數采接口虛擬化的應用

王壽震

（金陵石化 信息化與計量中心，南京 210033）

數據采集系統是一項較為成熟的技術，被廣泛應用于石油、化工、鋼鐵、制藥等生產行業。本文所研究系統為Honeywell Uniformance PHD實時數據庫系統，是企業一體化解決方案（UMS，Unified Manufacturing Solution），主要涉及到系統內部的RDI接口模塊對裝置DCS通訊協議的通訊過程，同時優化與改變傳統數據模式與架構，利用工控VLAN網絡的安全性與穩定性，實現數采結構的虛擬化。

1 實時數據庫PHD340的接口模式

1.1 RDI接口通訊原理

Uniformance PHD為多層服務器結構，分別設置裝置、工廠兩級服務器結構。各裝置的儀表間配置緩存服務器（Uniformance Buffer Server），通過各種實時數據庫接口RDI將DCS實時數據采集到緩存服務器，做相對短暫的歷史存儲。例如，幾天或幾月（根據具體需要自定義歸檔文件大小），工廠主服務器通過PHD TO PHD RDI將緩存服務器的所有實時數據采集至主數據庫中。根據裝置DCS，PLC等接口多樣性的特點，數采PHD緩存服務器上運行不同的實時數據接口RDI。RDI是 Uniformance PHD從控制系統、數據庫中獲取數據的接口軟件，將采集到的數據存入PHD實時數據庫中。RDI與Uniformance配置工具相結合使用，具有診斷、恢復、配置等管理功能。

文中所論述的接口采用Honeywell的OPC RDI，TDC_LXS，CS RDI。TDC_LXS是PHD與Honeywell控 制 系 統APP節點機的專用數據接口；CS RDI是PHD與橫河CS控制系統的專用數據接口；OPC RDI是Honeywell針對OPC協議開發的通用數據接口。OPC是工業普遍使用的標準接口，RDI FOR OPC通過DCS或現場設備的OPC Server采集相關數據，確保實時、全面、準確地獲取生產實時數據。

1.2 數據存儲與管理

數據存儲與管理系統由實時數據存儲與管理及關系數據的存儲與管理兩大部分組成。實時數據存儲與管理基于實時數據庫，實時數據庫是數據采集系統的實時數據存儲中心，存儲從各裝置采集到的生產實時數據，并向應用系統提供數據服務。企業所用PHD340中Uniformance為全企業范圍內的數據采集、存儲和管理，建立了一整套單一、開放、集成的一體化應用平臺，開放型的數據庫系統集成所有工廠的過程數據并支持相關應用。它存儲與工藝流程相關的幾萬至十幾萬位號點的數據，其他應用程序可從這些數據中精選出有意義的信息，并對MES、計量管理系統、生產優化系統等應用系統提供數據接口。這些信息可以用來指導工藝改進，降低物耗，增加產量。實時數據庫管理具有以下主要功能：實時數據管理、歷史數據管理、標簽定義管理、數據備份與恢復等功能。

關系數據存儲與管理主要依托于關系數據庫，關系數據庫儲存數據采集系統運行時必要的關系型數據，如用戶的權限管理和配置信息等。

1.3 實時數據對外接口方案

企業Uniformance主要提供了4種接口途徑與外界進行數據通信，分別是：

1）直接調用PHD提供的API函數。

2）通過PHD提供的關系數據庫與PHD的接口，用標準的SQL工具與PHD交換數據。

3）通過基于微軟IIS開發的Web Services接口，向外部應用系統提供數據。

4）通過OPC Server接口向外提供數據。

在企業內部中，通過PHD的OPC Server、API或Web Servcies接口，可完成與其它生產應用系統之間的數據傳遞。

2 可虛擬化數采接口的配置與分析

2.1 實時數據庫與DCS端的接口通信

PHD可通過多種過程數據接口，將DCS，PLC，FIX及其它類型控制器的實時數據采集到實時數據庫中，用于集成生產過程信息（如各種工藝參數）與高層次應用程序（如先進控制、優化、過程管理）的基礎數據平臺。針對不同的DCS系統的接口類型，根據數據采集服務器的數據請求，從DCS監控系統讀取生產實時數據，并返回給實時數據庫。同時，數采Buffer接口站具有本地緩存功能，使系統在接口服務器與數據采集服務器之間的網絡中斷時，數據采集不中斷。

