，图像反馈，基于文本的交流，和白板都被嵌入系统中并且被通信用户分享。
虚拟的监督参数控制克服了互联网流量引起的动态时间延误。
实验结果表明：
基于网络的水箱控制系统如果设计得当的话也可以产生与本地控制相同的现象。
1.引言：
在过去的十年中，网络发展最成功的地方就在于互联网已经发展成为为分布式协同工作服务的一个强大的工具。
新兴的互联网技术为我们提供了前所未有的互联能力和协同工作的分配方式，这些对于利用高水平程序系统的过程控制的工作方式来创造利益有着巨大的潜力。
（1）这些利益都包括：
能够远程监督和校正系统；
（2）能够使位于不同地点的系统技术管理员相互协作；（3）能够很容易的重新定位系统管理人员的实际位置来作为实际需要的响应。
系统工程师要求更好和更快的方法检索数据和对发生在在世界上任何地方和任何时间的系统波动作出反应。
作为可能是下一代控制系统的基础，基于网络过程控制的概念在最近几年被提出。
至今，大部分对于基于互联网的过程控制的研究已经引起的例如SunMicrosystems，Cyberonix，Foxboro以及Valmet的小规模的证明。
它们中的很多最后发展成为了JAVA。
此外，OPC技术（开放过程控制），OPC基金会（1998年）支持包含VisualStudio的XML的工作，使基于互联网的进程控制使用XML能够成为现实。
IntuitiveTechnologyCorp也为JAVA图形化控制台的实时反馈数据提供了一个名为web@aGlance的网络平台。
并且，Invensys公司目前正在与牛津大学工程科学部门合作来发展以网络为基础的控制装置。
一些企业也正在尝试生产基于网络的控制系统来作为控制装置。
在这个领域，一些来自于高等教育机构的研究人员为了实现远程教育这一目标，专注于开发基于网络的虚拟控制实验室。
他们允许远程用户在他们的控制工程实验室中通过互联网进行实验。
然而，对于这样一个基于网络的过程控制系统来说，在开发系统的设计方法或准则的设计方面做这些工作是远远不够的。
不幸的是，设计所使用的方法是对于以计算机为基础的控制系统来说的，但并不适合基于互联网的控制系统，因为他们没有考虑到互联网的环境问题，如：
网络堵塞，用户同时访问，基于网络的界面以及相关网站的安全造成的时间延迟。
例如，一个基于网络的控制系统不确定性的用户是谁，有多少用户以及他们的所在位置。
相反，对于一个系统负荷已经被确定的典型的分散控制系统（DCS）来说，基于网络的过程控制系统存在一个可变化的工作负荷。
一些现有的以互联网为基础的过程控制方案中讨论网络环境特点所造成的限制，如互联网传输时间延迟和用户隔离。
实际上，互联网时间延迟和多用户之间的协作是我们在设计基于网络的控制系统中必须要解决的两大问题。
本文旨在找到一个方法来为工艺装置设计基于互联网的控制系统，并在实验室中开发一个包含一个水箱的基于互联网的过程控制系统，并将它作为论证我们的设计方法和观察网络时间延迟，多个用户访问和交流技术的平台。
本文其余部分如下，基于网络的过程控制在第二部分予以说明，基于网络的过程控制的网络相关的特性所产生的需求规格，架构选择，基于网络的界面设计，监督控制，并发用户访问，系统安全检查这六个关键问题将在第三部分说明。
第四部分介绍了以网络为基础的水箱的过程控制系统的体系结构，包括其硬件结构和软件结构。
第五部分介绍该系统的实施和一些实验结果。
第六部分是结论部分。
2.基于计算机的过程控制与基于网络的过程控制的关系
以计算机为基础的控制已广泛应用于工业过程中。
其应用范围从独立的基于计算机的控制到本地计算机基于网络的控制，比如DCS系统。
图1.1：
联网的DCS
图2.1：
过程控制系统的层次结构和可能存在的与互联网的联系
图1展示了一个与互联网相连的DCS控制系统。
图2展示了一个典型的给予计算机的过程控制系统结构层次，图2的过程控制系统分为以下的几个等级层次：
