基于网络控制的智能小车远程监控系统服务器.docx

基于网络技术的中央空调控制系统 林以成 (自动化与电气工程学院 指导教师： 周平)摘要：网络技术于控制技术的结合日益紧密，而目前几种比较流行的控制技术在其通信范围和控制功能上都存在一定的限制，无法完全达到原先在工业控制中内部通信稳定、高速的性能。本次借鉴目前主流控制技术的经验，设计了基于Internet网络技术的中央空调远程监控系统，借此来探讨网络控制技术的特点、功能及日后改进的方向。本文介绍了以中央空调为对象远程监控系统，不仅可以远程对中央空调实现启、停、模式切换等功能的控制，并可以对采集的数据做各种处理，实现中央空调运行全过程的数字化和可视化，文中概述了该系统的原理结构、功能、应用软件及网络安全等，并引用图片、表格及流程图等加以分析说明。本集成系统目前已处于工程推广阶段，与目前以短距离、非实时为特点的控制技术相比，有较大的应用潜力。关键词：中央空调；网络技术；实时监控；网络安全Abstract:The long-range control system is more and more popular based on the network technology. It has many kinds of form with different function. But most of the control systems are unable to totally replace the stability and real-time character of the inside communication of industry control. In order to explore the characteristic, function and future improve; we regard air conditioner as a platform and design the long-range control device based on Internet. The control device set up with real-time character operation characteristic on the basis of steady high-speed network, which is not only has varies control function, and control opening, stopping, such functions as the mode is switched over of PLC, but also can change the data into ocular pictures, make the overall of air conditioner control digitization and visual. Moreover the function of the WWW network is special, which can share information of system WEB and only use standard IE browser technology. And achieve the control shift able and Global. in this article, introduce the Principle structure, Characteristic of controllable strategy, application software and system safety of the system. And explain by pictures, form and flow chart.Key Words: Central Air Conditioner；Network Technology； Incessant Monitor；Online Security 1 绪 论1.1前 言中央空调是对建筑物内空气进行调节的专用系统 , 它通过对风机、阀们、泵等设备的开、关及调节来控制室内温度、湿度，使之满足一定要求，从而提高人体的舒适度。随着人们生活水平的不断提高，越来越多的大、中型建筑采用中央空调系统，以达到夏季致冷，冬季取暖的目的 。随着人民生活水平的提高，空调产品不再是奢侈品，而悄然“飞进寻常百姓家，空调的市场需求飞速增长。根据由国务院发展研究中心市场经济研究所、北京顾能市场调研中心组成的中国家电市场联合调查研究课题组公布的2004-2006年中国城市消费者空调需求状况研究咨询报告显示：仅2003年， 我国房间空调器的产量已达4000多万台，商用空调产量达到20多万套，房空调器拥有量已在1亿台左右，全国商用空调拥有量在120万套左右1。我国已成为全世界空调产品生产和使用大国2。随着社会现代化进程的加快，人们在室内工作和生活的时间越来越长，据国外的一份调查报告3显示，居民平均88的时间呆在室内，7的时间花费在交通上，5的时间是纯粹呆在户外的。