2.2 中控ECS-100系統的數采接口

目前，中控ECS-100系統采用SCO文件的方式來儲存數據組態信息。通常來說，中控的OPC Server包括了OPC DA標準和OPC AE標準的OPC服務器，可以向客戶端提供實時數據，同時也提供仿真數據供離線進行調試。OPC Server綜合版，通過廣播模式可以和多個客戶端程序進行連接，每個連接可同時進行多個動態數據的交換，同時支持以診斷位號實時值的方式，對外提供控制器、通訊模塊、I/O模塊的診斷項的故障狀態[1]。

在開始菜單中選擇“選擇程序>OPC Server>OPC DA Server”，啟動軟件。初次運行時，需要選擇裝置對應的SCO組態文件后，才可正常運行。通過修改JXServer.ini配置文件屬性，可以實現關聯組態的修改、位號只讀屬性的修改和主動讀周期的修改。運行后，即可以在本機使用OPC枚舉工具，在Localhost中搜索到名為SUPCON.JXServer.1的OPC Server名稱，在網絡通訊模式下即可查詢到位號實時數據GOOD值。

接下來的一種采集方式是在數采OPC Server站上配置DCOM通道。首先，保證管理員級的用戶名和密碼上下端一致，通常為administrator/supcondcs。以Win10或WinServer2012為例，在組件服務我的電腦屬性中的默認屬性中選定“默認”和“標識”，同時選擇面向連接的TCP/IP。COM安全下的“編輯限制”和“編輯”默認值中，在結合了廠家官方文檔幫助及現場實踐情況，總結出下列必須的用戶/用戶組權限：administrator；administrators；everyone；interavtive；anonymous login；system；network；Distributed COM Uesrs，同時，所有用戶/用戶組、本地/遠程啟動和本地/遠程激活選擇允許。接下來在DCOM配置中，OpcEnum和SUPCON.JXServer兩項的屬性常規頁上，身份驗證級別為“無”，位置為在此計算機上運行程序。安全頁面下的啟動與激活權限、訪問權限、配置權限的編輯用戶為：administrator；administrators；everyone；interavtive；anonymous login；system；network。終 結 點 為面向連接的TCP/IP服務，標識在上下級的OPC通訊協議中，一般采用交互式用戶。完成后，必須重啟機器之后使得DCOM配置生效，OPC Server全部配置完成后，然后數采buffer機器遠程使用PsOPCClient工具查詢到實時數據，驗證DCOM通道下的數據已正確傳輸。

第二種采集方式是通過Remote RDI的接口模式，其原理為調用實時數據庫RDI Server的遠程接口方式，實現數據的遠程采集。首先，在下層數據所在機器上注冊Remote RDI的服務，遠程通道的端口號配置54200，在桌面服務中選擇Uniformance Remote RDI啟動自動運行，登陸賬戶為本地系統默認賬戶，同時允許服務與桌面進行數據交互。其內部機制是通過rditcpip.dll和rdiutils.dll的動態鏈接庫為依托，實現與上層buffer機器的PHD RDI接口的數據通訊。

2.3 中控ECS-700系統的數采接口

目前，首先確定浙大中控ECS-700系統的配置情況，包括操作站、工程師站節點的IP地址、冗余交換機的網絡環境等。通常數采現場需要配備一臺微型電腦工作站，并正確安裝中控VF軟件及專用加密鎖（即軟件狗）認證作為OPC Server，并且在中控VF組態軟件客戶端的系統信息中保證軟件狗的正確識別，如Visual Field未能正確讀取軟件狗內的OPC授權信息，則OPC Server將在120min后無法接收到ECS-700控制系統的實時可信數據。接下來需要在DCS的工程師站上新增操作節點并生成對應的控制A/B網址和信息網地址，同時在系統組態軟件中選擇全體增量發布，即完成了工程師站的配置工作。在數采OPC Server端的VF軟件中選擇系統全局選項，配置通訊地址完畢后，完成與DCS網絡的連接工作，到這里即可完成OPC Server的數據配置工作。