工厂优化，监督，监管和保护。
全球数据库和数据处理工厂的电脑系统都处于尖端水平，蕴含了相当大的计算能力。
工艺数据库和监控位于第二层，其中许多先进的控制功能得到实施。
集散控制系统和过程与保护分别位于两个相对较低的层次。
建立以互联网为基础的过程控制系统的目标是在分级结构中添加一个额外的互联网级别去强化基于计算机的过程控制系统，而不是取代它。
额外的互联网等级应根据控制要求妥善放置在现有的过程控制系统的分级结构中。
图2展示了互联网和过程控制系统之间可能存在的联系。
额外的互联网级别可能与现有的过程控制系统通过工厂优化水平，监督水平或监管水平这一级相连。
因此，基于互联网的过程控制的范围被定义为过程控制体系中的互联网控制水平。
互联网的控制水平如图1，作为远程监测和控制站，通过无线网络和调制解调器与现场总线相连。
3.基于网络特性的设计问题及其解决办法
将互联网引入过程控制系统引进了许多新的功能，例如网络相关的的交通延误，基于网络的界面，用户的不确定性，多用户访问及与网站相关的安全等都应该在基于互联网的过程控制系统的设计中考虑到。
这些新的功能使得基于网络的过程控制系统的设计方法不同于基于计算机的过程控制系统，六个从过程控制系统的网络相关功能中产生的基本问题将在本节被研究，它们是：
规格需求，架构选择，基于网络的界面设计，对于带有网络时滞的因特网的控制，多用户同时访问和系统安全性检查。
3.1.需求规格
以互联网为基础的过程控制的具体要求是非常重要的，因为不同的需求可能会导致不同的控制结构。
当设计一个控制系统时，这是首先要考虑到的，这些规定应该只包括过程监测和控制目标，是通过现有的互联网水平可以完全达到的，并且所开发的系统也是仅限于现有的技术水平。
例如，应该避免有需要在确定时间内完成的任务，因为他们可能由于网络相关的交通延迟而无法实现。
规格需求的主要任务是发现和解决目标和系统中出现的相互矛盾或者不能完全实现的系统约束之间的权衡问题。
假设基于互联网的过程控制的可能需求仅仅是由可通过可实现的互联网的控制层次，工厂的全优化层次，监管层次和控制体系中的调整层次组成。
那么基于互联网的过程控制的具体要求的程序如下：
（1）将过程工厂的控制需求分解为工厂的全优化，监督和调整三个层次。
（2）进一步分解每个层次的控制需求，将其各自分解为互联网可实现和互联网不可实现两个部分。
（3）删除不必要或者无法实现的需求并且实现基于互联网的过程控制的最终需求。
3.2．结构选择
如图2显示，以互联网为基础的过程控制应该与过程控制层中的正确层次相连，以便有效地进行控制和完成对于上述制定的监控。
尽量减少互联网层次和已存在的控制层次之间的交流负载也是有必要的。
可能的架构可以根据上述指定的控制和监督需求以及像通信协议和数据交换机制这种硬件和软件工具来确定。
现在的问题是选择每个可能结构的优缺点是什么。
表格1说明的是每个可能的连接之间的简单的优缺点评价。
此表格作为一个向导被用于在互联网控制层和在过程控制体系中已存在的控制层之间作出选择。
例如表1所表明的，可编程逻辑控制器（PLC）可以通过用允许与互联网交流的传输控制协议或互联网协议（TCP/IP）直接与互联网连成一体。
然而，在大多数情况下，并不需要对一个控制器进行直接访问，并且它也是不可取的。
此外，过程车间和基于互联网的客户之间的信息交换可以通过例如关系数据库或者实时数据库这种公司系统来实现，并不是通过控制单元。
例如，公司系统出来的信息可以被封装在一个用JAVA语言编写的自描述对象中，并且密集高效的发送到客户的工作站，准备出版或者列入可用格式。
从系统架构的角度来说为了保证系统的鲁棒性，可靠性和可能出现的系统故障也应该被考虑到。
例如，在工厂的全优化层，主机电脑在造成较小后果的情况下可以安全的关闭几个小时甚至几天，如果在监控层或调整层与控制器相连的网络在连接失败几分钟后使车间停工也许是必要的。