粗略计算一下，除去花在交通和呆在户外以及正常的上班时间每天大概有l3个小时是在住宅里的。从这方面来讲住宅的空气质量对人体的健康更有绝对意义。然而，由于建筑物的密闭性逐渐增加，建筑装饰越来越多样化，从而导致室内污染物的滞留和增加，例如，烟雾、病毒已经从家具、地毯和油漆中散发的多种危险化学物质等，加上新风量不足，空气重复循环，会造成室内空气质量严重下降。 因此，如何有效地解决室内空气污染，提高室内空气质量，已经越来越多地受到人们的关注。环境人员研究发现，保证室内的空气流通，使室内的空气尽量接近自然的状态，如增加通风量来稀释空气并排放室内的污染物，通风换气，向室内提供大量的新鲜空气是改善室内空气质量的最有效办法之一。然而，提高新鲜空气供给量，意味着增大空调新风负荷，同时也意味着使空调的能耗不断的增加。另一方面随着中央空调市场及工业规模的不断扩大，用户对现代化控制的要求也越来越高，通过远程监控的设计方案日益受到欢迎。基于网络技术的实时监控系统已开始出现在工业应用中,如数字网络技术在图像监控系统中的应4、小区智能化与现代通讯技术的应用5 。并随着网络技术与自动化技术的融合，因其高稳定、高效率得到了广泛地应用。如无线电遥测在热网监测中的应用6，另外有利用GPRS网络自动监控数据传输系统7。网络技术与自动化控制紧密结合是现阶段发展的趋势，但网络通信或多或少地存在延时，不确定性等问题，而中央空调的实时性控制有其特点和要求。如何解决这些问题，仍是控制界研究和探讨的实际课题和热点应用问题。 1.2 系统设计的目的与意义基于上述原因，设计一个智能的中央空调远程监控系统，合理的控制和节约空调的能耗，使得空调工作的整个过程数字化，实现高度控制，不仅提高了中央空调的效率，节约了资源、保护了环境，避免不必要的电力建设投资；减少空调运行费用的开支；而且也提高了中央空调企业售后服务管理质量，节省了以往人力，物力资源方面的浪费，对企业和用户来说，都是极其有利的事。本次设计了基于网络技术上的中央空调自动化实时监控系统，在线实时监督、控制各个用户中央空调的运行情况和各项参数，实现一个监控中心对多个客户端中央空调系统的远程实时监控。另外通过对此系统的设计和使用，来探讨其结构特点，实时性功能，以及改进的方向。此次以中央空调为对象设计了基于Internet网络技术的远程控制系统，借鉴现今几种主流网络控制技术的优点，以Internet网络为载体，通过由组态软件设置的计算机系统之间的通讯来实现远程实时监控。通过这种装置的开发来解决：企业无法满足用户对售后服务管理越来越高的要求，提供企业实时监控、远程管理服务.目前其它网络控制技术由于自身的局限、控制功能不够完善，具有无法完全取代工业控制中内部通信的稳定性、实时性等特点的问题 .网络通信中多种结构并存的问题，传统方法难以解决集成网络中不同平台之间的通信.2 相关监控系统的背景和现状2.1 远程监控技术国内外研究动态远程监控是同内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究8-10。1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的5O多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于Internet的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统Test bed。Test bed用嵌入式Web组网、用实时JAVA 和Bayesian Net初步形成在Internet范围内的信息监控和诊断推理。另外，许多国际组织，如MIMOSA(Machinery Information Management Open System Alliance)、SM FPT(Society for Machinery Failure Prevention Technology)、COMADEM (Condition Monition and Engineering Management)等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在他们的产品中加入了Internet的功能，如Bentley公司的计算机在线设备运行监测系统Data Manager 2000可以通过网络动态数据交换(Net DDE)的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的National Instruments公司也在它的产品Lab WindowsCVI以及Lab VIEW 中加入了网络通讯处理模块11，因而可以通过WWW 、FTP、E-mail方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国“ALARM”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统KBGMD”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统MMMDES”等。 