接下來在保證用戶名和密碼的上下級一致后，可通過上文論述的DCOM配置，來實現與上層實時數據庫Buffer機器的數據通訊，由實時數據庫Uniformance RDI Server服務來完成與OPC Server的數據對接。首先，配置好OPC Server的DCOM，主要是SUPCON.SCRTCore和OPCEnum的多用戶權限，指定通訊賬戶和標識用戶賬戶，安裝中控VF3.2/4.2軟件。與工程師站完成數據通訊后，接下來是作用域的下裝工作，將裝置實時數據接口接入OPC Server[1]。配置虛擬buffer機，并接入網絡，網絡一與OPC站對接，網絡二接數采專網，在buffer機上創建與OPC服務器統一的通訊賬戶后并配置數采RDI采集接口，建立與OPC Server的訪問通道，并做好本地緩存機制。通過TPI工具完成buffer機與PHD服務器的SHADOW接口，并配置采集點與父節點。啟動PHD服務器端與Buffer端的RDI接口，接口狀態正常ACTIVE后，即可正確采集到裝置實時數據位號值。

2.4 霍尼韋爾PKS系統的數采接口

確定Honeywell PKS系統的軟件版本與硬件配置情況，主要是冗余交換機和工程師站的內網地址，確定DCS系統目前數據所在的Server A/B服務器。在系統各項配置安全的前提下，配置好裝置現場的OPC Server機器與DCS服務器的網絡通訊暢通[2]。在OPC接口的協議下，使用具備管理員權限的用戶名及密碼與DCS服務器端一致。接下來需要在現場數采機器上配置DCOM權限來保證數據的正常通訊，具體情況與上文涉及到的DCOM一致。完成后須重啟本機，使用PsOPCClient枚舉工具來查詢到組態服務器上的HWHsc.OPC Server，接著可以add一個group組，選中數據查詢其實時值且屬性為good。到此，表明數據已經成功從DCS服務器順利通訊至現場的數采OPC Server機器。

現場機器配置完成后，則使用另一塊網卡接入現場的數采專用交換機，通過專用虛擬VLAN網絡接入上層的實時數據庫Buffer機器，Buffer機器通過RDI Server服務從下位機中取得裝置實時數據，再由PHD Server服務送入主服務器中，完成采集工作。

圖1 硬件設備USB設備配置列表Fig.1 Hardware Device USB device configuration list

3 數采接口虛擬化的研究與實現

3.1 中控ECS-100系統數采接口虛擬化的實現

目前，此類型接口的虛擬化分為兩個部分來完成：一是與DCS連接的硬件實體OPC機器替換為上層虛擬機器，即OPC Server與PHD Buffer的功能合二為一；二是中控OPC授權軟件加密鎖（即軟件狗）通過DIGI Anywhere USB Plus 這個設備來實現對Hyper-V 虛擬機的USB認證。

首先，DCS控制器數據通過硬件防火墻后，由OPC通信專網接入數采專用的VLAN端口，保證安全性、隔離性、穩定性、時效性。在與上層的PHD Buffer機器ping通以后，主要涉及中控JX Server OPC程序與實時數據庫PHD的Uniformance PHD Server和Uniformance RDI Server的用戶權限問題。由于需要與控制器的OPC服務器之間采用OPC（OLE for Process Control）協議來傳送數據和I/O信息，上層虛擬機的管理員用戶密碼需要與OPC服務器一致。為保證數據顯示的正確性，必須確保OPC服務器使用的組態與DCS控制站使用的一致。在實時數據庫的Uniformance采集軟件方面，PHD 340的接口軟件特性同樣也是Buffer機器的，管理員、用戶名和密碼必須與PHD 服務器所在機器一致。需要新增一個符合需求的權限用戶來完成數據的上傳工作，同時需要給予用戶Product Administrators用戶組權限，保證與PHD服務器的RDI接口可以正常啟動ACTIVE。在Uniformance PHD Server和ULM License Server都正常安裝后，需要將服務中的PHD Server和RDI Server的登陸賬戶選擇為新增的PHD用戶，保證RDI接口與主服務器和中控OPC程序可以正常啟動并采集與上傳數據。

