从工业网到以太网工业数据传输与发布的解决方案

关键词：工业网、以太网、串口通讯、COM、SQL Server、IIS

Abstract: This paper introduces the solution of industry data’s transmission and publishing from industry network to Ethernet, in case of not changing the original industry network. This scheme makes the real-time data in industry networks can be transmitted in the database of a special-purpose server, and realizes arrangement, analysis and web publishing through this server.

Keywords: Industry Network, Ethernet, Serial Communication, COM, SQL Server, IIS

1. 引言

　　南京自来水公司浦口水厂自动控制系统底层部分是由奥地利ELIN公司的ELIN-PLC构成，共有五个站点，由ELIN-BUS专用总线联网，上位机实现监控及系统配置，操作系统为MS-DOS。由于该自动控制系统由外方设计，限于当时的技术，其信息为系统专用，不能与厂级局域网（以太网）实现信息共享，无法实现工业数据的远程访问，对生产、指挥和调度带来不便。

　　虽然现在一些工控设备已出现以太网接口，但是对已经建立了完整专用工业网络的工业企业来说，特别是当这些工业网还运行在DOS平台上，更新设备的软硬件成本高昂。本设计针对南京自来水公司浦口水厂自动控制系统，在不改变原有工业网络的情况下，将建立在DOS平台上的专用工业网上的数据传输到以太网上发布。

2. 系统设计

　　2.1.　设计目标和要求

　　（1） 设计目标：数据从DOS工作站（上位机）传输到NT服务器，存入数据库;数据库实现自动维护;将数据发布在Web页面上。

　　（2） 实时性：NT服务器能够及时获取工业数据，并能及时在Web上发布。

　　（3） 容错性：在数据传输中能够及时发现并丢弃错误的数据。

　　（4） 稳定性：在ELIN-BUS网络上的DOS工作站能够及时准确地提供数据，并保证其原有数据监控功能不受影响。NT服务器端系统能长时间（72小时）连续正常工作。

　　（5） 数据存储查询：数据库存储一年内每天的详细数据，永久存储每日平均数据。能够绘出任意时间段任意一项工业数据的变化曲线图。

　　2.2.　系统构架

　　工业设备通过ELIN-BUS网络将工业数据传输到DOS监控工作站，由于ELIN-BUS网络与以太网完全不兼容，为了实现不同网络间的数据通讯，使用串口线连接ELIN-BUS网络中的一台DOS工作站和以太网中的一台NT服务器，再通过NT服务器将数据在以太网上共享。

图2.1　系统总体结构图

　　2.3.　DOS工作站端设计

　　在DOS工作站中植入一套数据发送程序，工作站启动后，该程序驻留内存。厂方原有组态软件没有对外数据接口，所以在组态软件设计中，定时切换至数据屏幕，并调用数据发送程序。数据发送程序读取DOS的屏幕显示缓冲区，发送一页屏幕数据。数据约每两分钟发送一次。

　　2.4.　NT服务器端设计

　　NT服务器端建立一套程序，其功能为：数据接收、数据分析存储、数据整理、数据查询、Web浏览、辅助工具。

　　数据从串口读入，存入Microsoft SQL Server数据库。程序通过 ADO（Microsoft ActiveX Data Object）连接ODBC（Open Database Connectivity）访问 SQL数据库。每日凌晨，程序自动对前一天的数据进行维护，删除过期数据。

　　服务器使用IIS（Internet Information Service）提供Web服务，在ASP（Active Server Page）中访问数据库，并通过图表组件，使用户可以在网页上浏览到数据和数据图表。

　　NT服务器端系统结构分为三部分：数据库层，包括数据库（SQL Server）和数据访问组件（ODBC、ADO）;中间层，由若干个COM对象组成，包括数据库访问对象、串口通讯对象和图表控件。应用层，包括数据接收程序界面和Web应用程序。应用层通过捆绑中间层组件来实现系统主要功能。

3. 数据定义与传输

　　3.1.　数据定义

　　数据传输格式定义：采用文本的形式传输数据。每页数据分为25行，每行80个字符，每页中的数据项按一定次序排列，目前包括了174项数据。

表3.1　每页数据示例

　　每个字符由两个字节组成，第一个字节表示字符的ASCII码，第二个字节表示屏幕中字符的颜色，表示数据状态，包括正常、警报、错误、运行、停止等。每页长度为8000字节。

　　3.2.　数据传输与校验

　　串口传输的比特率19200bps，1位奇校验，无停止位。传输一页数据耗时8000×（1+8）/ 19200 = 3.75秒，远小于数据两分钟传输一次的间隔。

　　在数据传输时，遇到以下情况之一，认为数据传输发生错误，抛弃数据页。

　　（1） 寄校验发现错误。

　　（2） 数据传输空闲15秒，但是一页数据尚未传输完毕。

　　（3） 一页数据中的关键行与设定值不符。关键行是数据页中相对固定的部分。下表中，下划线部分为关键行。

表3.2　原始数表中的关键行

　　以上三个步骤虽然不能检测出所有的错误，但能检测出绝大多数错误。现场运行表明，每天发生错误的页数大约是一至两页。

4. 数据库设计

　　4.1.　表的定义

　　（1） 工业数据表定义

　　工业数据表有两类。一类记录了两分钟一次的每天的详细数据。另一类记录了每天的平均数据。两类表的结构是相同的。每天的详细数据存储在不同的表上，其表名为“Dyyyymmdd”，其中“yyyy”表示四位年份，“mm”表示两位月份，“dd”表示两位日期。每日平均数据记录在同一个表 “DailyData”中。

