（控制理论与控制工程专业论文）基于web的远程监控系统研究.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导f 进行的研究l 作厦取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中币包含其他 已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他 巳申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：瓣 渺拌 月日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理i ：人学有关保护知以产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保址 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为两安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许纶文被查闯或借闽；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制于段保存论 文。 ( 保密的学位论文征解密后廊遵守此规定) 论文作者签名：# 擗睁师签名 。h 1 年 月 e t 摘要 基于w e b 的远程监控系统研究 学科：控制理论与控制工程 研究生：闰全成( 签名： 导师：刘丁教授 ( 签名： 杨延西讲师( 签名 摘要 本文对刚络控制系统和基丁网络的远程通信这两个问题做了研究。 论文首先对一些经典的控制系统做了研究，阐述了d c s 、f c s 、以太网控 制网络的应_ l j 现状、技术特点、晟新进展、发展趋势及基本的结构。控制系统 最终将发展成为与i n t e r n e t 集成的具有远程监控功能的网络控制系统。 在系统研究的基础上，论文提出了三种远程监控系统的方案，分析了两种 监控系统的优缺点。 在实际项口中，对本文提出的前两种监控方案进行了实践论文对实践的 结果做了阐述。 实际项目调试中，由丁现场有人量的干扰源存在，发现传输的数据信号中， 有人茸的噪声，冈此，我们h j 小波分析的方法做了数据滤波的仿真。论文中， 我们给出了小波消噪的基本原理雨i 仿真的结果。 另外，考虑今肝以太网作为现场控制网络的优越性和现在测控设备的现状， 西安理工大学硕士学位论文 我们提 了一种基丁单片机的雌太网测控网关的设计方案，给出了电路幽，开 发了相关的计算机驱动科序和单片机驰动稗序。 关键词：远群监控控制网络，数字滤波，单片机，以太网测控网关 垒呈! ! 坠兰! 一 r e s e a r c ho f fr e m o t es u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mb a s e do nw e b s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g a u t h o rq u a n c h e n gy a n ( s i g n a t u r e ：l s u p e r v i s o r ：p r o f d i n gl i u ( s i g n a t u r e ：) l e c t o r y a n x iy a n g ( s i g n a t u r e ：) a b s t r a c t t h i st h e s i si sc o n c e r n e dw i t hp r o b l e m so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m a n d r e m o t ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nn e t w o r k f i r s ti n v e s t i g a t i n ga n dd i s c u s s i n gs e v e r a lc l a s s i c a lc o n t r o ls y s t e m s ，t h et h e s i s s u m m a r i z e st h en e w e s tp r o g r e s sa n dp r e s e n ta p p l i c a t i o na n dm a j o rf r a m e w o r k c o n t r o ls y s t e mw i l lf i n a l l yb ed e v e l o p e di n t or e m o t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m c o n n e c t e dw i t hi n t e r n e t w i t hc o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n sa n dr e f e r e n c e s ，t h et h