互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)姓名：陳興文 學(xué)號(hào)：04083182摘要：互聯(lián)網(wǎng)為過(guò)程系統(tǒng)的高水平控制賦予了巨大的潛力。作為一個(gè)新的概念，基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制在幾年前就已經(jīng)開(kāi)始得到關(guān)注。但是對(duì)于目標(biāo)是形成一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，迄今為止做的這些工作還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文研究了與互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制的五個(gè)根本設(shè)計(jì)問(wèn)題，他們分別是：需求規(guī)格說(shuō)明，架構(gòu)選擇，基于網(wǎng)絡(luò)的界面設(shè)計(jì)，監(jiān)督控制以及系統(tǒng)的安全性檢查。比如一個(gè)水槽控制系統(tǒng)是被用來(lái)證明我們?cè)O(shè)計(jì)方法是可行的。獨(dú)特的，圖像反饋，基于文本的交流，和白板都被嵌入系統(tǒng)中并且被通信用戶(hù)分享。虛擬的監(jiān)督參數(shù)控制克服了互聯(lián)網(wǎng)流量引起的動(dòng)態(tài)時(shí)間延誤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于網(wǎng)絡(luò)的水箱控制系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑捯部梢援a(chǎn)生與本地控制相同的現(xiàn)象。1.引言：在過(guò)去的十年中，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展最成功的地方就在于互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為為分布式協(xié)同工作服務(wù)的一個(gè)強(qiáng)大的工具。新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為我們提供了前所未有的互聯(lián)能力和協(xié)同工作的分配方式，這些對(duì)于利用高水平程序系統(tǒng)的過(guò)程控制的工作方式來(lái)創(chuàng)造利益有著巨大的潛力。（1）這些利益都包括：能夠遠(yuǎn)程監(jiān)督和校正系統(tǒng)；（2）能夠使位于不同地點(diǎn)的系統(tǒng)技術(shù)管理員相互協(xié)作；（3）能夠很容易的重新定位系統(tǒng)管理人員的實(shí)際位置來(lái)作為實(shí)際需要的響應(yīng)。系統(tǒng)工程師要求更好和更快的方法檢索數(shù)據(jù)和對(duì)發(fā)生在在世界上任何地方和任何時(shí)間的系統(tǒng)波動(dòng)作出反應(yīng)。作為可能是下一代控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制的概念在最近幾年被提出。至今，大部分對(duì)于基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制的研究已經(jīng)引起的例如SunMicrosystems，Cyberonix,Foxboro以及Valmet的小規(guī)模的證明。它們中的很多最后發(fā)展成為了JAVA。此外，OPC技術(shù)（開(kāi)放過(guò)程控制），OPC基金會(huì)（1998年）支持包含VisualStudio的XML的工作，使基于互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程控制使用XML能夠成為現(xiàn)實(shí)。IntuitiveTechnologyCorp也為JAVA圖形化控制臺(tái)的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)提供了一個(gè)名為web@aGlance的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。并且，Invensys公司目前正在與牛津大學(xué)工程科學(xué)部門(mén)合作來(lái)發(fā)展以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的控制裝置。一些企業(yè)也正在嘗試生產(chǎn)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)來(lái)作為控制裝置。在這個(gè)領(lǐng)域，一些來(lái)自于高等教育機(jī)構(gòu)的研究人員為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育這一目標(biāo)，專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬控制實(shí)驗(yàn)室。他們?cè)试S遠(yuǎn)程用戶(hù)在他們的控制工程實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，對(duì)于這樣一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法或準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方面做這些工作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。不幸的是，設(shè)計(jì)所使用的方法是對(duì)于以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)的，但并不適合基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，因?yàn)樗麄儧](méi)有考慮到互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境問(wèn)題，如：網(wǎng)絡(luò)堵塞，用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)，基于網(wǎng)絡(luò)的界面以及相關(guān)網(wǎng)站的安全造成的時(shí)間延遲。