3.3.网络用户界面设计
控制和信息技术的改进使操作者从一个控制回路中的关键因素转变为实现工厂监督和疑难解答这以功能。
基于互联网的过程控制就加快这种转换，并且这种加快的转换是自从许多常规控制被过程控制结构中的调整层中的基于计算机控制系统接管开始的。
在基于互联网的过程控制中基于网络的用户界面设计的主要目标是让操作者更迅速的适应过程车间的运行，并且提够一个除了主控制室外的模拟的解决问题的环境。
应该牢记的是，中央控制室外的互联网环境中跟中央控制室中的可用媒体相比是非常有限的。
“多媒体”和“实际存在”领域的技术在更好的发展用于过程控制技术的人机界面这一课题上有着巨大的潜力，不同的媒体可以比其他媒体更有效地传播某些类型的信息，因此，如果精心挑选可以改进操作性能。
对于不同的界面任务要选择其最好的媒体并且要尽量减少大量的无关信息是我们采取的两个指导方针，通过简化高度自动化流程的人机界面的设计原则。
人机界面任务可以根据操作目标被归纳成两种功能类型：
过程操作功能和过程监督功能。
用来说明当前进程情况的程序流程图，历史趋势显示和车间的可视信息是过程监督功能的三个元素。
控制器窗口显示的是过程操作功能的部分。
3.4.对于带有网络交通延迟的互联网的控制
3.4.1.网络时间延迟
过程车间和基于互联网的客户之间的信息交换不仅允许客户远程监控控制车间的情况并且能在质量和产量发生变化时立即得到反馈。
基于互联网的的过程控制其中的一个困难就是由于网络交通延迟所带来的动态延迟，罗和陈（2000）已经多次通过从每次他们自己的服务器向不同的远程服务器发送64字节的数据来测试网络的传递效率。
试验结果显示互联网潜在的包含了严重的和不确定的时间延迟。
图3.1基于互联网的过程控制系统
图3表示的是基于互联网的过程控制系统，完成一次操作周期的总的时间是t1+t2+t3+t4,这四种时间延迟分别产生于：
t1产生于是远程操作者作出控制决定时。
t2产生于远程操作者向本地系统发送控制指令时。
t3产生于本地系统的执行时间到实际执行控制行为之间。
t4产生于本地系统向远程操作者发送信息的时。
如果四个时间延迟都是恒定的，那么基于网络的控制就是恒定的，但不幸的是，罗和陈（2000）的实验中显示的结果并不是那样的。
网络时间延迟t2和t4是随着距离的远近变化的，并且时间延迟跟通过的节点数目有关。
并且时间延迟也严重的取决于网络负载。
在细节上，网络时间延迟可以通过节点的运行速度，节点的负载和宽带的连接速度，大量的信息，传输的速度等方面来描述。
在k时刻的网络时间延迟Td（k）可以被描述为:
其中
是第i次的连接长度，
c是光速，
是经过第i个节点时的路由速度，
是第i个节点的负载引起的滞后，M是数据量量，
表示宽带在i段的连接，
是独立时间周期，
是取决于时间的周期，因为周期
对于准确预测每个时刻的互联网时滞的建模是不合理的，因此，对于基于互联网的控制系统来说，选择一个对于时间延迟不敏感的控制体系结构是必要的。
3.4.2.虚拟监督参数控制
虚拟监督参数控制（VSPC）战略对于对时滞不敏感的基于网络的过程控制是一个实际可行的方法，如图4，详细的控制功能在本地控制系统中得到了实现。
图4.虚拟监督参数控制
基于网络的控制通过VSPC仅仅是在更新设定值和比例微分积分（PID）参数时需要发送给本地控制系统时被引用，新的设定值在下个周期中VSPC作为本地控制系统的输入直至收到下个设定的参数。
VSPC的一个优点就是可以对以前的控制系统中的设置进行保护，比如通过现有的DCS和PLC调度基于网络的通知系统，并且，VSPC提够了一个高的安全标准，因为本地控制系统是作为其冗余系统来工作的。
并且，它可能不会因为网络时间延迟而收到很大的影响，因为如图4所示网络时间延迟
和
在控制系统的闭合回路中被排除。