2.2 几种主流网络技术2.2.1无线电无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率一般在3GHz到30GHz之间。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。它的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的，如图2.1。无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。特别是在工业数据采集中有着很好的应用。图2.1 无线电台通讯方式用无线电台方式实现远程数据采集、监视与控制，相对于架设专用电缆（或光缆）、租用电信专线等，具有造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单等优点。数字电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点，电台提供标准232数据口可直接与计算机、RTU、PLC、GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，传输速率达19200bps，误码低于10-6（接收电平-110dBm时），发射功率0.5-25瓦可调节，任何型号电台可设置为主站或远程站使用，无中转通信距离达50公里以上，能适应室内或室外的恶劣工作环境。电台数据和话音兼容，可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式，收发同频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中心与众多远方站之间的数据采集和控制。2.2.2 GPRS GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是一种基于包的无线通讯服务。它将使得通讯速率从56上升到114Kbps，并且支持计算机和移动用户的持续连接。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。GPRS是基于Global System for Mobile(GSM)，并且能完成现有的一些服务，例如：蜂窝电话电路交换(circuitswitched)连接和短消息服务(SMS)，如图2.2。图 2.2 GPRS通讯方式GPRS作为一个开放的业务平台，以其永远在线、快速登录、高速传输、按量收费、自由切换应用于广泛的行业中，利用它的透明数据传输特性，已经深入到了几种行业中。 如分散数据的采集。适用于采集点分散，而数据需要远距离传送并集中处理的行业，如电力、水利、石油、燃气、交通、环保等行业，仅以电力行业为例：传统的电力抄表都是人工抄表，电能表分布广泛，势必会付出大量的人工成本，而且效率低下，准确度不高，而利用GPRS功能在电能表内嵌GPRS模块，可根据指令将采集到的数据信息通过分组技术，经过短信中心完成存储和转发功能，管理中心收集到数据后进行统计和计算，实现了远程数据采集的自动化，降低了企业成本，提高了可靠性和实时性。另外还有智能公交管理、实时信息查询、车辆安全、银行交易等。2.2.3 ADSLADSL(Asymmetrical Digital Subscriber line)又叫非对称数字用户环路技术，是利用现有的电话铜线资源，理论上讲，在一对双绞线上提供上行640Kbs1Mbs、下行1Mbs8Mbs的宽带。有效外传输距离为3km5km。但在实际应用中，它还可以根据双绞线的质量优劣和传输距离的远近动态调整用户的访问速度。用户所能享受到的下载实际速率，是根据所使用的Modem型号不同、用户端到通讯中心的距离长短、线缆尺寸以及干扰等多种因素来决定的，从10Kbs640Kbs不等。它是目前中国网通力推的一种宽带接入方式，可利用电话的双绞线入户，免去了重新布线的问题，优点是采用星型结构，保密性好，安全系数高，可提供512Kbs到2Mbs的接入速率，如图2.3。图 2.3 ADSL有线通讯方式专线入网方式：用户拥有固定的静态IP地址，24小时在线。虚拟拨号入网方式：并非是真正的电话拨号，而是用户输入账号、密码，通过身份验证，获得一个动态的IP地址，可以掌握上网的主动性。比起普通拨号Modem 56Kbs的最高速率，以及NISDN128Kbs的速率，ADSL的速率优势是不言而喻的；与普通拨号Modem或ISDN相比，ADSL更为吸引人的地方是：它在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备，减轻了电话交换机的负载。这意味着使用ADSL上网并不需要缴付另外的电话费。