例如，一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)不確定性的用戶(hù)是誰(shuí)，有多少用戶(hù)以及他們的所在位置。相反，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷已經(jīng)被確定的典型的分散控制系統(tǒng)（DCS）來(lái)說(shuō)，基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)存在一個(gè)可變化的工作負(fù)荷。一些現(xiàn)有的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過(guò)程控制方案中討論網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)所造成的限制，如互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)間延遲和用戶(hù)隔離。實(shí)際上，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間延遲和多用戶(hù)之間的協(xié)作是我們?cè)谠O(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中必須要解決的兩大問(wèn)題。本文旨在找到一個(gè)方法來(lái)為工藝裝置設(shè)計(jì)基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)一個(gè)包含一個(gè)水箱的基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)，并將它作為論證我們的設(shè)計(jì)方法和觀察網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲，多個(gè)用戶(hù)訪問(wèn)和交流技術(shù)的平臺(tái)。本文其余部分如下，基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制在第二部分予以說(shuō)明，基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的特性所產(chǎn)生的需求規(guī)格，架構(gòu)選擇，基于網(wǎng)絡(luò)的界面設(shè)計(jì)，監(jiān)督控制，并發(fā)用戶(hù)訪問(wèn)，系統(tǒng)安全檢查這六個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題將在第三部分說(shuō)明。第四部分介紹了以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的水箱的過(guò)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，包括其硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。第五部分介紹該系統(tǒng)的實(shí)施和一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第六部分是結(jié)論部分。2.基于計(jì)算機(jī)的過(guò)程控制與基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制的關(guān)系以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中。其應(yīng)用范圍從獨(dú)立的基于計(jì)算機(jī)的控制到本地計(jì)算機(jī)基于網(wǎng)絡(luò)的控制，比如DCS系統(tǒng)。Modem圖1.1：Modem圖1.1：聯(lián)網(wǎng)的DCSModernExtra]nt?raetlevelGlobal.DatabaseProc?SGDatabaseSetpaint2,Supervisacy:Extra]nt?raetlevelGlobal.DatabaseProc?SGDatabaseSetpaint2,Supervisacy:evclr^anitoringandSupetviwryMen祁的entControlOverallplantoptmi onlevHDynsminUnntrulRegulatoryLeve'圖2.1：過(guò)程控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和可能存在的與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系圖1展示了一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)相連的DCS控制系統(tǒng)。圖2展示了一個(gè)典型的給予計(jì)算機(jī)的過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次，圖2的過(guò)程控制系統(tǒng)分為以下的幾個(gè)等級(jí)層次：工廠優(yōu)化，監(jiān)督，監(jiān)管和保護(hù)。全球數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)處理工廠的電腦系統(tǒng)都處于尖端水平，蘊(yùn)含了相當(dāng)大的計(jì)算能力。工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控位于第二層，其中許多先進(jìn)的控制功能得到實(shí)施。集散控制系統(tǒng)和過(guò)程與保護(hù)分別位于兩個(gè)相對(duì)較低的層次。建立以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過(guò)程控制系統(tǒng)的目標(biāo)是在分級(jí)結(jié)構(gòu)中添加一個(gè)額外的互聯(lián)網(wǎng)級(jí)別去強(qiáng)化基于計(jì)算機(jī)的過(guò)程控制系統(tǒng)，而不是取代它。額外的互聯(lián)網(wǎng)等級(jí)應(yīng)根據(jù)控制要求妥善放置在現(xiàn)有的過(guò)程控制系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)中。圖2展示了互聯(lián)網(wǎng)和過(guò)程控制系統(tǒng)之間可能存在的聯(lián)系。額外的互聯(lián)網(wǎng)級(jí)別可能與現(xiàn)有的過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)工廠優(yōu)化水平，監(jiān)督水平或監(jiān)管水平這一級(jí)相連。