城市供热监控系统的数据通信与数据管理.docx
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城市供热监控系统的数据通信与数据管理
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章前言1
1.1课题背景1
1.2课题研究的目的和意义1
1.3国内外集散系统发展概况和趋势2
1.3.1供水系统的发展概况2
1.3.2集散系统中使用的组态软件5
1.4主要研究内容及重点9
第二章集散控制系统的功能、原理与研究10
2.1集散系统介绍与分析10
2.1.1集散系统的定义及特点10
2.1.2集散系统的构成及工作原理10
2.1.3集散系统的软件12
2.2OSI模型13
2.2.1OSI模型13
2.2.2OSI模型体系结构14
2.3TCP/IP体系结构16
2.3.1TCP/IP分层模型16
2.3.2传输层协议17
2.3.3CP和UDP协议的比较18
第三章集散控制系统的功能、原理与研究20
3.1技术方案概括20
3.2热源厂数据通讯解决方案21
3.2.1HC900控制器简介21
3.2.2HC900控制器通讯端口22
3.2.3ModbusTCP/IP协议22
3.3远程换热站数据通讯解决方案23
第四章数据管理27
4.1iFix软件27
4.2建立系统数据库28
4.2.1对控制器进行组态28
4.2.2对数据库中的点组态29
4.3监控中心人机界面29
4.3.1人机界面设计思想29
4.3.2人机界面的实现方案30
第五章总结与展望33
5.1总结33
5.2展望33
参考文献35
致谢37
城市供热监控系统的数据通信与数据管理
摘要
随着计算机技术及自动化技术的飞速发展，供热系统自动化已开始取代传统的模式。
对老旧锅炉改造，改原有的单纯仪表控制为以计算机为核心的控制、新建锅炉房引入微机控制等是近年来一些中小城市急需解决的问题。
论文讨论了用于城市供热的集散控制系统，以一个改造项目为例，详细给出了实时系统与信息系统的集成方案及软件的实现。
论文的第一个研究重点是如何解决数据通信的问题，文中对集散系统中的工业网络做了介绍，着重描述了工业网络的原理，在分析了现场实际情况的基础上确立了该项目的解决方案。
第二个研究重点是如何对数据进行管理。
传统的工控软件由于其设计的不开放性，功能扩展不强，限制了其更新速度。
论文利用了当前比较流行的软件技术，在提高工控软件的模块化、人性化方面做了研究，同时给出了人机界面的详细设计方案。
论文中所研究的集成方案，采用了intellution公司的iFIX软件作为上位机软件，Honeywell公司的HCDesigner作为控制器的组态工具，达到了最佳性价比。
此项目的完成对促进组态软件的国产化，加速我们国家的集散控制系统研究具有重要的意义。
关键词：
集散控制系统以太网TCP/IP协议组态软件人机界面
CommunicationandDataManagementInUrbanHeatingControlSystem
ABSTRACT
Alongwithcomputertechnologyandautomationtechnologyrapiddevelopment,thedistributecontrolsystemofheatinghasstartedtosubstituteforthetraditionalpattern.Itisanurgentproblemforthemediumandsmallcitytotransformtheobsoleteboilerandreplacethemeasuringinstrumentwiththecomputer.
Inthispaper,thereisaintroductiontocontrolsystembasedonEthernetwhichisusedforheatingboiler.Itgivesadetaildescriptionaboutsystemintegrateandsoftwaredesign.
Thefirstresearchfocusesonhowtosolvetheproblemofdatacommunication.Inthepaper,theindustrialnetworkwasintroduced,withemphasisondescribingtheprincipleoftheindustrialnetwork.Theprojectsolutionisestablishedafteranalyzingtheindustrialfieldsituation.
Thesecondresearchcontentisdatamanagement.Duetothedesignopenness,theexpandfunctionnotstrongly;thetraditionalcontrolsoftwarehaslimiteditsrenewalspeed.Researcheshavebeendonetoimprovethemodularizationandhumanizationofindustrycontrolsoftwarebymakinguseofpopularsoftwaretechnologies.Atlastitgivesadetaileddesignproposalabouthuman-machineinterface.
Accordingtointegrateviewpoint,theintellutionCorporation'siFixsoftwareisusedinmonitoringsystemandHoneywellCorporation'sHCDesignerisusedincontrollerconfiguration,ithasachievedthebestperformancepriceratio.
ThecompletionofthisprojectisimportanttothenationalizationoftheconfigurationsoftwareandacceleratestheDCSdevelopment.