e s i sp r e s e n t st h r e e s c h e m e so fr e m o t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma n dt h ev i r t u e sa n dd e f e c t so ft h e s e c o n t r o ls y s t e m si nt h es c h e m e sa r ea n a l y z e da n da l s op o i n t e do u t t w of o r e g o i n gs c h e m e so fr e m o t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mw e r ep r a c t i c e d i nt h ep r o j e c t s i nt h i sp a p e r , t h ep r a c t i c a lr e s u l t si nt h ep r o j e c t sa r eg i v e n i nt h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n go ft h es u p e r v i s o r yp cp r o g r a m 。w ef o u n dt h a t t h e r ew e r em u c hn o i s ei nt h et r a n s m i t t e ds i g n a lb yt h er e a s o no ft h ep l e n t yo f e l e c t r o m a g n e t i s m in t e r f e r e n c ee q u i p m e n t si nt h ef a c t o r y t h e r e f o r e ，d i g i t a lf i l t e r 西安理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i o ni sm a d et or e m o v et h en o i s ei nt h es i g n a lb yw a v e l e tt r a n s f o r ma n dt h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o ni sg i v e ni nt h et h e s i s i n a d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h e v i r t u e so f e t h e r n e tc o n t r o ln e t w o r ka n dt h e c u r r e n tc o n d i t i o n so fs u p e r v i s o r ye q u i p m e n t s ，ad e s i g no fe t h e r n e t s u p e r v i s o r y g a t e w a yb a s e do ns i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ri sp r o p o s e di nw h i c ht h eh a r d w a r e i n t e r f a c ec i r c t d t r yi sg i v e n t h e s ek e yp r o g r a mc o d e sa r eo f f e r e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：r e m o t es u p e r v i s o r y ，c o n t r o ln e t w o r k ，d i g i t a lf i l t e r ，s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，e t h e r n e ts u p e r v i s o r yg a t e w a y 西安理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，通过信息交换，可以 沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次， 覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发 展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基 础的企业信息系统。计算机技术、控制技术、网络与通信技术的结合，孕 育了控制网络技术“。 