因此，基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制的范圍被定義為過(guò)程控制體系中的互聯(lián)網(wǎng)控制水平?；ヂ?lián)網(wǎng)的控制水平如圖1，作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制站，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器與現(xiàn)場(chǎng)總線相連。3.基于網(wǎng)絡(luò)特性的設(shè)計(jì)問(wèn)題及其解決辦法將互聯(lián)網(wǎng)引入過(guò)程控制系統(tǒng)引進(jìn)了許多新的功能，例如網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的的交通延誤，基于網(wǎng)絡(luò)的界面，用戶(hù)的不確定性，多用戶(hù)訪問(wèn)及與網(wǎng)站相關(guān)的安全等都應(yīng)該在基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中考慮到。這些新的功能使得基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同于基于計(jì)算機(jī)的過(guò)程控制系統(tǒng)，六個(gè)從過(guò)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能中產(chǎn)生的基本問(wèn)題將在本節(jié)被研究，它們是：規(guī)格需求，架構(gòu)選擇，基于網(wǎng)絡(luò)的界面設(shè)計(jì)，對(duì)于帶有網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯的因特網(wǎng)的控制，多用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)和系統(tǒng)安全性檢查。3.1.需求規(guī)格以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過(guò)程控制的具體要求是非常重要的，因?yàn)椴煌男枨罂赡軙?huì)導(dǎo)致不同的控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，這是首先要考慮到的，這些規(guī)定應(yīng)該只包括過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制目標(biāo)，是通過(guò)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)水平可以完全達(dá)到的，并且所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)也是僅限于現(xiàn)有的技術(shù)水平。例如，應(yīng)該避免有需要在確定時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)，因?yàn)樗麄兛赡苡捎诰W(wǎng)絡(luò)相關(guān)的交通延遲而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。規(guī)格需求的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和解決目標(biāo)和系統(tǒng)中出現(xiàn)的相互矛盾或者不能完全實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)約束之間的權(quán)衡問(wèn)題。假設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制的可能需求僅僅是由可通過(guò)可實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)的控制層次，工廠的全優(yōu)化層次，監(jiān)管層次和控制體系中的調(diào)整層次組成。那么基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制的具體要求的程序如下：將過(guò)程工廠的控制需求分解為工廠的全優(yōu)化，監(jiān)督和調(diào)整三個(gè)層次。進(jìn)一步分解每個(gè)層次的控制需求，將其各自分解為互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)不可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分。刪除不必要或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)的需求并且實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制的最終需求。3.2.結(jié)構(gòu)選擇如圖2顯示，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的過(guò)程控制應(yīng)該與過(guò)程控制層中的正確層次相連，以便有效地進(jìn)行控制和完成對(duì)于上述制定的監(jiān)控。盡量減少互聯(lián)網(wǎng)層次和已存在的控制層次之間的交流負(fù)載也是有必要的?？赡艿募軜?gòu)可以根據(jù)上述指定的控制和監(jiān)督需求以及像通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交換機(jī)制這種硬件和軟件工具來(lái)確定?，F(xiàn)在的問(wèn)題是選擇每個(gè)可能結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是什么。Tjhk]ProsjnUicoixofpiissitikinksLlueInfumetLDElrdLtvi'lund.uunfny]teveKExdihnsii'i^trul.khi:LliiE'KrniaGiL'iACh溫出訕Pljnl-wiijeLi^liihi^h^iifcvdGlobalditihoeE^ily 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記的是，中央控制室外的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中跟中央控制室中的可用媒體相比是非常有限的。