KEYWORDS:
DistributeControlSystem（DCS）,Ethernet,TCP/IPProtocol,ConfigurationSoftware,HumanMachineInterface
第一章前言
1.1课题背景
本课题研究的是河北省石家庄市城市供热管网的自动控制及数据管理系统的设计与实现。
该系统是为适应今后集中供热的发展和计量供热的需要，由河北省铁岭市供热管理部门及主要供热企业提出的建设项目。
多年来，石家庄市十分重视城市集中供热的发展，并通过艰苦的探索和实践，取得了令人瞩目的成绩。
因此，无论是集中供热的发展速度和规模，还是供热改革的力度和成效，石家庄已经成为我国城市集中供热的先进城市。
同时，这也为改善和提高城市居民生活质量、为提高城市服务与载体功能和改善城市投资环境做出了突出贡献。
尽管石家庄城市集中供热已经取得了长足发展，但确实也存在一些不容忽视的问题，集中表现为：
单位供热面积投资成本高而效益低；供热能耗高而供热质量差；在冬季供热对环境的污染严重。
分析和研究石家庄集中供热的现状和存在的问题，现行供热体制及供热技术存在的缺陷是实现供热节能、保证集中供热持续发展的主要障碍。
由于不能充分调动供热和用热方的节能积极性，现行供热体制（包括供热收费制度）已经成为集中供热发展的桎梏。
由于供热技术和管理水平没有实现质的飞跃，也就导致供热系统效率低、能耗高、污染严重。
客观地讲，供热体制的改革和完善是集中供热发展的保障，而供热技术和管理水平的提高是集中供热发展的基础条件。
所以，重视和提高供热系统的科技含量，广泛采用先进的节能、环保和自动化控制技术，已经成为提高供热技术水平的主要途径。
现代电子信息技术和自动化控制技术的发展，也为改造包括供热行业在内的我国传统产业，提升其技术和管理水平提供了有效手段。
1.2课题研究的目的和意义
众所周知，集中供热是重要的城市基础建设之一，也是城市现代化水平的重要标志。
大力发展集中供热对改善和提高城市居民人民生活质量，实现国家“节约能源，保护环境”的可持续发展战略目标具有十分重要意义。
在我国北方城市，冬季采暖已经逐步管网化，随着计算机技术及自动化技术的飞速发展，供热系统自动化已开始取代传统的模式。
对老旧锅炉改造，改原有的单纯仪表控制为以计算机为核心的控制、新建锅炉房引入微机控制等是近年来一些中小城市急需解决的问题。
该项目旨在通过采用先进的电子信息和自动化控制技术，收集热源厂、热力输配管网及换热站的供热信息，实现集中监视、综合分析和统一调度之目的，并在提高供热技术水平的同时，为供热系统的现代化管理提供手段。
该项目的基本实现方式是通过建立热源厂和相关换热站达到向周边居民住户和工矿企业输送热能的目的，管网的供热环节采用集散系统控制，它是自动控制、计算机网络及数据通信、微型计算机软件、硬件、数据库、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。
使用工业计算机结合仪表进行控制可以提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，改善劳动条件，因此普及供热行业自动化是一件具有深远意义的工作。
1.3国内外集散系统发展概况和趋势
1.3.1供水系统的发展概况
随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展和壮大，对自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析性和可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求,同时也为工业自动化过程控制系统的发展指明了方向。
自控领域的发展是伴随整个集散控制领域的发展过程的。
集散控制系统虽然经历了几个阶段的发展过程，但其系统硬件结构始终保留着集中管理（包括工程师站、操作员站）、分散监视控制和网络通信三大部分，并以实现分散控制和集中管理功能为目标。
网络的标准化促进了集散控制系统的开放性。
网络技术这几年有了突飞猛进的发展，集散控制系统的对内对外通信技术也在迅速发展，原有专用网络被废除，系统内部的控制站和操作站均采用令牌环网、以太网或FDDI网络产品。
因此集散控制系统产品只要符合这些标准，就可以互相交换信息，也就是说它们在这个层次上具备了开放性。
1．工业网络长期争论的根源[2]
将计算机网络技术的应用分为三大领域，即邮电通信网络（TelecommunicationNetwork）、计算机网络通信（ITNetwork）、以及用于工业自动化控制系统的工业控制网络（IndustrialControlNetwork）。
在上述各个应用领域，计算机网络技术根据用户需求都发展得十分迅速。
近10多年来由于Ethernet和Internet网络技术的迅猛发展，促使用于邮电通信的网络正在与IT信息网络“合二为一”。
Ethernet从最初的10Mb/s以太网，过渡到100Mb/s快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网和光纤以太网。
可以说，开放的Ethernet是多年来发展最成功的网络技术。
同时，随着TCP/IP协议的广泛使用，使网络互连技术发展到了一个新阶段，Internet成为全球最具影响力的计算机互联网，向用户和服务开放的EthernetTCP/IP协议基本上成为事实上的统一规范。
然而，工业自动化领域的工业控制网络进展却比较缓慢。
这是因为工业自动化控制系统特别强调其可靠性、安全性和实时性，因而用于测量和控制的数据通信不同于以传递信息为主要目标的邮电通信，也不同于一般IT技术的计算机网络通信，工业控制网络传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的。
工业控制网络的实时性和通信的确定性要求比较苛刻，响应时间通常为0.01～0.1s。