当VSPC无法满足规定的要求时，更广泛的控制功能应该通过基于网络的控制被共享。
例如，远程用户可以在局部控制计算机中引用一个基于模型的先进控制器。
在这种情况下，网络控制的输出水平可能是一个启动命令和/或基于模型的现金控制器几个初始条件。
只有VSPC在本文中得到执行。
在异常状态下维持现有的过程车间和本地控制系统的安全水平对于VSPC用于真正的车间来说是非常重要的。
真正的挑战是如何使远程的操作者能够知道发生了紧急情况和怎么去避免紧急控制功能受到网络时间延迟和网络系统中的异常情况的影响。
该VSPC运行在“安全比对不起要好”的安全模式，这就意味着如果车间中发生错误，本地控制系统或者网络控制系统，本地操作者有权设置VSPC的忽略所有远程传来的任何命令的模式。
3.5.多用户的访问
与传统的集散控制系统相比，基于互联网的控制系统的特别之处在于它是多用户的并且不确定用户是谁，有多少用户以及他们都在哪。
尽管集散控制系统允许多个操作者和/或者工程师同时操作，但是他们通常是坐在同一个操作室里。
因此，协调他们并不是真正的问题。
在基于互联网的控制系统中，操作者可能看不见并且不认识对方。
可能是多个用户同时试着去控制一个特定的过程变量。
如果授权的用户拥有相同的机会去充分控制整个过程，那么可能会产生一些问题。
假设用户1规定了控制器的设定值，然后将设定值通过VSPC发送到本地控制器，如果用户2在变量到达之前对于同一个变量规定了另外一个设定值，即使是在不合适的条件下，第二个设定值也会将第一个覆盖。
控制器的设定值就会从一个值波动到另一个值，因此，多个用户之间的协调就变得非常重要。
有些方法可以解决多用户之间的控制的冲突问题，并且协调他们的操作。
有三个步骤来处理多用户之间的同时访问：
·将用户分配为不同的优先次序，例如，由整数0-6来代表。
有高度优先权的用户可以立即编写可以由低一个级别的用户发出的指令，一般来说，最简单的方法来确定用户身份就是运用用户帐户，当用户登陆时，一个动态的身份（ID）将为用户生成。
用户发出控制指令时这个ID是一并发出的，所以服务器可以识别发出指令者，识别发出指令人的优先权，并且决定是否接受这个指令。
·当一个新的指令被接受，系统将被在一段时间内锁定并且拒绝接受同一级别或者低于此级别的其余用户的下一指令，时间是因情况而定的。
通常情况下，系统恒定时的时间可能被选择，因为它确保了在新的命令到达之前，以前的命令已经执行完成。
·在调整操作中只允许单一的用户操作系统，有两种典型的操作情况。
一种是调整作业，另一种是正常运行。
调整操作包括启动，关闭，紧急处理。
通常情况下，调整作业由高级工程师来操作。
在这种情况下，操作应该是连续的，独立的，并且不会被打断。
因此，只有单个用户可以享有命令服务，一直到用户退出登陆或者将操作权给其他用户，在这种情况下，其他用户只可以对操作进行监督。
3.6.系统安全检查
互联网带来的潜在的危害应该系统地被查出来并且建议应该为实现基于网络的控制系统的安全设计采取进一步的行动。
然而，这样就很难保证基于网络的控制系统的完整性，因为可能有攻击者通过互联网试图通过打开网络架构攻击网络而造成失败。
为了简便起见，我们假设可以通过例如防火墙和授权书等已存在的互联网安全方案安全的进入本地控制系统，因此，在这里只需要考虑在互联网控制层的远程用户所引起的安全问题。
最近，基于计算机控制车间的危险分析框架在我们最近的研究中被提出，它可以扩展以网络为基础的过程控制车间的安全性检查。
图5是一个基于网络的过程控制车间的被修改的过程控制实例图（PCED），在PCED中，互联网是一个功能层，引进网络客户端和处理功能层能够使人，控制系统以及过程影响可以被表现出来。
节点显示了控制系统中的实体。
弧的方向表示信号的传播方向或者具有因果关系的行为操作或结果。
图5.过程控制实例图
表2
图5说明了一个基于网络的远程操作者通过互联网（节点N1）向本地控制系统发出指令的程序。