“多媒體”和“實(shí)際存在”領(lǐng)域的技術(shù)在更好的發(fā)展用于過(guò)程控制技術(shù)的人機(jī)界面這一課題上有著巨大的潛力，不同的媒體可以比其他媒體更有效地傳播某些類(lèi)型的信息，因此，如果精心挑選可以改進(jìn)操作性能。對(duì)于不同的界面任務(wù)要選擇其最好的媒體并且要盡量減少大量的無(wú)關(guān)信息是我們采取的兩個(gè)指導(dǎo)方針，通過(guò)簡(jiǎn)化高度自動(dòng)化流程的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則。人機(jī)界面任務(wù)可以根據(jù)操作目標(biāo)被歸納成兩種功能類(lèi)型：過(guò)程操作功能和過(guò)程監(jiān)督功能。用來(lái)說(shuō)明當(dāng)前進(jìn)程情況的程序流程圖，歷史趨勢(shì)顯小和車(chē)間的可視信息是過(guò)程監(jiān)督功能的三個(gè)元素。控制器窗口顯示的是過(guò)程操作功能的部分。3.4.對(duì)于帶有網(wǎng)絡(luò)交通延遲的互聯(lián)網(wǎng)的控制3.4.1.網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲過(guò)程車(chē)間和基于互聯(lián)網(wǎng)的客戶(hù)之間的信息交換不僅允許客戶(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控控制車(chē)間的情況并且能在質(zhì)量和產(chǎn)量發(fā)生變化時(shí)立即得到反饋?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的的過(guò)程控制其中的一個(gè)困難就是由于網(wǎng)絡(luò)交通延遲所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)延遲，羅和陳(2000)已經(jīng)多次通過(guò)從每次他們自己的服務(wù)器向不同的遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送64字節(jié)的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的傳遞效率。試驗(yàn)結(jié)果顯示互聯(lián)網(wǎng)潛在的包含了嚴(yán)重的和不確定的時(shí)間延遲。M日.地| ulfCWmM岳小拙時(shí)域# ftfJ7gFit.3Iliebkx：kdiagramHthem聞m#卜bci心cm■「說(shuō)圖3.1基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)圖3表示的是基于互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程控制系統(tǒng)，完成一次操作周期的總的時(shí)間是t1+t2+t3+t4,這四種時(shí)間延遲分別產(chǎn)生于：t1產(chǎn)生于是遠(yuǎn)程操作者作出控制決定時(shí)。

t2產(chǎn)生于遠(yuǎn)程操作者向本地系統(tǒng)發(fā)送控制指令時(shí)。t3產(chǎn)生于本地系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間到實(shí)際執(zhí)行控制行為之間。t4產(chǎn)生于本地系統(tǒng)向遠(yuǎn)程操作者發(fā)送信息的時(shí)。如果四個(gè)時(shí)間延遲都是恒定的，那么基于網(wǎng)絡(luò)的控制就是恒定的，但不幸的是，羅和陳(2000)的實(shí)驗(yàn)中顯示的結(jié)果并不是那樣的。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲t2和t4是隨著距離的遠(yuǎn)近變化的，并且時(shí)間延遲跟通過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目有關(guān)。并且時(shí)間延遲也嚴(yán)重的取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在細(xì)節(jié)上，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行速度，節(jié)點(diǎn)的負(fù)載和寬帶的連接速度，大量的信息，傳輸?shù)乃俣鹊确矫鎭?lái)描述。在k時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲Td(k)可以被描述為：其中l(wèi)是第i次的連接長(zhǎng)度，C是光速，"是經(jīng)過(guò)第i

i個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的路由速度，tL(k)是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載i引起的滯后，M是數(shù)據(jù)量量，b.表示寬帶在i段的連接，d是獨(dú)立時(shí)間周期，d(k)是取決于時(shí)間的周期，因?yàn)橹芷赿(k)對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每個(gè)時(shí)刻的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)滯的建模是不合理的，因此，對(duì)于基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，選擇一個(gè)對(duì)于時(shí)間延遲不敏感的控制體系結(jié)構(gòu)是必要的。3.4.2.虛擬監(jiān)督參數(shù)控制虛擬監(jiān)督參數(shù)控制(VSPC)戰(zhàn)略對(duì)于對(duì)時(shí)滯不敏感的基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制是一個(gè)實(shí)際可行的方法，如圖4,詳細(xì)的控制功能在本地控制系統(tǒng)中得到了實(shí)現(xiàn)。圖4.虛擬監(jiān)督參數(shù)控制基于網(wǎng)絡(luò)的控制通過(guò)VSPC僅僅是在更新設(shè)定值和比例微分積分(PID)參數(shù)時(shí)需要發(fā)送給本地控制系統(tǒng)時(shí)被引用，新的設(shè)定值在下個(gè)周期中VSPC作為本地控制系統(tǒng)的輸入直至收到下個(gè)設(shè)定的參數(shù)。