1、分布式自动化接口（ IDA）分布式自动化接口(IDA)李海燕,杨佃福(清华大学自动化系,北京 looos4)前沿技术摘要】 对 IDA 作一个整体的概述,并且从体系结构,通信,网络服务结构等方面对它的技术实现作介绍.最后从个人视角分析了 IDA 技术的一些优缺点,同时对其应用前景作出预测.关键词】分布式自动化接口;现场总线;体系结构;通信;Web 技术中图分类号】II336文献标识码】A文章编号】1000-7059(2003)04-(KD1?04LIHaiyah,YANGDian-fu(Department0fAutomation,rsingIll 岫 Univemity,iIlg100084
2、,China)AbsI 曩田ct:AnoverviewofIDA.inchdingitsarchitecture,communicationandwebservicesarchitectureiSdiscussed.TheauIllorsgiveanindividualanalysis011themeritsandlimitationsofIDA.andprognosticateitsapplicationperspective.Keywords:IDA;fieldbus;architecture;communication;Web-technologies0 概述现场总线的出现,为工业自动化
3、带来了一场深层次的革命.但是,多年的工程实践使传统现场总线的低速率,高成本,多标准,难以实现水平方向和垂直方向的信息集成等种种缺点逐渐暴露出来,让人们感到头痛不已.与此同时,在采用全双工和交换技术克服了非确定性的缺点并且开发出适应于工业环境的硬件之后.以太网进军工业控制领域的步伐由于障碍的清除而越发变得势不可挡,现场总线在控制领域中的地位受到前所未有的威胁.面对以太网的步步紧逼,各家现场总线迅速作出反应,试图在保护已有技术和投资的条件下拓宽自己的生存空间.他们采取的方法是将现场总线和以太网技术整合在一起,形成新的技术和产品.这种做法的实质是借助以太网的外衣包裹现场总线的骨架,只能对控制系统的性
4、能作些边缘性的提高.与此相反,也有人提出要彻底抛弃已有的现场总线,在以太网上建立一个全新的实时通信用户层 uJ,从而构建以 Ethemet 为基础的全新的控制网络,以真正实现企业网络各个层面之间信息的无缝集成.这是将以太网用于工业控制的一个自然而大胆的思路,典型代表是:分布式自动化接口II)A.IDA 是一组公司(SchneiderFJectric,AGE,hInotocJetterKukaLenzePhoenixContactTRISick)联合他们在以太网和互联网方面的市场和技术力量所共同开发出来的分布式智能体系结构22.IDA 开发组希望完成一个真正独立于厂商的开放标准.这些公司联合开发
5、的结果将作为标准来公布,并免费提供技术说明和源代码范例.IDA 的最大特点是可以实现基于分布式智能的水平和垂直集成.分布式智能指的是,分布式的设备,工具和应用软件的行为看起来像是一个虚拟的中央应用程序,因此可在任意时间,任意地点访问 IDA 环境中的对象和数据.所有的数据驻留在虚拟的中央数据池里.水平集成是指在多个收稿日期2002-09-05; 修改稿收到日期2003.18作者简介 李海燕 0979-),女,广东河源人,硕士研究生,主要研究现场总线与控制网络.冶金自动化加略年第 4 期分布式自动化接口(IDA)厂家的设备和应用程序之间进行对象(如属性,方法,事件)的连接.这一点对于在制造商已经
6、做定的设备里执行固定功能的对象和由程序员自己定义,编程实现的对象同样适用.以太网,TCP/IP 和能进行实时通信的协议(IDA 开发的 RealTimePubhsh/Subscribe 协议)一起构成通信的平台.垂直集成指的是可从 Intranet 和ntemet 访问任何一个设备,工具乃至应用程序,反过来亦然.这其中当然包括对中央数据库的访问.这样的访问通常是通过嵌入到设备中的网络服务器来实现的.rI和以太网标准将用于垂直集成.1 技术实现 L3JIDA 涉及的技术领域大约有 4 大块,分别是:体系结构,通信,网络服务结构,安全.独具特色的是前 3 部分内容,现作简单的介绍,关于安全方面可参
7、阅 IDA 的技术说明,本文不加赘述.1.1 体系结构在当前大多数的工业自动化解决方案中,采取的是以 PLC,PC 等需要独立编程的中央控制单元为核心的控制系统.在这种控制结构中,需要编制庞大的控制程序,这不仅使得工程花费巨大,而且也造成控制方案的可重用性差.为有效地削减巨额的工程花费,并使控制方案适应柔性生产的需求,一种全新的软件设计方法基于分布式对象相互作用的新型技术被引进到控制系统的软件设计当中.所谓分布式对象,指的是C 目前正在开发的新标准C61499 中定义的功能模块.在工业系统中,功能模块指的是鲁棒性好,可重用的软件组件,它允许把工业算法封装成一般人能理解并且应用的形式.IEC61