随着控制网络技术发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断出现， 并随着在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就使人们对系统的综 合性能尤其是其安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统设备的工 作状况进行实时监测和控制并在此基础上实现设备的智能维护。对企业 自动化的设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制，不仅可以方便设 备管理者随时了解设备的工作状态，设备出现异常时主动报警，便于及时 维修，而且还町以拓宽设备的服务范围，提高工作性能，延长使用寿命。 这一目标的实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高 的要求。 这一切都要求我们对控制网络系统和远程通信技术进行研究，以便顺 应控制网络与信息网络集成的趋势，组建企业信息网络系统，借助i n t e r n e t 或其他网络，对企业现场生产过程信息进行远程监控。 国外对控制网络系统的远程监视与控制研究的较多，现在国外最先进 的控制网络技术是以太网作为现场控制总线，并且与i n t e r n e t 集成，实现 了企业信息系统的远程化和以太网一体化。在工业控制领域，美国o p t 0 2 2 公司采用嵌入式i n t e r n e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统”s n a p 绪论 i 0 系统，通过i n t e r n e t 对分布在远程设备现场的i o h 进行访问，从而 实现对远程设备的监测和控制。s n a pi 0 模块采用工业级的标准进行设计 和牛产，可以应用于非常恶劣的工作现场和操作环境中，对i 0 的读写控 制是通过标准w e b 浏览器实现的，提供对s n m p 、u d p 、p p p 及h t m l 等协议的支 持，目前，s n a pi o 已成功应用于工业过程控制、路桥收费系统监控、输 油管线的监控及楼宇的智能化监控等多项工程中。在家庭自动化领域，s e n a 公司丌发了一个小型的实验室系统，让全球的i n t e r n e t 用户在网上访问并 控制实验室的智能设备。这些设备包括0 - - 1 0 0 亮度的台灯，0 1 0 0 速度 的电风扇以及开关式的壁灯。”5 1 。 目前，国内对控制网络的研究只局限于现场总线网络上。也有部分学 者对工业以太控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未进入实质研究 阶段。在控制网络的远程通信方面，国内有的企业的控制网络通过电话线 利用m o d e m 进行数据通信，实现了对现场设备的远程监控，但这些系统在丌 放性、互操作性上存在一些缺陷，系统造价也较高，无法满足客户更高的 舱控要求”1 。 现在国内对控制网络技术和远程监控技术的研究与发达国家还有一定 差距，基于这种局面，本课题在现场控制网络系统及其远程通信方面做了 一些研究工作。 1 2 本论文的主要工作 本论文围绕一些控制网络技术的热点问题，追踪最新控制网络系统的 发展，并结合做实际项目的体会和经验，在研究生学习期间，做了以下研 究工作： 1 对控制网络技术和控制网络系统做了较详尽的研究，这些工作主要体现 在本论文的第= 章、第三章中；论文的第二章简要介绍了控制网络系统 的发展现状，综述了集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 和工业以太网在工业控制中的应用现状、技术特点、发展趋势及基本结 西安理工大学硕士学位论文 构。同时也提到了目前三者在国内的应用现状，并阐述了各网络控制系 统在实际应用中的缺陷及解决方案。 2 论文的第j 章除了简要介绍了远程通信的原理，提出了三种远程监控系 统的方案，并设计了基于单片机的以太网测控网关，以便组建远程以太 控制网络系统。 3 论文的第四章主要介绍“亲水涂层生产线上位机监控系统”和“彩涂钢 板生产线上位机监控系统”这两个项目的软硬件设计以及相关的实际测 试情况。 4 在以上两个项目的实际调试过程中，我们发现现场存在大量的干扰源， 于是我们数据处理与滤波方面又做了一些工作，设计了实现信号数据处 理和去除噪声干扰的时域滤波方法。这些将在第五章中介绍。 控制网络的研究 2 控制网络的研究 2 1 引言 控制网络即网络化的控制系统，又称为网络控制系统，d c s 、工业以 太网和现场总线系统都属于网络控制系统，它体现了控制系统向网络化、 集成化、分布化、节点智能化的发展趋势，控制网络系统成为控制界研究 的热点”1 。 7 0 年代中期，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展成为目前应 用广泛的集散控制系统( d c s ) 。虽然d c s 技术已经发展到相当成熟的地 步，但它存在许多缺点，其就是一对一的结构特点。现场总线的出现促 进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更强大。这一改 进带来了过程控制系统的丌放性，使系统成为具有测量、控制、执行和过 程诊断的综合能力的摔制网络。然而目前国际上有四十多种现场总线，由 于不同总线代表不同公司的利益，各大厂商都在积极参与和把持标准的制 定t 作。