由于ADSL在开发初期，是专为视像节目点播而设计的，具有不对称性和高速的下行通道，随着Internet的急速发展，ADSL作为一种高速接入Internet的技术更具有生命力，它使在现有Internet网上提供多媒体服务成为可能。而现在由于企业与用户越来越高的要求，也慢慢出现在工业中。表1 几种通讯技术的比较方案方案1方案2方案4通信方式无线电台GPRSADSL网络类型专网广域网广域网使用方式申请频率GSM/GPRS入网宽带入网通讯方式内部协议、自动建链短消息+建链TCP/IP协议，自动链接通信时效实时性强实时性差，有延时 实时性最强覆盖范围几十公里广广对环境要求无大的阻碍，无大的电磁干扰GSM信号无数据速率速度慢57.6K（需服务器支持动态IP地址管理）高速，能进行各种信息的传输，包括图像、声音等常用业务数据量，实时中数据量，突发传送大数据量，实时开通费用中中高运行费用低（频占费）中（按流量或包月费）低特殊要求无需主站PC机以实IP地址接入INTERNET固定IP，主从站都需PC机，组态软件通信可靠性稳定、可靠依赖移动电信网络质量和INTERNET质量稳定、可靠维护现场维护现场维护实时在线直接维护2.2.4 目前远程监控所存在的技术问题随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络监控。建立在GPRS或无线电台基础上的远程控制系统，解决了工业控制中点分散，集中监控难的问题，实现了远程监控和数据采集，尤其是GRPS技术，目前已经越来越广泛的运用到工业控制中。但目前此类控制系统还存在着一些问题。首先，网络通信技术不足的问题。网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用Socket技术，甚至FTP或EMail等，这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺，特别是对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求；其次，网络通信中多种结构并存的问题。目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现相互之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的。如无线Ad hoc网络技术自组网在变电站自动化通信中的应用12，由于无线网络自身的特点，决定了此类系统具有范围小；信号稳定行差易受干扰；数据只能定向传输，远端不能控制现场另外广泛应用于工业控制中的GPRS技术也存一些不足，无法满足工业控制的要求，如GPRS系统在污水处理中的应用13，由于GPRS依赖于移动电信网，使其难以在远程控制实时性上达到要求，GPRS更低于短消息，待到节假日等移动电信繁忙时，GPRS的传输就会受到很大的影响而本装置系统是从现阶段的网络控制技术上改进完善而成的，是集过程监督、数据处理、智能报警、实时控制等多功能的新颖网络控制装置，它不仅包括其它网络技术的优点.而且还拥有其他网络控制技术无法比拟的功能：a. 实时在线控制功能，强调了实时的特点，在此基础上除有完善的监督控系统功能外，另有多样化的报警输出、历史数据随时调用等功能。不仅能远程控制PLC的启停，而且能修改一些特定参数，可进行远程维护。b. WWW网络功能：可在全球任何Internet网络节点，使用IE浏览器键入对应IP可浏览共享系统所发布的资源信息，突破一般网络控制技术的居域性，实现监控移动化、全球化。本装置系统以Internet网络为基础，通过特有通讯方式Port sever方式，原理上如同计算机内部通讯一般，十分稳定。有效的解决了目前在工业控制中一般网络远程控制技术范围小、控制功能简单、有延迟的问题。因此对比与一般网络技术有较高的先进性和实用性。3 系统概述而本系统是从现阶段的网络控制技术上改进完善而成的，是集过程监督、数据处理、智能报警、实时控制等多功能的新颖网络控制系统。监控中心的数据库具备全面的分布式特征。人机界面部分与数据库部分可以分别运行在不同的网络节点上，它们彼此的数据库还可以互相访问。真正实现了数据的分布处理，此系统还具有WWW网络功能。同时拥有完善的安全管理机制，只有授权的用户才能修改相关参数。3.1系统基本配置 （1） 电脑 （2台） （2） 打印机等其它设备 （1台）（3） 报警输出设备 （1台） （4） 几大参数（压力、温度、流量等）的传感器 （若干） （5） 可编程控制器PLC （1台） （6） PLC专用通讯电缆 /PLC通讯模块/接口转换模块 （1根/个）3.1.1 相关设备说明电脑 分别架设与监控中心和现场控制端，来实现两端的数据采集和通讯。用在监控中心的计算机需有较高的配置，来完成汇集信息的处理。同时根据需要可多准备台计算机来做备份冗余处理。放在现场控制端电脑，一般配置可以上网即可。但需考虑现场环境，必要时需配置相关保护设备。两台计算机必须都进行组态设置，实现两端通信。打印机等其它设备 用来调用打印计算机信息：如报表、实时曲线、历史曲线、历史数据等以便工作管理人员调用审查。