VSPC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)以前的控制系統(tǒng)中的設(shè)置進(jìn)行保護(hù)，比如通過(guò)現(xiàn)有的DCS和PLC調(diào)度基于網(wǎng)絡(luò)的通知系統(tǒng)，并且，VSPC提夠了一個(gè)高的安全標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楸镜乜刂葡到y(tǒng)是作為其冗余系統(tǒng)來(lái)工作的。并且，它可能不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲而收到很大的影響，因?yàn)槿鐖D4所示網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲t和t在控制系統(tǒng)的閉合回路中被排除。當(dāng)VSPC無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)定的要求時(shí)，更廣泛的控制功能應(yīng)該通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的控制被共享。例如，遠(yuǎn)程用戶(hù)可以在局部控制計(jì)算機(jī)中引用一個(gè)基于模型的先進(jìn)控制器。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)控制的輸出水平可能是一個(gè)啟動(dòng)命令和/或基于模型的現(xiàn)金控制器幾個(gè)初始條件。只有VSPC在本文中得到執(zhí)行。在異常狀態(tài)下維持現(xiàn)有的過(guò)程車(chē)間和本地控制系統(tǒng)的安全水平對(duì)于VSPC用于真正的車(chē)間來(lái)說(shuō)是非常重要的。真正的挑戰(zhàn)是如何使遠(yuǎn)程的操作者能夠知道發(fā)生了緊急情況和怎么去避免緊急控制功能受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的異常情況的影響。該VSPC運(yùn)行在“安全比對(duì)不起要好”的安全模式，這就意味著如果車(chē)間中發(fā)生錯(cuò)誤，本地控制系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，本地操作者有權(quán)設(shè)置VSPC的忽略所有遠(yuǎn)程傳來(lái)的任何命令的模式。3.5.多用戶(hù)的訪問(wèn)與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相比，基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)的特別之處在于它是多用戶(hù)的并且不確定用戶(hù)是誰(shuí)，有多少用戶(hù)以及他們都在哪。盡管集散控制系統(tǒng)允許多個(gè)操作者和/或者工程師同時(shí)操作，但是他們通常是坐在同一個(gè)操作室里。因此，協(xié)調(diào)他們并不是真正的問(wèn)題。在基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，操作者可能看不見(jiàn)并且不認(rèn)識(shí)對(duì)方?？赡苁嵌鄠€(gè)用戶(hù)同時(shí)試著去控制一個(gè)特定的過(guò)程變量。如果授權(quán)的用戶(hù)擁有相同的機(jī)會(huì)去充分控制整個(gè)過(guò)程，那么可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。假設(shè)用戶(hù)1規(guī)定了控制器的設(shè)定值，然后將設(shè)定值通過(guò)VSPC發(fā)送到本地控制器，如果用戶(hù)2在變量到達(dá)之前對(duì)于同一個(gè)變量規(guī)定了另外一個(gè)設(shè)定值，即使是在不合適的條件下，第二個(gè)設(shè)定值也會(huì)將第一個(gè)覆蓋?？刂破鞯脑O(shè)定值就會(huì)從一個(gè)值波動(dòng)到另一個(gè)值，因此，多個(gè)用戶(hù)之間的協(xié)調(diào)就變得非常重要。有些方法可以解決多用戶(hù)之間的控制的沖突問(wèn)題，并且協(xié)調(diào)他們的操作。有三個(gè)步驟來(lái)處理多用戶(hù)之間的同時(shí)訪問(wèn)：將用戶(hù)分配為不同的優(yōu)先次序，例如，由整數(shù)0-6來(lái)代表。有高度優(yōu)先權(quán)的用戶(hù)可以立即編寫(xiě)可以由低一個(gè)級(jí)別的用戶(hù)發(fā)出的指令，一般來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定用戶(hù)身份就是運(yùn)用用戶(hù)帳戶(hù)，當(dāng)用戶(hù)登陸時(shí)，一個(gè)動(dòng)態(tài)的身份確定用戶(hù)身份就是運(yùn)用用戶(hù)帳戶(hù)，當(dāng)用戶(hù)登陸時(shí)，一個(gè)動(dòng)態(tài)的身份(ID)將為用戶(hù)生成。用戶(hù)發(fā)出控制指令時(shí)這個(gè)ID是一并發(fā)出的，所以服務(wù)器可以識(shí)別發(fā)出指令者，識(shí)別發(fā)出指令人的優(yōu)先權(quán)，并且決定是否接受這個(gè)指令。?當(dāng)一個(gè)新的指令被接受，系統(tǒng)將被在一段時(shí)間內(nèi)鎖定并且拒絕接受同一級(jí)別或者低于此級(jí)別的其余用戶(hù)的下一指令，時(shí)間是因情況而定的。通常情況下，系統(tǒng)恒定時(shí)的時(shí)間可能被選擇，因?yàn)樗_保了在新的命令到達(dá)之前，以前的命令已經(jīng)執(zhí)?在調(diào)整操作中只允許單一的用戶(hù)操作系統(tǒng)，有兩種典型的操作情況。一種是調(diào)整作業(yè)，另一種是正常運(yùn)行。調(diào)整操作包括啟動(dòng)，關(guān)閉，緊急處理。通常情況下，調(diào)整作業(yè)由高級(jí)工程師來(lái)操作。在這種情況下，操作應(yīng)該是連續(xù)的，獨(dú)立的，并且不會(huì)被打斷。因此，只有單個(gè)用戶(hù)可以享有命令服務(wù)，一直到用戶(hù)退出登陸或者將操作權(quán)給其他用戶(hù)，在這種情況下，其他用戶(hù)只可以對(duì)操作進(jìn)行監(jiān)督。3.6.