为此，从事工业控制网络开发和生产的供应商一直认为办公自动化用的IT网络不适用于工厂自动化，必须制定工业控制系统用的网络通信协议，并研制具有专用权的工业控制网络（ProprietaryNetwork）。
因此，凡是大的工业自动化系统公司都制定专用的工业通信网络协议，各大公司的工业控制网络相互之间很难兼容，这种情况从客观上保护了供应商的投资利益，但大大增加了用户的投资成本，并严重阻碍了工业控制网络技术的发展。
正是在这种背景下，出现了多种现场总线并存的局面，尽管国际电工委员会十分重视现场总线标准的制定，争取在新一代控制系统中取得基本统一，但由于涉及到市场利益的冲突，遇到了来自各大公司的阻力，最终没有能够完成预定目标。
经过了长达15年之久的制定工作，有10种类型总线成为国际电工委员会IEC61158现场总线技术标准，现场总线的争论也到此告一段落。
由此可见，工业控制网络由于过分强调了工业自动化控制的特殊性，忽视了与信息技术的结合，没有能充分采用信息网络最新技术中适用于工业控制系统的
技术成果，因而导致工业控制网络未能与信息网络同步发展。
2．信息技术全面进入工业自动化系统微电子、计算机网络与信息技术的融合，首先完成了办公环境的革命。
随后，信息技术，如以个人PC为基础的共存标准、OPC接口技术、互联网技术及其工具（如HTTP和XML等）、以及电子商务技术等都以快速和更新的势头迅速发展，同时开始向各个领域急速渗透。
最近几年，随着关键技术的突破，信息技术全面进入工业自动化领域，当现场总线大战硝烟正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网却悄悄地进入了控制领域，工业自动化系统的各个层面都会受到IT技术的冲击。
“网络就是控制”的理念已经越来越被用户所接受，传统的基于RS485、CAN等总线的各种集散控制系统，由于其固有的缺陷，正在被基于TCP/IP协议的工业以太网所取代，近来以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。
究其原因，是由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面展，其中，通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。
另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。
应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。
过去一直认为，作为信息技术基础的Ethernet是为IT领域应用而开发的，在工业自动化领域只能得到有限应用。
为促进Ethernet在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会（IndustrialEthernetAssociation，IEA），并与美国ARCAdvisoryGroup、AMPResearch研究中心和GartnerGroup等机构合作开展工业以太网关键技术的研究。
为使网络在无间断工业应用领域中极端恶劣条件下能稳定地工作，美国SynergeticMicroSystem公司和德国Hirschmann公司专门开发和生产导轨式收发器、集线器和交换机系列，他们安装在标准DIN导轨上，并有冗余电源供电；接插件采用牢固的DB-9结构。
WoodheadConnectivity公司以研制成特殊封装的工业以太网接插件RJ-LnxxIP67，能与RJ-45商用接插件和其他工业以太网产品一起使用。
美国NETSilicon公司研制的工业以太网通信接口芯片，每片价格已降至10美元左右，与各种现场总线芯片相比，具有极大价格优势。
当今时代，工业以太网总线和现在普遍使用的局域网是一致的，它采用统一的TCP/IP协议，避免的不同协议间通讯不了的困扰，它可以直接和局域网的计算机互连而不要额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享，它可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件，它可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，它特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM，GPRS无线电话网实现远程数据采集，它采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。
工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及，现在已经有大量的配套产品在使用中。
如工业以太网HUB，工业以太网防火墙，工业以太网关，以太网转RS232/RS485设备，以太网A/D模块，以太网D/A模块，以太网AI模块，以太网AO模块，以太网DI模块，以太网DO模块及复合功能模块。
鉴于工业以太网的快速发展和关键问题的突破，工业以太网技术在加快推广应用，使用哪种工业以太网协议规范作为标准提到了议事日程。
在工业控制领域，以太网技术的发展不可能脱离原来的DCS、PLC和FCS控制与管理系统基础，各国的工业自动化系统公司为了保护已有的投资利益和扩大自己产品的应用范围，纷纷提出工业以太网技术方案。
目前，工业以太网协议主要有四个主要竞争者：
Modbus/TCP（ModbusprotocolonTCP/IP）工业以太网、Ethernet/IP（theControlNet/DeviceNetobjectsinTCP/IP）工业以太网、FoundationFieldbusHSE（HighSpeedEthernet）工业以太网和PROFInet（ProfibusonEthernet）工业以太网。