这导致了在现有的产品结构和应用水平上，现场总线领域已经很 难统一，使其不易广泛应用。而将以太网作为高性能现场总线是极好的选 择，因为目前的以太网技术是最符合控制网络系统现场总线特点( 数字式 互联网络、互操作性、丌放性和高网络性能) 的技术“。 2 2控制网络的应用现状和基本结构 目前，国内外应用较多的网络控制系统是集散控制系统和现场总线控 制系统，最有发展前景的是以太网控制系统，下面简要介绍这三种网络控 制系统。 2 2 1 集散控制系统( d c s ) 应用现状： 4 西安理工大学硕士学位论文 集散控制系统( d c s ) 从1 9 7 5 年问世以来，大约有3 次比较大的变革，7 0 年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各d c s 厂家自己 丌发，也没有动态流程图，通信网络基本上都是论询方式工作的；8 0 年代 通讯网络较多使用令牌方式；9 0 年代操作站出现了通用系统，9 0 年代末通 信网络有的部分遵循t c p i p 协议，有的丌始采用以太网。2 0 多年以来， d c s 已经广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统的主流， 目前我国现场控制系统一般采用d c s 。 基本结构”1 ： 如图2 1 所示为一个集散控制系统的典型结构，系统中的所有设备分 别处于四个不同的层次，自上而下分别是：管理级、监控级、控制级和现 场级。对应这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络f n e t ( f i e l d n e t w o r k ) 、控制网络c n e t ( c o n t r o ln e t w o r k ) 、监控网络s n e t ( s u p e r v i s i o n n e t w o r k ) 和管理网络m n e t ( m a n a g e m e n tn e t w o r k ) 把相应的设备连接在 一起。 l 管理计算机ii 管理计算机l i m n c t 上上上上 f 臣i 审固豳h 千站。 噱作站 _ 。一 1 通信接u i 1 通信接u l 过程控制站。 1 c n e t 数据采集站。- 。c n e t 草率拄摹奉控摹率控数据输入 数据输入数据输入 制学元制甲j 制单元输出单元输m 单元 输出单元 图2 - 1 集散控制系统的典型结构 控制网络的研究 2 2 2 现场总线控制系统( f c s ) 应用现状： 现场总线发展迅速，现在处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已经 丌发出4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s 、b i t b u s 、d e v i c e b u s 、a r c e n t f i p 、i s p 等，其中最有影响力的有5 种，分别为f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 、l o n w o r k s ， 基本结构”“。： 现场总线控制系统作为第五代过程控制体系结构目前还处在发展阶 段，各种现场总线控制系统层出不穷，其系统结构形态各异，有的是按照 现场总线体系结构的概念设汁的新型控制系统，有的是在现有的d c s 系统 ：扩充了现场总线的功能。为了便于讨论，我们将重点放在监控级、控制 级和现场级。监控级之上的管理级、决策级等不予考虑。因此我们可以把 f c s 分为三类：一类足由现场设备和人机接e l 组成的两层结构的f c s ，另 一类是由现场设备、控制站和人机接口组成的三层结构f c s ，还有一类是 d c s 扩充了现场总线接口模件所构成的f c s 。这里只介绍具有两层结构 的f c s 。 具有两层结构的f c s 如图2 - 2 所示。它由现场设备和人机接口两部 分所组成。现场设备包括符合现场总线通信协议的各种智能仪表。例如， 现场总线变送器、转换器、执行器等。由于系统中没有单独的控制器，系 统的控制功能全部由现场设备完成。例如，常规的p i d 控制算法可以在现 场总线变送器和或执行器。人机接口设备一般有运行员操作站和工程师工 作站。运行员操作站或工程师工作站通过位于机内的现场总线接口卡与现 场设备交换信息，人机接口之间或人机接口与更高层设备之间的信息交换， 通过高速以太网实现。高速以太网上还可以连接需要高速通信的现场设备， 例如可编程逻辑控制器( p l c ) 等。 这种现场总线控制系统结构适合于控制规模相对较小、控制回路相对 独立、不需要复杂协调控制功能的生产过程。在这种情况下，由现场设备 所提供的控制功能即可以满足要求。因此在系统结构上取消了传统意义上 西安j e _ r - 大学硕士学位论文 的控制站，控制站的控制功能下放到现场，简化了系统结构。但带来的问 题是不便于处理控制回路之间的协调问题，一种解决办法是将协调控制功 能放在运行员操作站或者其他高层计算机上实现，另一种解决办法是在现 场总线接口卡卜实现部分协调控制功能。 