系統(tǒng)安全檢查互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的潛在的危害應(yīng)該系統(tǒng)地被查出來(lái)并且建議應(yīng)該為實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)采取進(jìn)一步的行動(dòng)。然而，這行完成。 樣就很難保證基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的完整性，因?yàn)榭赡苡泄粽咄ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)試圖通過(guò)打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)攻擊網(wǎng)絡(luò)而造成失敗。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們假設(shè)可以通過(guò)例如防火墻和授權(quán)書(shū)等已存在的互聯(lián)網(wǎng)安全方案安全的進(jìn)入本地控制系統(tǒng)，因此，在這里只需要考慮在互聯(lián)網(wǎng)控制層的遠(yuǎn)程用戶(hù)所引起的安全問(wèn)題。最近，基于計(jì)算機(jī)控制車(chē)間的危險(xiǎn)分析框架在我們最近的研究中被提出，它可以擴(kuò)展以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的過(guò)程控制車(chē)間的安全性檢查。圖5是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制車(chē)間的被修改的過(guò)程控制實(shí)例圖（PCED），在PCED中，互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)功能層，引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端和處理功能層能夠使人，控制系統(tǒng)以及過(guò)程影響可以被表現(xiàn)出來(lái)。節(jié)點(diǎn)顯示了控制系統(tǒng)中的實(shí)體?；〉姆较虮硎拘盘?hào)的傳播方向或者具有因果關(guān)系的行為操作或結(jié)果。本地控制系統(tǒng)發(fā)出指令的程序。本地控制系統(tǒng)從過(guò)程車(chē)間本地控制系統(tǒng)發(fā)出指令的程序。本地控制系統(tǒng)從過(guò)程車(chē)間（節(jié)圖5.過(guò)程控制實(shí)例圖Table2TheanalystsresultsbasedonthePCEDNodeinPCEDScenarioSafetyrequirementActionN1LongtimedelayNotsatisfiedUseatimedelayinsensitivecontrolstructurelikeVSPCN1CommenderrorNotsatisfiedCheckthecommendsuitabilityN1UserconflictSatisfiedConcurrentuseraccessstrategyisenough表2圖5說(shuō)明了一個(gè)

基于網(wǎng)絡(luò)的

遠(yuǎn)程操作者

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)

（節(jié)點(diǎn)N1）向

點(diǎn)N2）接收到了一個(gè)可測(cè)的信號(hào)并且在控制器準(zhǔn)備好輸出（節(jié)點(diǎn)N3）的情況下對(duì)過(guò)程車(chē)間點(diǎn)N2）接收到了一個(gè)可測(cè)的信號(hào)并且在控制器準(zhǔn)備好輸出（節(jié)點(diǎn)N3）的情況下對(duì)過(guò)程車(chē)間（節(jié)點(diǎn)N4）實(shí)施一個(gè)控制行為，PCED包含的信息對(duì)于判斷控制系統(tǒng)是否設(shè)計(jì)完備以至于車(chē)間不能出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況是必要的。表2說(shuō)明的是圖5中基于PCED可能存在的安全性分析結(jié)果.其中一種安全需求是過(guò)程變量無(wú)論在任何情況下都應(yīng)該保持在一個(gè)合理的情況下。可能的情況包括一遲”。同樣，對(duì)節(jié)點(diǎn)一運(yùn)用其他的方案，并將所有可能的方案運(yùn)用到其他節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)全面的安全分析結(jié)果。構(gòu)。因?yàn)閂SPC從控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)排除了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲并且受到時(shí)間延遲的影響小，因此運(yùn)用VSPC可以接受“長(zhǎng)時(shí)間延遲”。同樣，對(duì)節(jié)點(diǎn)一運(yùn)用其他的方案，并將所有可能的方案運(yùn)用到其他節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)全面的安全分析結(jié)果。測(cè)試平臺(tái)的架構(gòu)為了說(shuō)明我們上述介紹的設(shè)計(jì)方法，我們?cè)谶^(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室中選擇一個(gè)水箱控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證上述理論，水箱系統(tǒng)是一個(gè)安裝在本地控制系統(tǒng)的教學(xué)平臺(tái)。在已存在的本地控制系統(tǒng)中加入額外的網(wǎng)絡(luò)控制層。由于本地控制系統(tǒng)的限制，與從車(chē)間的全優(yōu)化層連接到網(wǎng)絡(luò)并不能在測(cè)試平臺(tái)上闡明。在這一部分中，包括軟硬件在內(nèi)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都是特定的。4.1.硬件結(jié)構(gòu)器，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以及一些包括移動(dòng)用戶(hù)在內(nèi)的可以連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端。