报警输出设备当某种状态或参数超过预设值时，报警设备输出报警信号，形式多种多样：声光报警、真人语音提示报警、拨号猫电话报警等。力求保证管理人员快速准确的发现并解决问题，降低企业用户的损失，提高工作效率。PLC可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 以S7-200为例，PLC必须由专门的软件编程设计，如SIEMENS STEP 7 Micro/WINS. SIMATIC S7-200 是一种通用型的PLC，在现代工业领域中应用比较广泛STEP 7是s7-200的编程语言，包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试以及服务，每一阶段所需要的全部功能，此软件编辑的程序不仅能够在项目间自由移植，而且对工程提供密码保护、自由扩展等功能，能够解决复杂的自动化任务。PLC通讯模块（如 CP243）CP243-1是一种通讯处理器，设计用于在S7-200自动化系统中运行。它可用于将S7-200系统连接到工业以太网（IE）中。CP243-1有助于S7产品系列通过因特网进行通讯。因此，可以使用STEP7Micro/WIN32，对S7-200进行远程组态、编程和诊断。而且，一台S7-200还可通过以太网与其它S7-200、S7-300或S7-400控制器进行通讯。并可与OPC服务器进行通讯。在开放式SIMATICNET通讯系统中，工业以太网可以用作协调级和单元级网络。在技术上，工业以太网是一种基于屏蔽同轴电缆、双绞电缆而建立的电气网络，或一种基于光纤电缆的光网络。工业以太网根据国际标准IEEE802.3定义。CP243-1具有以下功能：a、使用CP243-1，通过工业以太网，可S7-200和其它S7-200或S7-300或S7-400PLC之间的通讯。b、通过工业以太网和STEP7Micro/WIN32，实现S7-200系统的远程编程、组态和诊断。c、最多可以组态8个连接。对于连接控制（保持活动状态），可以为主动和被动伙伴的所有的TCP/IP传输连接进行组态。可提供与S7-OPC的连接：串口转换模块(如串口转以太网 8570串口服务器)串口服务器8570是基于TCP/IP和RS-485/422/232串口连接的通讯网关，可以轻松的把现场串行接口设备联到网络上，在串口和网络之间提供全双工、定向的透明数据传输方式。在工业和工厂自动化领域，串口服务器8570通过TCP/IP协议直接将现场设备连接到以太网络。串口服务器8570的专业设计同样适用于PLC、HMI、条形码扫描仪、数据终端、电子显示屏、POS机、信息家电网上控制、智能楼宇、银行系统、邮政系统、电力系统远程监控、工业现场自动化。终端服务器（主要是正在运行的控制程序）利用网络或无线网络连接串口服务器，串口服务器再连接串口设备。串口服务器把接收到的串口数据转换成TCP/UDP格式，以实现一台主机控制多个串口设备的功能。3.2 硬件结构及功能中央空调远程控制系统由监控中心系统和现场控制端系统组成，系统中的硬件设备主要包括电子感应设备、数据采集设备、控制设备、远程通讯设备等，最终由计算机系统统一管理控制。下面以一般配置为例，详细介绍系统各个结构及功能。3.2.1 硬件结构组成此系统由远程控制端和现场控制端两大部分组成，如图3.1所示。远程控制端主要由主计算机、远程控制台和其它外设组成，计算机主要负责监控现场控制端，并有智能报警、参数输出控制等功能，远程控制台则用于对现场控制端PLC的控制。 现场控制端的PLC与现场的计算机可通过串口方式或PLC以太网模块方式进行通讯。此计算机系统是其的核心所在，也必须由相应的组态软件组态设置，整个过程中PLC实现了可视化，对PLC实时监控，可根据实际直接对PLC进行控制，必要时可重新编辑PLC程序。此系统由监控中心系统和客户端系统两大部分组成，如图4所示。监控中心系统主要由主计算机、备用计算机和远程控制台组成，主计算机监控客户端，并有智能报警、参数输出控制等功能，备用计算机主要用于备份数据库，增加系统的可靠性，远程控制台则用于对监控中心服务器的控制，包括启停、控制策略的转换等功能。客户端系统的最底端则是安装在中央空调上的数据采集设备，它们感应各个参数的变化并采集相关数据，再传到PLC或RTU上变换处理，最后再通过计算机网络上传监控中心的所需数据，此计算机系统是客户端的核心所在，也必须由相应的系统软件组态设置。 图 3.1 系统的结构组成3.2.2 远程控制系统功能WWW网络发布功能不论在全球的任何角落，仅仅使用标准的IE浏览器，打入相应的IP地址即可看到此系统发布的信息（需一端IP固定），进行实时监控。实现了监控端系统的可移动化，以便于相关人员了解问题、处理问题。