8、499 定义了一个通用的独立于实施的模型和方法去描述功能模块的格式.系统设计者可以将运行在不同过程资源上的功能模块在逻辑上连接起来,从而构成一个分布式控制系统,这样就大大减少了系统开发的编程工作和工程花费4l.在c61499 的基础上 ,IDA 抛弃了以中央控制单元为核心的传统系统模型,而定义了一个高层次的系统模型,作为一个统一的工程设计模型,同时也是运行期模型,管理自动化功能在智能设备之间的分布,从而提供一种模块化,分布式并且可重用(分布式智能的典型特性)的自动化解决方案的组织结构.IDA 的高层系统模型架构在以下 5 个主要技?2?术支柱上:1)工程模型 .包括了机器/车间模型以及应用模型
9、和工程组件之间的关系.它描述了一个自动化应用系统是怎样创建的,需要满足什么需求以及单个元素之间的关系.2)应用模型 .在 IEC61499 定义的参考体系结构的基础上描述了模块化应用的结构和基本元素.它允许将一个自动化应用系统划分成任意结构的不同层次平面,因此对一个特定任务的任意单个功能进行最优化的细节设计成为可能.3)表示模型 .描述了应用模型的元素的外部行为,以及怎样组合这些元素使它们组成一个完整的自动化方案.所有模型元素为一个已定义的结构提供端口,使这些元素能够相互连接组成完整的网络.4)过程模型 .定义了应用模型的元素的行为,以及它们与相关过程之间的联系.IDA 定义应用模型的程序的逻
10、辑层次独立于设备的物理层次.而过程模型则描述了应用模型的元素与实施之间的映射关系,以此在逻辑和物理之间建立连接.5)人机模型 .包括一个统一的,基于浏览器的操作员界面,用于显示,操作和诊断.通常,一个 IDA 系统包括工程设计和运行期两部分,如图 1 所示.工程设计匦豆圈运行期图 1IDA 系统结构工程设计是通过将 IDA 工程设计对象组织起来提供一个应用系统解决方案.IDA 工程设计架构则定义了如何将这些对象组织起来并且协同工作的技术规则.在此过程中,工程模型的作用是分布式自动化接口【IDA)RTPS 协议完全构建在工业标准的 UDP/IP 协议上,提供 3 种实时通信模式:Publish/
11、Subscribe,ReliablePublish/Subscribe 以及 Client/Server.本文仅对第 1 种模式作简单介绍.图 3 例示了基于 Publish/Subscribe 模式的一个通信过程.图中,两个 Publisher 代表 RTPS 通信的数据发布端,它们分别负责将两个局部变量(数据对象)的值发布到网络上,应用程序简单地将变量命名为“pressure“和“temp“. 每个变量的每个值称为一个 Issue.在 RTPS 中,任何一个 Publisher 都不用知道数据接收者的数量,具体位置以及数据传输的具体细节.Subscriber 代表 RTPS 通信的数据接收
12、端.当一个被发布的变量值(Issue) 发生改变时,中间件自动向相应的 Subscriber 发出通报,通知它们将最新的 Issue 取走.与 Publisher 相似,每个 Subscriber 同样不需要知道这些数据是从哪里来的,而只要将它们感兴趣的数据的主题(例如pressure 和 temp)配置好即可.所有的数据传输细节由 IDA 中间件负责,它将借助最佳的通信机制,使用正确的速率,保证质量和优先级,将数据从Publisher 端送到 Subscriber 端,并且利用 Publisher和 Subscriber 的参数设置 ,控制整个系统的数据流,保证数据质量.图 3 基于 Pub
13、lish/模式的通信过程1.3 网络服务结构如图 4 所示,IDA 的每个设备都可以通过以太网进行连接和通信,而且集线器,交换机,路由器等现有的以太网通信设备可以使用在网络中任何一个需要的地方.以标准的网络浏览器作为用户接口界面是IDA 网络服务体系结构中一个突出的特点.用户使用浏览器即可对设备进行远程管理,维护,并且实现对过程信息的监控.这与专用人机界面软件相比,大大减少了开发和培训成本.因此,从一个网络终端用户的角度看,IDA 无论是网络结构还是?4接口界面都与以太网殊无分别.IDA 采用网页向用户提供可视化内容,这就要通过使用嵌入式的网络服务器去访问数据和提供服务来实现.IDA 推荐的服