圖2 授權軟件狗在Web平臺信息展示Fig.2 Information display of authorized softdog on Web platform

圖3 授權軟件狗硬件成功識別虛擬機界面Fig.3. The authorized softdog hardware successfully identifies the virtual machine interface

在完成中控JX Server與PHD Server的軟件配置后，下一步就是通過網絡來給予中控軟件狗的授權認證，主要是由DIGI Anywhere Usb Plus這個硬件設備來完成這項工作。首先，需要在虛擬機上安裝Anywhere USB Manager這個軟件來識別網絡端的設備，完成后需要為本臺機器配置一個獨一的Client ID來用于遠程設備的識別。啟動軟件后，將自動搜索本網段內的DIGI設備，在發現設備后需要通過Open Web UI這個功能來實現對硬件設備的網絡地址管理和端口詳細配置。其次，登陸用戶名admin，密碼為設備銘牌上的出產預設碼，配置完成后需要Reboot來重啟DIGI硬件，使得網絡地址生效，再次登陸Web UI則可以直接在瀏覽器中輸入設備之前配置好的網絡地址來直接訪問，完成后開始對設備USB端口的按需設定，在System >Anywhere USB Configuration界面上，按照軟件狗的類型和USB端口做好一對一的對應，如圖1所示。

Web UI端正確配置完成后，可以看到成功識別的軟件狗類型，可以根據類型及對應的Client ID號來賦予所需要的虛擬機并進行認證，如圖2所示。

其中，Port1/3為中控ECS-100所用軟件狗的驅動代號，Port2為中控ECS-700所用OPC授權軟件狗的驅動代號。在虛擬機上，首先，ping通DIGI Anywhere USb硬件設備的局域網網絡地址，接下來需要啟動Anywhere USB Manager這個軟件，接著賦予所需軟件狗類型對應的Client ID號，認證成功后的界面如圖3所示。

可以看出：虛擬機端的中控OPC軟件已經能夠被識別并由軟件狗正確認證，同時在設備管理器中顯示Anywhere USB的硬件設備信息和OPC授權軟件狗的驅動信息，具體情況如圖4所示。

從中可以找到與DIGI Anywhere USB PLUS硬件管理B/S端一致的設備信息，說明成功將軟件狗設備通過網絡認證到預設定好的虛擬機中控軟件中。

至此，硬件設備完全虛擬化的工作已經全部完成，接下來做好對實時數據庫上層服務器的SHADOW接口，底層DCS數據采集接口在經過硬件防火墻后，直接通過VLAN數據專網送至上層服務器虛擬機端，同時在上層硬件服務器端前仍然配備工控防火墻及OPC通訊策略來保證系統安全穩定。

3.2 浙江中控ECS-700系統數采接口虛擬化實現

V700系統軟件Visual Field具有矩陣式的分域控制和實時數據跨域通訊管理功能，其儀表通訊網絡由控制網A和控制網B冗余組成[2]，同時還配有一根信息網來進行控制域內部設備的數據同步與備份。通常來說，現場配置數采硬件機器需要與控制網和信息網同時連通，工程師站需要做好作用域的新增節點網絡配置和組套全體發布，OPC Server站再完成Visual Field非組態版軟件的安裝與網絡配置和數據下裝的工作。同時，與中控OPC授權軟件狗完成認證，即可以實現與DCS工程師站的數據通訊與采集。經過大量分析與實踐論證，通過VLAN網絡進行數據跨網絡傳輸和軟件狗的虛擬化認證，可以實現對V700 DCS的虛擬化數采。