采集与处理功能主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况；监督功能将检测到的实时数据及生产人员在生产过程中发出的指令和输人的数据进行分析、归纳、整理等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储；管理功能利用己有的有效数据、图像、报表等对工程进行分析、故障诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警；控制功能在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。3.2.3 不同设备功能的选用现场设备近距离通讯 当现场控制端的计算机在控制对象的旁边，距离很近时，PLC直接通过 PC/PPI 通讯电缆相连，实现数据传输。这样的通信方式稳定、高速、受外界影响小，为较理想的通信方式。但其最大的缺陷是通讯距离短，一般的通讯电缆线的长度为2-3米，如若延长价格较高，而且延长长度有限。不适合长距离传输。现场设备远距离通讯为了解决上述现场控制端设备数据信号不能远传的问题，可以引入西门子专门为长距离传输而开发的以太网通讯模块 CP243-1 。这样PLC即可通过路由器和计算机系统进行数据交换，实现远距离传输，增加管理控制事的机动性。特别适用与现场环境不宜放置电脑的场合。但其价格昂贵、使用步骤繁杂等缺点限制了以太网模块的广泛应用。而采用串口转以太网设备8570串口服务器就非常有实际应用的意义，无须复杂的操作步骤，只需事先用专门软件在计算机系统中做相应设定，就可实现连接通信，几乎等同于串口通信，不但功能没用变化，而且价格也大大降低，这样的方案在工程应用中有较高的可行性。3.3 软件3.3.1 组态软件的选型组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境， 能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和Io设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合， 可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前中国市场上的组态软件产品按厂商可大致划分为三类，即国外专业软件厂商提供的产品，国外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发的国产化产品。从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大部分份额仍被国外几家组态软件占据，如：FIX、In Touch等 这些“洋软件”在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势，但并非所有方面都尽善尽美。国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响力的产品有组态王、SYNALL、MCGS、天工、Control X、虎翼、力控等。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势。但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱。此类软件商品化的程度还比较差。目前国产化组态软件主要应用于一些小型的、非重要性的项目中。组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。随着计算机软件的发展，软件的功能越来越强，迫使工业组态软件随之发展。但由于工业软件长期运行可靠性的要求，其技术应用均比商用软件滞后。随着计算机网络的发展组态软件也出现了分布式、网络化的趋势，如组态软件直接支持Internet远程访问功能已成为一个基本要求。组态软件向小型化发展主要是满足嵌入式计算机在控制系统中的应用。组态软件的小型化并非意味其功能的弱化而是对组态软件的开发提出了更高的要求。本系统选择使用的是力控5.0组态软件，此组态软件具备以下特点：a. 强大的Web功能和Internet/Intranet浏览器技术，直接支持多文档。WWW功能全部用VC+实现，因此当在Internet上远程访问监控画面时，具有更好的实时性。仅仅打入IP地址，即可浏览共享信息源所发布的信息，实现资源全球化。 b. 使用ASP等快速开发工具构建B/S系统结构，并可以直接访问单窗口，重新设计的加密系统，支持工程加密；c. 提供面向对象编程方式，内置间接变量、中间变量、数据库变量，支持自定义函数, 支持大画面和自定义菜单，方便您构造强大的企业级运行系统, 脚本类型和触发方式多样，支持数组运算和循环。d. 力控监控组态软件内置区域实时数据库，区域实时数据库内置多种功能块，来完成数据处理，可实现累计、控制、PID控制、各种运算等多种功能。区域实时数据库完成实时数据、报警检查、历史数据的存储等功能。e. 提供完善的安全管理机制。只有授权的用户才能修改过程参数。使用力控时，管理员尽可安心，不必担心非法或未授权的修改。