本地控制系统从过程车间（节点N2）接收到了一个可测的信号并且在控制器准备好输出（节点N3）的情况下对过程车间（节点N4）实施一个控制行为，PCED包含的信息对于判断控制系统是否设计完备以至于车间不能出现危险状况是必要的。
表2说明的是图5中基于PCED可能存在的安全性分析结果.其中一种安全需求是过程变量无论在任何情况下都应该保持在一个合理的情况下。
可能的情况包括一个严重的网络流量时间滞后，多用户试图在同一个时间发送命令，或者发送的指令不适合当前情况。
此时采取的操作可以是满足安全需求的情况下的任何建议。
例如，在表2的第一行，节点一运用了“长时间延迟”这一方案，这就意味着网络操作者的控制指令送到本地控制系统是将会存在很大的延迟。
所建议的操作是对系统运用一个像VSPC对于时间延迟不敏感的控制结构。
因为VSPC从控制系统的内环排除了网络时间延迟并且受到时间延迟的影响小，因此运用VSPC可以接受“长时间延迟”。
同样，对节点一运用其他的方案，并将所有可能的方案运用到其他节点可以实现全面的安全分析结果。
4.测试平台的架构
为了说明我们上述介绍的设计方法，我们在过程控制实验室中选择一个水箱控制系统来实现和验证上述理论，水箱系统是一个安装在本地控制系统的教学平台。
在已存在的本地控制系统中加入额外的网络控制层。
由于本地控制系统的限制，与从车间的全优化层连接到网络并不能在测试平台上阐明。
在这一部分中，包括软硬件在内的系统的结构都是特定的。
4.1.硬件结构
图6.基于网络的控制系统的硬件结构
如图6所示，整个系统由五部分组成，这五部分分别是水箱，数据采集（DAQ）工具，网络服务器，网络摄像机以及一些包括移动用户在内的可以连接无线网络的网络客户端。
罐体通过手动控制阀控制入口的流量，通过一个连接管道和一个泵排空。
出口流量是通过服务器上的一个本地控制系统控制的，会将罐体的也为保持在一个理想值。
数据采集仪器是负责A/D,D/A转换的，它能够将液位传感器的模拟信号转换层数字信号，并且将阀门开度的数值转化为一个模拟值去操作阀门，罐体的本地控制系统位于服务器上。
服务器和数据采集器是通过有线遥感-232c串行电缆连接的。
通过运用串行电缆，实时数据在服务器和其他仪器之间被交换，网络摄像头与服务器相连，可以通过视频服务器为用户提供可视的信息。
由于网络摄像头是从是从数据采集卡中独立出来的，所以它可以被视为一个附加的传感器。
服务器提供标准的控制功能和网络服务，并将其作为视频的服务器，互联网服务的实施主要是以LABVIEWGserver为基础的。
这样做的主要原因是能够使用LABVIEW提供的可视设备（VI）通过网络进行交流，而且可以建立一个网络界面。
除了标准的互联网服务，该服务器还需要跟客户和本地控制器建立连接，使用网络浏览器，几个远程的用户可以同时监督和控制水箱。
4.2.软件结构
系统的软件可以被划分为两部分：
客户端和服务器端。
虽然客户端是作用于用户的，在服务器端并仅仅是网络服务器，而且还包括了控制和数据采集程序以达到实现控制任务的目的。
如图7所示，从功能的角度来说，客户端有控制和监督这两个部分，分别属于控制面板和监控面板，控制面板对用户的互动作出响应，用户可以用它来发出命令或者改变控制器的参数。
通过TCP协议，控制面板建立了与服务器的连接，除了向服务器发送信息，它也需要从服务器端接收信息。
如果有客户改变控制器的参数或者发出命令，服务器将会把改变发送给每个注册用户，控制面板处理这一信息是为了将这个改变同步化并指出控制器正常的情况。
监控面板提供了两种功能，显示动态图像和视频聊天。
动态图像由包括过程流程图和提供系统当前情况的信息的过程变量的动态趋势图形构成。
与普通网页不同的是，动态图像通常是由服务器根据系统的状态产生的，发送给用户，然后在一段时间后自动的更新。
它为用户提够了系统的实时信息。