通過一段時間的研究與觀察記錄，對V700的網絡數據通訊規律有了一定的認識。其實時數據主要由控制網A進行通訊，信息網一般為控制域服務，而數采機器屬于作用域，只負責接受實時數據，不參與控制域的數據同步與備份，相關度較低。可以通過VLAN網絡將DCS的網絡交換機的控制網A與上層服務器的虛擬buffer機器接通，并做好硬件防火墻的相關安全配置，保證只允許上傳OPC/UDP通訊數據。

在V700的OPC授權軟件狗的認證上，其大致步驟與硬件配置同上文的中控JX300一致，如授權認證出錯，則會導致VF軟件對外數據只提供采集10個位號，超出的位號采集值為0，可信度為-1，無法正確采集。在虛擬機VF軟件正確識別OPC授權軟件狗后，設備管理器與圖4所示一致，即可正常登錄中控V700的監控軟件，同時正常采集數據。

圖4 虛擬機的設備管理器顯示認證授權軟件狗信息Fig.4 The device manager of the virtual machine displays the authentication and authorization softdog information

圖5 V700虛擬機的設備管理器展示授權軟件狗信息Fig.5 The device manager of v700 virtual machine shows the information of authorized softdog

3.3 霍尼韋爾PKS系統數采接口虛擬化的實現

霍尼韋爾PKS系統的內部通訊結構由兩臺冗余服務器Server A/B，通過冗余交換機與工程師站和操作員站進行數據通訊與組態等操作。通過實踐與論證，可以實現遠端上層的PHD Buffer虛擬機器通過數采專用交換機，經過配置獨立VLAN端口，在經過DCS前端的硬件安全網閘設備后，與PKS系統的交換機空閑自適應端口直接相連。這樣配置以后，遠端上層的虛擬Buffer機器，即可以與PKS系統的服務器ServerA/B ping通。

接下來需要在上層Buffer機器上配置3個步驟：一是使用與PKS服務器一致的用戶名與密碼且具有管理員權限；二是根據PKS服務器的用戶權限配置好本機的DCOM（具體步驟與上文類似，故不再論述）；三是對PHD的RDI Server服務登陸權限修改配置為新用戶及密碼（與PKS服務器的OPC通訊用）。完成后則可以使用PsOPCClient端遠程讀取到裝置Good屬性的實時數據，如未正確配置會導致OPC讀取Bad錯誤值[3]。采用虛擬化以后，Buffer機器的RDI接口即可直接實時地讀取到DCS正確數據，無須下位機的緩存與中轉作用，虛擬化工作完成。

4 結論

1）數采硬件設備虛擬化的成功實現，標志著一種新的數采架構。其打破了實體硬件結構間的阻礙，同時不受制于現場空間、環境、電力等多重限制，從而進行數據采集。原先數據采集設備都是安裝在現場的多個物理設備，這些設備分布范圍廣、運行時間長、硬件性能低，維護的難度較大，也存在一定的網絡安全隱患。一旦發生故障將造成較長時間的裝置實時數據中斷，嚴重影響生產、調度、節能、環保等各個信息系統的使用，而現在通過虛擬化的架構及VLAN網絡的安全傳輸，對數據接口計算機進行集中化虛擬化部署，大大降低了原本硬件設備的成本和故障率。同時，將數據采集設備進行統一部署以后，可以更好地實現辦公網絡與工控網絡的有效隔離，進一步提升工控網的安全性與穩定性。

2）實時數據庫PHD及其衍生功能還需要進一步地研究、探索和嘗試，同時與智能工廠的交互對接還可以繼續加強，與生產優化系統的配合還需更深入的融合。實時數據庫系統是企業信息化建設的核心環節，是智能工廠與生產大數據時代的基石，是過程優化控制和MES、ERP等生產應用的前提和支撐，企業實時數據庫建設已成為流程工業企業信息化與數字化建設的一項重要工作。