人机接u 现场挫稀 高速以太嗣 图2 - 2 两层结构的f c s 2 2 3 以太网网络控制系统 应用现状“”： 工业自动化控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越 复杂，内部的连接越来越紧密化高速化。更多的是系统细分成了独立的控 制孤岛。这样就要求未来的控制网络具有更好的开放性，更高的带宽，更 好的确定性以及更方便的与i n t e m e t 集成。 基于以上要求，在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选 择。 目前，国内以太网还只适合于工业控制网络系统的信息层应用。国外 已经将以太网用于现场控制层。如西门子公司的t e l e p e r mx p 和a b b 公司的a d v a n t 系统，在控制级网络中采用了标准以太网。美国的m c s 公 司的步子最大，在其1 9 9 8 年推出的m a x l 0 0 0 + p l u s “。系统中，主干通信 网络没有划分为监控级网络、现场控制级网络等层次，全部采用工业标准 以太网和t c p i p 协议。 控制网络的研究 另外，一些机构和企业正在进行一些关键技术的研究，以便使以太网 应用于工业控制现场。1 9 9 9 年发起成立了“工业以太网协会”( i e a ， i n d u s t r i a le t e m e t a s s o c i a t i o n ) ，其目标是解决以太网作为工业现场总线所遇 到的确定性、实时性、安全性、抗干扰能力等难题。为解决在无间断的过 程工业应用领域，以太网能在极端条件下稳定工作，美国的s y n e r g e t i c m i c r o s y s t e m 公司和德国的h i r s c h m a n n 公司专门开发和生产了导轨式收发 器系列、集线器系列和交换机系列，他们安装在标准d i n 导轨上，并有冗 余电源供电：接插什采用牢固的d b 一9 结构。美国n e ts i l i c o n 公司研制 的_ t 业以太网通信接 | 芯片，具有极大发展优势。 现在，p r o f i b u s 、d e v i c c n e t 和l o n w o r k s 等都打算使用以太网。这些 公司都在研究通过一种称作管道( t u n n e l ) 的简单传递机构使用以太网传 送报文。这种方法简单可行，现场装置保持不变，仅需要一个专用的以太 网接口取代原柬的总线驱动器就可以完成与以太网的连接。与此同时，美 国电气工程师协会( i e e e ) 正着手制定现场装置与以太网通信的新标准。 陔标准能够使网络直接“看到”对象( o b j e c t ) 。这些工作为以太网进入工 _ p 自动化的现场级打下了基础。 过去，诸如g e 、r o c k w e l l 、m o o r a u t o m a t i o n 和s i m e n s 等生产p l c 为 主的公司都使用以太网完成信息级通信，其中西门子公司的s i m a t i c n e t 则将工业以太网应用到车问级。此外，生产d c s 的公司的投入也促进了以 太网广泛应用于过程自动化的监控级，如f o x b o r o 公司将以太网用于 n o d e b u s 、a b b 公司将以太网用作m a s t e r b u s 3 0 0 。在上海举行的第四届i a c 展览会上，s c h n e i d e r 公司展出了完全以工业以太网为基础的控制系统。该 系统采用t c p i p 通信协议，配备w e bs e r v e r 功能以浏览p l c 内容，提供 现场总线段以太网i o 网络和支持以太网的i o 模块，并提供整套工业以 太网设备，包括工业用集线器、交换机、收发器和电缆。由此可以预见。 像当年的p c 机进入i ：业自动化领域一样，以太网将会十分迅速的进入工 业控制级的各级网络。 西安j e y - 大学硕士学位论文 基本结构： 现在，以太网控制网络的结构并没有什么标准的模型，目前，较为实 用的一种以太网控制网络的结构是现场总线和以太网一起来做现场控制总 线的混合控制网络结构；另一种则是全以太网结构，这是未来的发展趋势。 1 1 混合州络结构“”1 操作嗍络 挣制m 络 幽2 3 以太网混合网络结构 如图2 3 所示，该以太控制网络系统以交换式集线器或网络交换机为 中心，采用星型结构。以太控制网络以网络交换机为中心，包括数据库服 务器、文件服务器。以太网交换机有1 0 m b p s ，2 5 m b p 和1 0 0 m b p s 等带宽 端口，一般通过l o m b p s 网络交换机端口连到服务器，以满足工业p c 、p l c 、 嵌入式控制器、工作站等频繁访问服务器时对网络带宽的要求。 监视工作站用于监视控制网络工作状态，控制设备可以是一般的工业 控制计算机系统、现场总线控制网络、p l c 、嵌入式控制系统等。一般等 待工业控制计算机系统通过以太网卡接入网络交换机或集线器：现场总线 控制网络通过数据网关与以太网卡接入网络交换机或交换式集线器；p l c 的接入有两种情况，带有以太网卡的p l c 可通过以太网卡接入网络交换机 或交换式集线器，普通不带以太网卡的p l c 要通过4 8 5 2 3 2 转换及工业控 制计算机接入嘲络交换机或交换式集线器；嵌入式控制系统可通过嵌入式 9 控制网络的研究 控制器自带的以太网f 接入网络交换机。 