过程控制系统数据采集接口建设研究
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【摘要】 为解决企业管理信息系统与过程控制系统之间互不联通，形成信息孤岛，需要建设两类系统之间的数据接口。介绍了数据采集接口的架构及各模块的功能和要求，通过接口的建设，实现面向整个企业各生产、管理层面所有业务活动的数据服务与支持，建成合理的企业数据管理模式。
【关键字】 过程控制系统 数据采集 接口 建设
现今信息应用已发展到生产运行指挥、综合分析、辅助决策等高级阶段，对信息数据的获取要求更全面、更及时、更方便。企业在开展生产业务的同时，也建设了包括生产调度指挥系统、模拟仿真、诊断分析在内的其他大量企业管理系统。通常各系统之间互不通联，数据整合复杂度高、实施周期长、且系统运维难度和工作量大，导致了运维成本高和运维效率低下。数据采集接口的规范建设将改善企业数据管理模式，实现整个生产过程的优化管理，切实提高企业的数据利用效率，提升信息服务的价值。
一、数据采集接口架构
数据采集接口是企业信息管理系统采集过程控制系统数据的接口，是对不同厂商、不同型号的过程控制系统，如DCS、PLC、SCADA等进行统一的数据采集、规范化的处理。数据采集接口主要实现采集、存储、三种功能，通过数据采集网关设备采集过程控制系统数据，采集数据存储于实时历史数据库中，同时把实时历史数据库中的数据进行，为企业管理系统提供及时有效的数据支持。
采集接口通常包括数据采集、数据管理、数据服务等组件，还应包括专用网络、网络安全组件，以及数据采集接口运行管理组件。
数据采集接口通常由数据采集网关、应用数据库、数据接口（数据访问接口和数据应用接口）、安全防护设备（隔离网闸和防火墙）四部分构成，采集生产网过程控制系统数据，通过数据采集网将其存储于应用数据库中，以便于企业信息网中企业管理信息系统获取过程控制系统数据。系统架构如图1所示：
二、 接口功能
过程控制系统通过数据访问接口传输给数据采集网关，且对外仅支持数据采集网关的数据采集要求；数据访问接口根据设置和设定的安全策略校核数据及服务请求，允许合法用户的访问，禁止非法用户的请求，是单向传输的。通常有多种从过程控制系统获取数据的方式，如从控制系统服务器获取、从控制总线获取、从操作站/工程师站获取，或采用共享文件方式获取等。具体采用哪种方式，应考虑控制系统安全、目标需要、数据采集复杂度等因素后作出选择。为了对过程控制系统进行统一的数据采集、规范化的处理，数据访问接口宜将过程控制系统的专有通信协议转换为标准协议，提供过程控制系统的数据访问功能。对新建的控制系统，应在其设计阶段就考虑数据采集网关，对于现有的控制系统，经综合分析、论证，必要时需对现有系统进行升级改造。
数据采集网关的主要功能是采集过程控制系统数据，并转发到应用数据库。它通过数据采集网关内置或二次应用开发的通信协议与过程控制系统的通信协议进行转换通信，实现过程控制系统的数据采集。数据采集方式主要是考虑现场环境与管理需求，用户可进行同步/异步、自动通知、订阅/等方式进行设置。数据采集网管是数据采集接口的主要设备之一，应支持常用的通信协议如：Modbus、OPC等，支持轮询、逢变则报等数据采集规则和一定的数据缓存及补传能力。
应用数据库主要功能包括存储、归档、采集网关转发的过程控制系统数据，包括实时数据库、历史数据库。数据存储应该具备数据缓存、压缩、归档、备份、点数扩容等基本要求，数据吞吐量应满足理论数据吞吐量的2倍。
应用数据库与数据采集网关数据交互通常采用Modbus和OPC协议， 与企业管理信息系统数据交互可采用OPC、ODBC或OLE DB、WebService等数据访问服务或服务器自身应用程序编程接口方式的数据访问服务等。
数据应用接口主要功能是为企业管理信息系统过程控制系统数据，并提供过程控制系统数据的访问功能，企业管理信息系统需要向数据应用接口进行注册申请，获取访问权限后才允许向数据应用接口进行单向访问，且应该只通过数据应用接口访问过程控制系统数据，不宜直接对过程控制系统进行数据连接访问。
三、网络架构及防护系统
过程控制系统数据采集接口的网络架构包括三层网络：生产网、数据采集网、企业信息网。 生产网内典型的控制系统由基本过程控制系统（BPCS）、安全仪表系统（SIS）及火灾报警和气体检测系统（F&G）三部分组成[1]，每个系统提供数据访问接口用于该系统的数据输出。数据访问接口搭建在各个系统的集成服务器端，而不需要直接连接到现场的控制器上。数据采集网包括数据采集网关、应用数据库、数据接口、安全防护设备四部分。其中应用数据库是由实时数据库与历史数据库组成。企业信息网由一系列的企业管理信息系统组成，这些系统需要访问过程控制系统数据时，需要向数据采集接口中的数据应用接口进行访问申请，一般不允许通过其他途径对过程控制系统的数据进行访问。
安全防护系统主要是为了保证过程控制系统数据采集接口的数据采集过程不影响生产网的正常运行、不破坏生产网的安全性，同时隔离与企业信息网的连接预防受到网络攻击，由连接生产网与数据采集接口的隔离网闸与连接数据采集接口与企业信息网的防火墙两部分组成。
安全隔离网闸通常布置在两个安全级别不同的两个网络之间，管理员可以从信任网络一方对安全隔离网闸进行管理。网闸基本原理是切断网络间的通用协议连接，将数据包分解重组为静态数据，对数据进行安全审查，包括网络协议检查和代码扫描，确认后的数据安全流入内部单元，内部用户通过严格的身份认证机制获取数据[2]。本系统架构中隔离网闸主要隔离生产网与数据采集网，部署于这两个网络之间，实现数据采集网与生产网之间安全适度的应用数据交换，只允许数据由生产网向数据采集接口单向无反馈传输，由于隔离网闸系统在外网与内网中间设有隔离交换单元，内外网与隔离交换单元通道不可能同时连通，保证了生产网的绝对隔离，从而保证了企业生产网的安全。
防火墙部署于数据采集接口与企业信息网之间，隔离数据采集网与企业信息网。它依照管理要求设定的规则，允许或是限制传输的数据通过。未经授权和安全认证，不允许其他任何设备、网络或系统接入数据采集网。保护数据采集网免受非法用户的侵入。
四、结束语
过程控制系统数据采集接口的统一规范化建设为满足企业信息网对生产网的访问要求、企业管理信息系统对过程控制系统数据的访问要求奠定了基础，为深化生产信息数据的业务应用、为管理层掌握一线生产的实时情况提供了条件，实现了数据资源的共享，推动了企业信息化的建设。
参 考 文 献
[1]油气田及管道工程计算机控制系统设计规范 GB/T 50823-2013
[2]蒲天银.安全隔离网闸技术发展探讨[J]，计算机时代，2006.6