14、务器端的数据访问机制有:远程过程调用,通用网关接口,开放协议(例如 SNMP,用于对 IDA 管理信息数据库的数据进行访问)以及 IDA 的私有协议 NDDS 等.图 4IDA 网络服务结构2 对 IDA 的一些个人看法应当说,IDA 以崭新的思路为人们架起了一种全新的分布式智能体系结构.这种体系结构抛弃了已有的现场总线而完全依托于以太网和嵌入式Intemet 技术,使得整个控制网络的所有层面都使用单一的一套协议.它具有真正的开放性和互操作性,有望成为未来工厂自动化的一个全新的技术平台,也很可能会是“以太网一网到底 “的最终解决方案.但是,IDA 的一些缺点也是显而易见的.首先,这一技术标准的
15、提出或许过早,以致超越了控制系统的现实发展阶段.且不说 IEC61499 还正处于起步阶段仅仅是对控制系统软件的模块化,对象化做了一些初步的定义和说明,而尚未进行实质性的开发工作(例如建立起一个实用的功能模块库),就是“ 每个 IDA 设备都必须嵌入一个webServer这一点就足以让当前的工业控制系统望而却步毕竟现场中的智能设备还只是少数,就更不用提基于嵌入式 Intemet 的 IDA 设备了.其次,使用 Web 技术提供服务也有一些局限性.例如,在目前的技术条件下,通过防火墙,路由器的时间和网络的负载是不确定的,因此应当(下转第 33 页)大型预焙铝电解槽檀膛内形模拟计算表 2 槽膛内形
16、参数计算值与测试值对照表从表 2 数据中可以看出,计算得到槽膛内形参数分别为:伸腿长度为 11.4cm,伸腿高度为5.2cm,槽帮厚度 16.0em;而相应测试值取平均值后分别为:11.2cm,6.6cIn 和 15.9cm.计算值与测试值相比,偏差在 2cm 以内,槽帮的厚度和伸腿的长度与测试值吻合较好.根据计算得到的槽膛内形结果,对电解槽阴极部分温度分布进行了计算,如图 4 所示.4 结论本文建立了一个青铜峡铝厂 200kA 大型预焙铝电解槽二维电热模型,使用有限元法,对槽膛内形进行了仿真计算,其结果与在青铜峡铝厂 200kA 铝电解槽上的实测值吻合较好.槽膛内形仿真结果为电解槽热平衡计算
17、提供了正确的电热模型.同时在电解槽设计时,通过建立计算机仿真模型,预先正确模拟出电解槽槽膛内形,据此可以修改电解槽内衬设计,从而为优化电解槽设计提供了很好的仿真工具.图 420okA 预焙槽阴极部分温度分布图【参考文献1梅炽,游旺 ,王前普,等.铝电解槽槽膛内形在线显示仿真软件的研究与开发J.中南工业大学(自然科学版),1997,28(2):138.141.2游旺,王前普 ,李欣峰,等.铝电解槽膛内形在线动态仿真理论研究J.中国有色金属,1998,8(4):695.699.3梁芳慧,冯乃祥 ,孙阳.利用槽膛形状的计算机仿真技术确定 160kA 预焙槽最佳铝液高度J.轻金属,200o,(1):3
18、3.36.【4MDIlis.ComnutionofaluminumIedIlctioellenergybalanceus-SANSYSfiniteelementmodehA.LightMetalsC.American:TMS,1998.409-417.编辑: 徐玉生夺?孛?夺?争?夺? 夺? 夺?夺?夺?夺? 寺-?夺?争? 夺?争?夺? 争?夺? 夺?夺?夺? 夺?夺?寺-?夺 ?争 ?夺?夺? 夺? 夺(上接第 4 页)尽量避免从 Intemet 和 Intranet 上访问实时数据.实时服务的提供范围应当局限于现场级控制网络内,非实时服务如参数配置,历史数据监控等则不受此限制.再者,在
19、IDA 的网络体系结构中,现场级网络比以往的任何系统结构都更加容易受到来自 Intemet 的攻击,因此,网络安全也是 IDA 应当慎重考虑的一个因素.当然,对于飞速发展的计算机和网络技术而言,没有什么困难是技术上不可克服的,一些在现阶段看来还过于超前的构想也终究会成为现实.因此,可套用一句老话对 IDA 作一个前瞻性的总结,即前景是光明的,但道路是曲折的.冶金自动化 20 帕年第 4 期参考文献1范铠.现场总线技术在国内的应用情况J.自动化博览,2001,18(4):1-5.2Agroup.IDAwhiteID12el“IEvioll1.0口 0L.hnp:/www.ida-group.org.2001-04.【3IDAgroup.IDAarehiteetme(Ie 鲫 andspeci6caliVII-si1.0 【EB/0L.hnp:/www.idwgroup.org,2001-11.【4】RWlewis.ModelingdistributedcontrolsystemsusingIEC61499lclJonblodmEll/OL.hnp:/www.seareheng.co.uk/selecfion/conI/tech.him.编辑:初秀兰?33?