3.3.2 软件设计以及系统功能计算机系统主要采用工业组态软件力控5.0的平台进行开发，以类C语言编程平台为辅助，使得主站监控软件具备良好的人机界面，操作直观，简便并且灵活性强等特点，具体功能如下：a、自动判断计算机通讯状态，故障时自动报警。b、动态模拟图，实时直观现实系统各个节点的运行状态及相关参数。c、多种控制模式自由切换，设立系统自我保护功能，严重故障时系统控制PLC停止并报警提示。各个控制对象运行状态判断，故障报警提示。图3.2 组态软件原理图本次的中央空调控制系统有其自身的特点和要求，如监控实时性、多样化完善的管理控制功能等。另外还有固定IP的问题，我们利用力控组态软件Port sever不仅有效的解决了固定IP的问题，从两端都需固定IP变成了只需一端固定，实际应用中节省了费用，更利用其强大的开发环境，为此次中央空调控制系统量身订做了功能完善的控制管理界面。具体详细功能如下：1、 24小时在线监控，实时采集各个模拟量及其它参数的数据采集，并储存于数据库中。定时自动判断参数值，自动分析运行状态，显示运行情况。报表文件可供实时打印，外调。图3.3 数据报表图2、 可选择实时曲线、历史曲线，使运行情况直观化，另外任意的时间段选择和趋势图量程的变换，方便工作人员在线监督。图3.4 曲线图完善的用户管理机制，独立的各等级用户权限分配，使系统的功能分配的更细化，可设定一些重要功能保密措施，只有规定权限以上的用户才能操作。图3.5 用户登入图4、报警功能，包括报警记录、报警输出、报警提示（如图像声音，拨号猫等）。图3.6 报警功能图3.4 系统原理实现实现流程图如图3.10，过程如下：（1）设备通信初始化；（2）设备的参数采集，主要为PLC的开关量和模拟量。（3）现场控制端计算机系统根据事先设定的程序进行分析处理，并存入数据库。（4）远程控制端呼叫现场控制端系统，现场控制端上传数据，并同时下达控制命令。现场控制端的功能如下：（1）参数校验，检查数据是否符合远程控制端的要求；符合的数据压缩打包，储存在现场控制端数据库中，准备上传；（2）监视PLC及控制对象的运作情况，提供报警功能，报警时，自动切换到特殊模式；（3）判断与设备端、远程控制端的通信状态，于超出最大应答时间时，输出报警提示。远程控制端功能：（1）呼叫现场控制端，调用数据库；（2）监督查看其系统状态、参数，报警输出，提示管理人员选择相应的控制策略；（3）控制其系统的启停、改变错误参数的输出值，修正2号区域系统的运行状况；（4）监督与现场控制端的通信情况，超时报警图像声音提示。图3.7 系统实现流程图4 仿真与试验4.1 系统仿真本次采用两组于不同区域不同网络的系统实现温度参数的监控，1号区域模拟系统监控中心，2号区域从系统经济角度考虑，客户端系统用西门子的S7-200PLC来控制开关量，美控RX200 无纸记录仪与Pt100完成模拟量的采集。最终由独立串口分别存入计算机数据库，监控中心只需与客户端的数据库建立通信即可监控整个过程的参数变化。在系统运作之前必须建立好两端的通讯，监控中心作sever开启服务器。此系统中只需一端IP固定即可，即监控中心IP固定，而监控中心是通过内网上网，因此客户端需通过IP地址和端口映射于监控中心主机保持实时连接，端口映射在路由器中设置即可。图4.1 系统仿真图表2 设备清单 设 备产品型号精 度采集时间无纸记录仪杭州美控RX2000.2%1sPLC西门子S7-2000.2%50ms热电阻Pt1000.2%/系统组成结构如图4.11，设备清单如表1。把由Pt100和RX200组成的模拟量数据采集设备和PLC当作系统的设备端；2号区域计算机系统作为客户端；而1号区域的计算机系统和其它IE监控端作为此系统的监控中心。具体仿真功能参数如下：1、设备端可采集-200850度范围内的温度，采集的数据可由记录仪保持十年之久；其中的PLC则负责开关量的控制。2、现场控制端的功能如下：（1）参数校验，检查数据是否符合监控中心的要求；符合的数据压缩打包，储存在客户端数据库中，准备上传；（2）监视中央空调运行情况，提供报警功能，紧急报警时，系统切换到特殊模式；（3）判断与设备端、监控中心的通信状态，于超出最大应答时间时，输出报警提示。3、监控中心功能：（1）呼叫2号区域，调用数据库；（2）监督查看2号区域系统状态、参数，报警输出，提示管理人员选择相应的控制策略；（3）控制2号区域系统的启停、改变错误参数的输出值，修正2号区域系统的运行状况；（4）监督与2号区域的通信情况，超时报警图像声音提示。1号区域监控中心与2号区域系统由于建立在Internet通讯方式上，存在一定的延时，常规有0.5秒的滞后，网络满载时实验中最高有1.5秒左右延时。实例仿真证明本系统具有较高的可行性。4.2 实物试验2007年3月7日, 空调远程监控系统在中国美术学院进行了一次现场的实物试验.相关准备:a. 力控组态软件及相关的演示程序:组态软件用于采集储存PLC的数据,准备上传至另一端的监控中心;演示程序包括:报表、趋势图、报警、历史数据的查询等.b. 硬件方面包括:不带模拟量采集、不带以太网通讯模块的S7-222PLC;做客户端用的一串口计算机;相关安装光盘:力控5.0、STEP74.0.c. 