罐體通器，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以及一些包括移動(dòng)用戶(hù)在內(nèi)的可以連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端。罐體通圖6.基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，整個(gè)系統(tǒng)由五部分組成，這五部分分別是水箱，數(shù)據(jù)采集(DAQ)工具，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)過(guò)手動(dòng)控制閥控制入口的流量，通過(guò)一個(gè)連接管道和一個(gè)泵排空。出口流量是通過(guò)服務(wù)器上的一個(gè)本地控制系統(tǒng)控制的，會(huì)將罐體的也為保持在一個(gè)理想值。數(shù)據(jù)采集儀器是負(fù)責(zé)A/D,D/A轉(zhuǎn)換的，它能夠?qū)⒁何粋鞲衅鞯哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換層數(shù)字信號(hào)，并且將閥門(mén)開(kāi)度的數(shù)值轉(zhuǎn)化為一個(gè)模擬值去操作閥門(mén)，罐體的本地控制系統(tǒng)位于服務(wù)器上。服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集器是通過(guò)有線遙感-232c串行電纜連接的。通過(guò)運(yùn)用串行電纜，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在服務(wù)器和其他儀器之間被交換，網(wǎng)絡(luò)攝像頭與服務(wù)器相連，可以通過(guò)視頻服務(wù)器為用戶(hù)提供可視的信息。由于網(wǎng)絡(luò)攝像頭是從是從數(shù)據(jù)采集卡中獨(dú)立出來(lái)的，所以它可以被視為一個(gè)附加的傳感器。服務(wù)器提供標(biāo)準(zhǔn)的控制功能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并將其作為視頻的服務(wù)器，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的實(shí)施主要是以LABVIEWGserver為基礎(chǔ)的。這樣做的主要原因是能夠使用LABVIEW提供的可視設(shè)備(VI)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流，而且可以建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)界面。除了標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，該服務(wù)器還需要跟客戶(hù)和本地控制器建立連接，使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，幾個(gè)遠(yuǎn)程的用戶(hù)可以同時(shí)監(jiān)督和控制水箱。4.2.軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的軟件可以被劃分為兩部分：客戶(hù)端和服務(wù)器端。雖然客戶(hù)端是作用于用戶(hù)的，在服務(wù)器端并僅僅是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，而且還包括了控制和數(shù)據(jù)采集程序以達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的目的。如圖7所示，從功能的角度來(lái)說(shuō)，客戶(hù)端有控制和監(jiān)督這兩個(gè)部分，分別屬于控制面板和監(jiān)控面板，控制面板對(duì)用戶(hù)的互動(dòng)作出響應(yīng)，用戶(hù)可以用它來(lái)發(fā)出命令或者改變控制器的參數(shù)。通過(guò)TCP協(xié)議，控制面板建立了與服務(wù)器的連接，除了向服務(wù)器發(fā)送信息，它也需要從服務(wù)器端接收信息。如果有客戶(hù)改變控制器的參數(shù)或者發(fā)出命令，服務(wù)器將會(huì)把改變發(fā)送給每個(gè)注冊(cè)用戶(hù)，控制面板處理這一信息是為了將這個(gè)改變同步化并指出控制器正常的情況。監(jiān)控面板提供了兩種功能，顯示動(dòng)態(tài)圖像和視頻聊天。動(dòng)態(tài)圖像由包括過(guò)程流程圖和提供系統(tǒng)當(dāng)前情況的信息的過(guò)程變量的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖形構(gòu)成。與普通網(wǎng)頁(yè)不同的是，動(dòng)態(tài)圖像通常是由服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)產(chǎn)生的，發(fā)送給用戶(hù)，然后在一段時(shí)間后自動(dòng)的更新。它為用戶(hù)提夠了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，使用了服務(wù)驅(qū)動(dòng)器。服務(wù)驅(qū)動(dòng)器的的基本原則是在信息、變化的基礎(chǔ)上發(fā)出信息，由服務(wù)器來(lái)監(jiān)督而不是由客戶(hù)發(fā)出請(qǐng)求。這不僅加快了客戶(hù)端的信息更新，也減少了服務(wù)器負(fù)載。視頻聊天系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了監(jiān)督設(shè)備和與多用戶(hù)之間的多個(gè)渠道的溝通。多用戶(hù)之間可以通過(guò)發(fā)送消息或者共享白板來(lái)聊天。Conlrol

Panel['ig.7.Software^Iruchireoflhe11nitrntl-basedcontrolsy^ltm.圖7基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的軟件部分在服務(wù)器端，服務(wù)可以被分為兩個(gè)部分：命令服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。命令服務(wù)器處理傳入的請(qǐng)求并且為控制器和數(shù)據(jù)服務(wù)器將收到的信息翻譯成參數(shù)和命令。它還想每個(gè)注冊(cè)用戶(hù)傳播所收到的信息，以達(dá)到用戶(hù)信息同步的目的。此外，它還得處理多用戶(hù)的情況，比如多用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)。數(shù)據(jù)服務(wù)的設(shè)計(jì)主要是為了根據(jù)用戶(hù)的需求產(chǎn)生一個(gè)圖像，并且將圖像嵌入到一個(gè)HTML頁(yè)面送到客戶(hù)端。數(shù)據(jù)用來(lái)生成從控制器獲得的圖像。媒介在控制器和其他設(shè)備之間建立了一個(gè)橋梁，因?yàn)镃OM裝置對(duì)于windows操作系統(tǒng)是最基本的，并