当控制网络规模较大，可采用分段结构，连成更大的网络，每一个交 换式集线器及控制设备构成相对独立的控制子网。若干个控制子网互联组 成规模较大的控制刚络。 2 ) 全以太网结构” 操作叫络 控制刚纤 t 业 监视t p c 作站 。_ _ 。 高速以太m i 集线器i l 工业以太州 囱肉离旧 幽2 4 全以太网结构 如图2 4 所示，在这种结构中，无论是控制网络的高层还是现场控制 层，采用的网络都是以太网，运行的协议都是t c p i p 协议，精简了网络， 减少了网络成本，易于扩展，互操作性和开放性大大增强。 此种结构的网络控制系统中的组件功能如前，只是现场设备嵌入了以 太网控制芯片，使现场测控设备能直接接入以太网。 2 3 小结 在本章中，介绍了d c s 、f c s 、以太网控制网络的应用现状、技术特 点、发展趋势及基本的结构，给出了基本的结构图。 o 西安理工大学硕士学位论文 3 远程监控系统的原理与实现方案 控制网络一般指应用于完成自动化任务的网络系统。它的网络节点除 了普通计算机、上作站外，更有大量的具有计算与通信能力的测控设备。 测控设备分布在1 、建筑物和家庭中，用于生产和生活的方方面面。 信息网络一般指在办公自动化和通信等领域被广为采用的计算机网 络，通过它人们可以获敬信息、管理信息、处理信息。这类网络的特点是： 通信信息量大，经常传送文档、报表、图形以及音频、视频等多媒体信息。 所谓远程监控系统就是能够与地理上相距较远的信息网络通信的网络 控制系统，将本地的网络控制系统利用远程通信技术与信息网络集成，就 可以构造远程监控系统”1 。 3 1 控制网络的远程通信原理 当控制网络与信息网络地理上相距较远时，可应用远程通信技术实现 控制网络与信息网络的集成。远程通信技术有：利用调制解调器的数据通 信、基于t c p i p 通信技术等。 3 1 1 利用调制解调器的数据通信m 利用m o d e m 数据通信实现控制网络与信息网络的集成的基本模式如 图3 1 所示： m o d e mm o d e m 图3 1 利_ i j m o d e m 数据通信 在图3 1 中，控制网络工作站与信息网络工作站通过m o d e m 、公用 交换电话网p s t n 进行数据通信，实现控制网络与信息网络的集成。 通信程序由w i n d o w s 的电话应用程序接口( t a p i ) 实现。t a p i 提供 1 1 远程监控系统的原理与实现方案 了通过m o d e m 和标准电话线实现远程通信的手段。 1 ) 标准 应用i t u tv 3 2 串行通信方式。链路层控制规程可选，它规定了 m o d e m 的数据传输速率，传输的数据格式。 2 ) 数据通信过程 数据通信过程如图3 2 所示： 阶段a 盟堕塾型j 一 阶段b ( 建链、交换过程) 从站 呼叫建立 一 i d 、密码 。1 。一v - - 识别证实 阶段c 信息文电 ( 通信过f ￥) 一一一 阶段d ( 证实、拆链过稗) 通信结束 - - - 通信结束、证实 一 阶段e ， ( 呼叫过程) 幽3 - - 2 数据通信过程 3 ) 链路层控制规程 链路层控制规程为应用层提供无差错的数据传输，完成对应用层数据 信息文电的装卸。 4 ) 应用层规程 应用层数据单元的信息格式可选，一般选用标准格式，标准格式如下： ? ? ? 西安理工大学硕士学位论文 h e a d ：标题( 报头) ，表示不同功能的命令或响应类型，用两个字符 表示，取值范幽为“0 0 9 9 ”。 n u m b e r ：表示发送的信息文电序号，取值为“0 ”或“1 ”，分别表示 发送偶数信息文电或发送奇数信息文电。 c o u n t e r ：为数据单元串的s t r i n g 的个数，用两个字符表示。 s t r i n g ：数据单元串的内容，表示信息文电的正文。 应用层会话过程：主站与从站之间通过口令数据命令和口令数据响应 建立通信链路：然后，主站向从站传送数据通信启动命令，根据数据通信 启动命令中参数的不同取值，主站和从站之间进行不同内容的通信。 报告传送完成后，检查是否还有信息传送，如有特定的一些信息需要 传送，则继续进行相应的通信过程，否则结束通信。 3 1 2 基于t c p i p 的远程通信技术 i n t e r n e t 是当今规模最大的网络。t c p i p 是i n t e r n e t 的基础。i n t r a n e t 已经成为企业信息网络的主流。因此，基于t c p i p 的远程通信技术对实 现控制网络与信息网络的集成具有广阔的应用前景。 1 t c p i p 概述。= ! ”【 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议 网间协议) 是一套工业标准协议。t c p i p 提供标准的可路由的网络协议， 简化了异种机环境互联的体系结构，并使访问世界范围的i n t e m e t 及其资 源成为可能。 t c p i p 是物理网e 的一组完整的网络协议，如果用o s i 来描述，t c p 相当予传输层，它保证信息的可靠传输，而i p 提供网络层服务，完成节点 的编址、寻址和信息的封装与分解。