近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新增长点。
显而易见，在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。
特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备，将大大提高工作人员的工作效率和精确性。
1.3.2集散系统中使用的组态软件
目前的集散系统多采用组态软件[4]，是一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。
目前世界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件/系统厂商生产和提供各种组态软件产品。
组态软件产品大约在20世纪80年代中期在国外出现，在中国也已有将近10年的历史。
早在20世纪80年代末90年代初，有些国外的组态软件，如ONSPEC、PARAGON等就开始进入中国市场。
但组态软件在中国确确实实经历了一段相当困难的时期。
一开始，人们对此产品处于不认识、不了解阶段，项目中没有组态软件预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机编程开发，而不采用组态软件。
当时让用户接受和采纳组态软件，需要做大量的工作。
另一方面，由于早期进口的组态软件价格都偏高，一般的中国用户在观念和承受能力上还较难接受，客观上制约了这个市场的发展。
组态软件市场在中国开始有较快的增长大约始于1995年底至1996年。
随着中国改革开放的深入，人们对软件的观念有了重大改观。
早些年组态软件的应用推广工作已打下一定的基础，业内人士已认识到组态软件的重要性并接受它而不再热衷于在项目中搞低层次的编程开发。
自动控制系统要上等级，对上位监控组态软件的市场需求增加，一些组态软件的生产商和供货商亦逐步加大了在中国市场的推广力度，并在价格方面作出了政策性调整。
加之微软32位Windows95和NT的推出，为组态软件提供了一个更适宜的操作系统平台，使各生产供应商随后跟进的32位组态软件产品的性能指标和功能进一步加强。
所有这些因素的综合，给组态软件在中国的市场带来了新的生机。
从那时起，更多的项目中正式有了组态软件的专项预算，各种相关设计方案和招投标书中也都出现了单列的组态软件栏目，越来越多的专业销售商和系统集成商加入了这个市场。
现在组态软件已在中国市场确立了其应有的地位，并逐步进入了上升期。
目前，系统控制策略组态软件主要是针对FCS系统、DCS系统和PLC系统的。
根据系统实现及其规模大小，组态软件的实现形式各不相同，但从功能上划分均可归纳为针对控制系统的物理组态和逻辑组态两个大部分。
物理组态主要是对系统组成的软件配置，包括对现场设备及其功能块的选取等一些涉及系统组成的配置过程；逻辑组态则主要是对控制系统运行所采用的控制策略的规划和设计，包括对现场设备中各功能块的选取、连接、参数设定和通信配置，系统变量设置、读写等方面的工作。
逻辑组态是一个系统控制策略程序的编写过程。
随着IEC61131-3标准[5]在PLC系统组态软件应用中的逐步推广，国内外的一些DCS系统生产厂家也开始注意到该国际标准对DCS系统组态软件标准化的意义，陆续将IEC61131-3标准应用于其DCS系统的组态软件。
多种软件开发平台并存的现状决定了组态软件在设计风格上大相径庭，软件开发设计人员的思维模式、编程习惯甚至审美观念的不同则进一步加剧了这种差别的程度。
同时，由于没有一个针对组态软件设计方面的规范，造成了对同一种功能的实现方法上也都各有其侧重点，在组态功能的实现上各有短长。
例如，Smar公司SYSTEM302系统的SYSCON软件可以同时实现FCS系统的物理组态和逻辑组态双重功能，但其提供给用户的组态语言仅有FBD一种，且不符合IEC规范，在HMI的设计上也是简单粗糙，功能少；法国施耐德电气公司TSXQuantumPLC系统的组态软件Concept，虽然在逻辑组态的编程语言上实现了IEC61131-3规范的全部5种语言，各组态器功能较为完善，操作简便，但其策略组态的对象是PLC系统，且不支持多PLC系统协同控制的网络化分布式模式，没有物理组态功能，在HMI设计上缺乏系统整体的视觉效果，使用户对所从事组态工作容易产生混乱；ABB公司的Freelance2000具有丰富的算法库，所涵盖的控制范围较全面，但在GUI的设计上有很大的欠缺，HMI的设计有较多的不合理成分，组态操作复杂，造成用户工作效率不高；中科院沈阳自动化所针对其自主研制的控制系统SIACon设计开发的组态软件，在以上几个方面都有所改进，在目前国内外的FCS策略组态软件的研制开发上处于前列。
目前中国市场上的组态软件产品按厂商划分大致可以分为三类，即国外专业软件厂商提供的产品，国外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发的国产化产品。
国外专业软件公司的组态软件产品目前占据着一部分中国市场，主要产品包括：
1.美国Wonderware公司的InTouchInTouch是率先推出的16位Windows环境下的组态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。
InTouch在中国采用代理制，1995年底变换代理后，在中国市场推出了低价小软件包，并结合较强的广告宣传攻势，产生了很大影响，销售量上升较快。
InTouch软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较弱。
其I/O硬件驱动丰富，只是采用DDE连接方式，实时性较差；另外，驱动程序须单独购
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