为了实现上述功能，使用了服务驱动器。
服务驱动器的的基本原则是在信息变化的基础上发出信息，由服务器来监督而不是由客户发出请求。
这不仅加快了客户端的信息更新，也减少了服务器负载。
视频聊天系统的设计是为了监督设备和与多用户之间的多个渠道的沟通。
多用户之间可以通过发送消息或者共享白板来聊天。
图7基于网络的控制系统的软件部分
在服务器端，服务可以被分为两个部分：
命令服务和数据服务。
命令服务器处理传入的请求并且为控制器和数据服务器将收到的信息翻译成参数和命令。
它还想每个注册用户传播所收到的信息，以达到用户信息同步的目的。
此外，它还得处理多用户的情况，比如多用户同时访问。
数据服务的设计主要是为了根据用户的需求产生一个图像，并且将图像嵌入到一个HTML页面送到客户端。
数据用来生成从控制器获得的图像。
媒介在控制器和其他设备之间建立了一个桥梁，因为COM装置对于windows操作系统是最基本的，并且对于本地交流也非常的有效，所以选择COM交流装置用来支持控制器和媒介之间的信息交换。
尽管COM通信被认为是一个高速通信，但是媒介和设备之间的通信依然是是个低速进程。
因此，媒介的主要任务就是协调不同速度的元件。
控制器用来处理标准的自动设定值和手动控制。
5.系统投运
根据第三部分所讨论的设计问题，系统的需求可以被认为是需要通过互联网去控制水箱，所以互联网与本地控制器直接相连。
如图8-10所示，所设计的基于网络的用户界面通过使用标准网络浏览器被运行出来。
VSPC用来远程控制水箱以克服网络时间延迟，在系统投运期间应考虑多用户的问题。
多用户同时访问是可接受的，并且可以通过3.5.提出的策略来解决。
系统可以通过JAVA软件和可视化软件来完成投运。
可视化程序由以下三部分组成：
图8：
基于网络的用户界面：
控制面板和过程流程
图9：
基于网络的用户界面：
控制面板和动态趋势
图10：
基于网络的用户界面：
控制面板和视频聊天页面
上图分别表示人机界面，包含框图的相关程序，表示数据流量和子程序之间的图标连接器，总之，这三个要素是来自VI，VI是组成LABVIEW程序的最基本的程序。
如图7所示的动态图，通过运行G-server软件可以实现在线过程可视化，G-server是一个可以与服务器软件兼容的超文本传输协议，它使超文本标记语言（HTML）文件和VI在网上能够后定位在服务器上成为可能。
从而能够直接访问像图8和图9所示的那中包含在线过程监控的前面板。
正如第4.2节中提到的服务驱动器已经用在这里，用来提高客户信息的更新速度和减少服务器负载。
通过VIs形式执行TCP协议，编辑一个JAVA程序通过网络实现VSPC的远程控制。
为了使变化能够同步并且校正到控制器的正常情况，TCP让控制面板应付基于网络的用户说带来的变化。
图8-10说明远程用户界面被划分为两个部分。
左手边是控制面板，右手边是监控面板，控制面板是一个JAVA程序，网络用户通过可以发出指令或者改变控制器参数来控制水箱。
控制器的输出也将显示在控制面板上。
由于控制系统是在多用户同时访问，那么最新的信息就应该同时展示给所有的操作者，否则他们中的一部分将在信息过期的情况下作出决定。
因此，一旦其他的注册用户为了校正控制器改变了已有的信息，控制面板上的所有信息也应该立即更新。
控制面板在控制流图（图8），控制趋势图（图9），以及视频聊天面板（图10）之间转换。
图9中所示的动态趋势图显示了在设定值改变状态下的过程响应。
实验结果表明通过应用VSPC，基于网络的过程控制系统即使在有网络流量滞后的情况下也可以产生一个与本地控制系统类似的行为。
图10说明的是视频如何向远程用户提供过程的可视信息。
通过点击一个视频下面的通信按钮，文本聊天和白板和白板弹出的
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