现场演示用的中央空调:现场处于运行状态,此次演示包括对其开关量M0.0的采集控制,模拟量的采集控制如VW1663、VW1666、VW1670、VW2000.d. 带模拟量采集模块以及拥有以太网通讯模块的S7-224PLC.两种不同通信方式实现的远程监控:a、客户端计算机通过串口于PLC建立连接.实现数据采集和控制.b、客户端计算机通过局域网经路由器与PLC以太网通讯模块建立连接,实现对PLC的数据采集和控制.图4.2 系统功能界面图4.2.1 串口通讯方案的实现 选择其中任意一台中央空调的PLC,客户端计算机负责采集以上四个变量和一个开关量,其中模拟量由PT100送入信号.1、利用STEP7对PLC进行设置:将其设备地址改为2;它的校验方式改为偶校验;PLC的数据停止位为1位、数据起始位为1位,数据位为8位.2、计算机组态软件与PLC作以上设置以建立连接.并在其数据库中定义相应变量,对应PLC内存变量的地址.3、客户端计算机通过组态软件与远距离外另一台计算机监控中心通过Internet建立连接.客户设置完成 ,进入运行状态,数据采集成功.4、监控中心计算机开启Sever组件允许客户端的请求并建立连接.在其数据库中定义变量和5、客户端数据库变量建立连接,调用数据.设定完成后进入运行状态.演示开始,客户端数据库数据采集成功,监控中心计算机和客户端计算机通讯成功,数据采集成功.图4.3 串口通讯方式图4.2.2 以太网通讯方案的实现 由于现场资源限制,试验地点换到了盾安杭州分公司做模拟演示.利用STEP7对PLC做如上基本设置.模拟采集VW1662、VW1666两个由PT100送入的温度信号.利用西门子软件PC Acsess对PLC进行设置使PLC建立一个OPC Sever,包括I/O地址设置、PLC工作站的设置、PLC变量的设置.客户端计算机定义OPC I/O驱动来访问PLC.并在数据库中建立变量对应PLC的模拟量,以实现数据采集.客户设置完成 ,进入运行状态,数据采集成功.监控中心计算机开启Sever组件允许客户端的请求并建立连接.在其数据库中定义变量和客户端数据库变量建立连接,调用数据.设定完成后进入运行状态. 演示开始,客户端数据库数据采集成功,监控中心计算机和客户端计算机 通讯成功,数据采集成功.图4.4 以太网通讯方式图4.2.3 试验小结客户端计算机与PLC的通信方式有多种形式:通过串口通信;a、通过PLC以太网模块进行局域网的通信;b、通过串口转以太网的局域网通信.通过Profibus方式通讯;c、通过485总线方式进行通信等.以上方案技术上都可行,但结合经济、安全性和实用的方面来考虑，选择通过485总线方式和PLC串口转以太网这两种方式有更高的可行性.4.3 性能测试4.3.1 实验目的测试本系统的稳定性和可行性；通过30分钟对PLC传上1800个点的数据采集，来分析此系统的各项性能；对此系统几种主要的通讯方式的探讨。4.3.2 实验设备1、力控5.0组态软件；2、西门子S7-200；3、S7 STEP7 V4.0西门子编程软件；4、3台计算机：其中2台在同一局域网中，另一台在广域网中。4.3.3 测试原理本次试验中，系统主要采用组态软件中PORTSEVER和WEBSEVER发布的通讯方式来实现，其中在局域网中的1台计算机做数据源，利用组态软件与事先设定好的S7-200 CPU222进行通讯，并采集其数据；局域网中另外1台计算机通过内网采集数据源计算机中的数据；外网中的计算机通过INTERNET采集数据源计算机中的数据。原理图如图4.5。图4.5 实验原理图4.3.4 Portsever方式通信的步骤1、分别在3台计算机上安装S7-200 STEP7 V4.0软件和力控5.0组态软件，并统一3台计算机的时间。2、PLC通过串口方式连接计算机，通过STEP7 V4.0软件设置其通讯地址2，如下图所示：图4.63、通过STEP7 V4.0软件对S7-200进行简单程序设计，如下图：图4.7其实现的功能为： T37代表测试开始后（I0.0按下），实际所用的时间，组态软件通过VW0读取T37的数值，用来测试几种通讯方式下分别的延迟时间。3、对组态软件做简单的编程，其画面如下图所示：图4.84、设置组态软件与S7-200PLC通信各项参数，必须与PLC的预先设置参数相同，如图所示：5、设置路由器（打入网关地址），利用端口映射，使端口2500对应本机地址。6、通过力控软件设置参数与PLC中的VW0对应，对其数据采集，开启PORTSEVER服务器，其他计算机可通过上步设置的地址可对其本计算机进行数据采集。具体设置如下图。图4.97、实验小结（1）局域网计算机存在比较大的延时，本次测试时间为30分钟，对180个点的数据进行采集分析，其中最大的延迟时间为9.6s，最短延迟时间为8.2s，平均延迟时间为9.0s，此间数据传输正常，数据无丢失、错码。局域网通讯方式下的此次试验的延迟时间较为不理想，分析原因可能如下：a、是计算机防火墙、杀毒软件造成数据延迟，对软件配置做修改之后，延迟时间基本不变；b、关闭了36