表4.1　数据表字段定义

　　由于在每页中的数据可以按行和列来定位（行：数据在该页中的行号;列：左边第一项数据为第0列，第二项数据为第1列，依此类推），数据字段命名为 “AXXYY”，表示的是第“XX”列第“YY”行的数据。从“A0003”到“A1522”共320个数据，即在数据表中建立320个字段，目前仅使用其中的174个，以允许用户在DOS端组态软件中对数据项进行扩充。

　　（2） 辅助表的定义

　　数据库系统中除了两类数据表之外，还需要一个辅助表来记录一些辅助数据。

表4.2　辅助表子段定义

　　字段“TableName”的含义如下表：

表4.3　字段TableName含义表

　　4.2.　索引

　　索引是简单而有效的加快查询的方法。但是索引的建立会占用一定的存储空间，在插入删除数据时也会增加开销。所以索引不宜过多。数据表中使用了两个索引。一个是主键ID上的主键索引，主键决定了数据在磁盘上的排列顺序，一般没有实质性的意义，但能够加快检索速度。由于时间经常被作为查询条件，所以在字段RecordTime上建立另一个索引，加速查询。

　　4.3.　数据库登录与权限

　　本系统为数据库访问设置了两个登录帐户：完全访问帐户和只读访问帐户。

　　完全访问帐户隶属于db_owner，具有数据库的完全访问权限。该帐户用于服务器端的数据录入、整理和查询。该帐户可以设置为SQL Server 登录或Windows NT登录验证。使用Windows NT登陆验证时，Windows登录用户必须在SQL Server中拥有db_owner身份，一般是Administrator或Administrators组成员。

　　只读访问帐户隶属于public，用于Web用户查询数据，用户不能更改数据库。该帐户一般设置为SQL Server登录验证。

　　4.4.　数据库容量估算

　　详细数据每年新增记录数：（24×60）/ 2 × 365 = 262800;

　　假定系统使用时间不超过十年，则十年的每日平均数据纪录数为：10×365 = 3650;

　　每条记录占用字节数（各字段长度总和）：4 + 8 + 320×8 = 2560B（SQL 2000中每条记录的长度不超过8KB）;

　　数据库大约需要硬盘空间：2560 ×（262800 + 3650）= 682112000 ≈ 650MB。

　　通过估算，数据存储大约需要650MB的容量，加上辅助表空间、索引空间、日志空间、数据库的必要冗余空间、则至少为数据库留有2～3GB的磁盘空间。

5. 软件实现

　　5.1.　对象和控件

　　对象和控件位于NT服务器端系统的中间层。主要需要建立两个对象和一个控件：

　　（1） 数据接收对象：负责串口数据接收模块。

图5.1　数据接收对象程序流程图

　　（2） 数据库访问对象：负责数据分析、存储和整理模块和数据项的说明。

图5.2　数据访问对象程序流程图

　　（3） 图表控件：在应用程序或在网页中绘制折线图。

　　5.2.　接口设计

　　系统接口包括：数据接收对象接口、数据访问对象接口、图表控件接口。

图5.3　系统接口设计­­­

　　5.3.　应用程序结构

　　服务器端的应用程序功能主要有以下模块：原始数据页的显示、数据查询、运行控制（包括数据接收控制和数据库连接控制）和参数设置（包括数据数据传输对象属性设置和数据访问对象的属性设置）。应用程序的主要功能几乎完全由组件提供。

　　5.4.　Web应用程序设计

　　在NT服务器中启动IIS服务，建立一个Web站点，在该站点下建立数据查询页default.asp。数据查询页面需要以下参数：

表5.1　查询页面参数

　　输出数据：在页面上显示查询结果，包括数据表和数据折线图。

图5.4　查询页程序流程图

6. 项目总结

　　本设计采用了一个串口连接，连接了一台DOS工作站和一台NT服务器，从而实现了从ELIN-BUS网络到以太网的数据传输。在NT服务器上建立数据库，程序自动对数据进行分析整理，并在Web上发布数据。在数据传输的设计中，对于不同的工业网结点可以采用不同的数据采集发送方式，这里采用了文本传输方式，虽然降低了数据传输效率，但是有利于数据项的扩展。

参考文献

　　[1] 《SQL Server开发指南》：（美）Ash Rofail、（美）Paul R. Allen著，电子工业出版社，2000;

　　[2] 《TCP/IP详解》：（美）W. Richard Stevens著，北京大学出版社，1999;

　　[3] 《COM与COM+从入门到精通》：（美）Joseph J. Bambra、（美）Yasser Shohoud著，电子工业出版社。