且對(duì)于本地交流也非常的有效，所以選擇COM交流裝置用來(lái)支持控制器和媒介之間的信息交換。盡管COM通信被認(rèn)為是一個(gè)高速通信，但是媒介和設(shè)備之間的通信依然是是個(gè)低速進(jìn)程。因此，媒介的主要任務(wù)就是協(xié)調(diào)不同速度的元件?？刂破饔脕?lái)處理標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)設(shè)定值和手動(dòng)控制。系統(tǒng)投運(yùn)根據(jù)第三部分所討論的設(shè)計(jì)問(wèn)題，系統(tǒng)的需求可以被認(rèn)為是需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)去控制水箱，所以互聯(lián)網(wǎng)與本地控制器直接相連。如圖8-10所示，所設(shè)計(jì)的基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)界面通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器被運(yùn)行出來(lái)。VSPC用來(lái)遠(yuǎn)程控制水箱以克服網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲，在系統(tǒng)投運(yùn)期間應(yīng)考慮多用戶(hù)的問(wèn)題。多用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)是可接受的，并且可以通過(guò)3.5.提出的策略來(lái)解決。系統(tǒng)可以通過(guò)JAVA軟件和可視化軟件來(lái)完成投運(yùn)?？梢暬绦蛴梢韵氯糠纸M成：圖8：基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)界面：控制面板和過(guò)程流程圖9：基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)界面：控制面板和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖10：基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)界面：控制面板和視頻聊天頁(yè)面上圖分別表示人機(jī)界面，包含框圖的相關(guān)程序，表示數(shù)據(jù)流量和子程序之間的圖標(biāo)連接器，總之，這三個(gè)要素是來(lái)自VI，VI是組成LABVIEW程序的最基本的程序。如圖7所示的動(dòng)態(tài)圖，通過(guò)運(yùn)行G-server軟件可以實(shí)現(xiàn)在線過(guò)程可視化，G-server是一個(gè)可以與服務(wù)器軟件兼容的超文本傳輸協(xié)議，它使超文本標(biāo)記語(yǔ)言（HTML）文件和VI在網(wǎng)上能夠后定位在服務(wù)器上成為可能。從而能夠直接訪問(wèn)像圖8和圖9所示的那中包含在線過(guò)程監(jiān)控的前面板。正如第4.2節(jié)中提到的服務(wù)驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)用在這里，用來(lái)提高客戶(hù)信息的更新速度和減少服務(wù)器負(fù)載。通過(guò)VIs形式執(zhí)行TCP協(xié)議，編輯一個(gè)JAVA程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)VSPC的遠(yuǎn)程控制。為了使變化能夠同步并且校正到控制器的正常情況，TCP讓控制面板應(yīng)付基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)說(shuō)帶來(lái)的變化。圖8-10說(shuō)明遠(yuǎn)程用戶(hù)界面被劃分為兩個(gè)部分。左手邊是控制面板，右手邊是監(jiān)控面板，控制面板是一個(gè)JAVA程序，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)通過(guò)可以發(fā)出指令或者改變控制器參數(shù)來(lái)控制水箱?？刂破鞯妮敵鲆矊@示在控制面板上。由于控制系統(tǒng)是在多用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)，那么最新的信息就應(yīng)該同時(shí)展示給所有的操作者，否則他們中的一部分將在信息過(guò)期的情況下作出決定。因此，一旦其他的注冊(cè)用戶(hù)為了校正控制器改變了已有的信息，控制面板上的所有信息也應(yīng)該立即更新?？刂泼姘逶诳刂屏鲌D（圖8），控制趨勢(shì)圖（圖9），以及視頻聊天面板（圖10）之間轉(zhuǎn)換。圖9中所示的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖顯示了在設(shè)定值改變狀態(tài)下的過(guò)程響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)應(yīng)用VSPC，基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程控制系統(tǒng)即使在有網(wǎng)絡(luò)流量滯后的情況下也可以產(chǎn)生一個(gè)與本地控制系統(tǒng)類(lèi)似的行為。圖10說(shuō)明的是視頻如何向遠(yuǎn)程用戶(hù)提供過(guò)程的可視信息。通過(guò)點(diǎn)擊一個(gè)視頻下面的通信按鈕，文本聊天和白板和白板彈出的窗口可以被引用，這些都為用戶(hù)合作提供了一個(gè)交流渠道。結(jié)論互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)提供了一個(gè)不但可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過(guò)程車(chē)間并且可以實(shí)施遠(yuǎn)程控制的平臺(tái)。如網(wǎng)絡(luò)時(shí)