t c p i p 是一组协议的代名词。它包含 了许多其他协议，其层次结构如图3 3 所示： 图中硬件接r 】代表t c p i p 的物理基础，如以太网、令牌环网等。 远程监控系统的原理与实现方案 应州层 报义流 传输层； 传输分细： - 一一一- 网问网层： 竖塑誉? j j ? 网络接口层： 凰一一熙 o s i 第5 7 层 o s i 第4 层 o s i 第3 层 b s l 第1 2 层 图3 3t c p i p 协议结构 2 基于t c p f l p 的通信程序设计 1 1w i n s o c k 概述 w i n s o c k ”1 ( w i n d o w ss o c k e t ) 是w i n d o w s 操作系统下的通用的t c p i p 应用程序的网络编程接u 。目前，w i n d o w s 下的i n t e m e t 软件都是基于 w i n s o c k 丌发的，而且，w i n s o c k 已经被集成到w i n d o w s 及w i n d o w sn t 巾。 设置s o c k e t 编程接n 的日的是解决网间网进程问通信问题。抽象的看， s o c k e t 实质上提供了进程通信的端点。网间网内部每一个s o c k e t 用一个 半相关描述：f 协议，本地地址，本地端口 ；一个完整的s o c k e t 连接则用 一个相关来描述： 协议，本地地址，本地端口，远地地址，远地端1 3 ； 每一个s o c k e t 都有个本地唯一地s o c k e t 号，由操作系统分配。 简单地讲，程序员可以将s o c k e t 看成一个文件指针“，只要向指针对 应的文件读写数据，就可以实现网络通信。一个应用程序可以同时申请多 个s o c k e t ，即可以| 一时与多个应用程序通信。图3 4 简要表示了一个s o c k e t 连接。 西安理工大学硕士学位论文 p ：1 4 09 6 i i i4 p o r t ：1 0 2 9 指定1 6 93 4i2 3 4 地址的 p o n 2 3 幽3 - - 4 一个s o c k e t 连接 i p ：1 6 93 41 2 3 4 p o n ：2 3 2 1 客户机服务器模型”1 在t c p i p 网闻网中，最重要的进程问相互作用的模型是客户机服务 器( c s ) 模型，它将网络应用程序分为两部分：客户和服务器。 c s 并非是一种物理结构，也就是说，客户机、服务器并非一定是两 台计算机，他们可能位于同一台机器上，甚至客户机和服务器的地位可以 互换，某一时刻处于客户机地位，在另一时刻可能充当服务器角色。所以， 对c s 的理解应该是应用程序问相互作用的一种模型。 客、机程序( 进程) 发送请求给服务器程序( 进程) ，服务器进程对客 户机的请求做出响应，并返回结果。一般来说，服务器进程完成一些较通 用而特殊的处理，如进行一些复杂的计算、大型数据库的查询等。而客户 机进程则山于将上述一些特殊的应用交由服务器进程处理，因而可以专心 与其他工作，如事务处理、人机交互等。 3 1w i n s o c k 编程“ w i n s o c k 编程分为面向连接和无连接两种。面向连接的编程传输层协 议用的是t c p ，无连接的编程传输层协议用的是u d p 。 面向连接的s o c k e t 如图3 5 所示，面向连接的服务器必须首先启动， 建立本地s o c k e t 后，用b i n d 方法指定用于t c p 联机的l o c a l p o r t 和l o c a l l p 。 然后用l i s t e n 方法监听是否有c o n n e c t i o n r e q u e s t 事件发生，如果有 c o n n e c t i o n r e q u e s t 事什发生，服务器端用a c c e p t 方法接受联机请求，这个 远程监控系统的原理与实现方案 时候引发客户端的c o n n e c t 事件，连接建立，可以进行数据传输。客户端 用s e n d 方法发送数掘，服务器端调用r e c v o 接受数据。服务器端也可以调 用s e n d ( ) 发送数据，客户端调用r e c v o 接受数据。 服务器客户 幽3 5 面向连接的s o c k e t 无连接的s o c k e t 服务器也必须首先启动，服务器和客户双方都通过 s o c k e t ( ) 和b i n d ( ) 建立本地半相关。在传输数据之前，无连接的两个端点已 建立起来，分别以一个本地s o c k e t 号和信宿端s o c k e t 地址，这样，一个完 整的相关就在数据收发过中动态的建立起来了。与面向连接的s o c k e t 不同 的是，无连接的s o c k e t 的通信过程中，服务器与客户不需要建立虚拟链路， 每个数据分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立传输。 西安理工大学硕士学位论文 3 2 几种远程监控网络方案的提出 在参考前面介绍的d c s 、f c s 基本模型及远程通信原理的基础t ，本 文提出了几种具有远程通信功能的控制网络方案，并在实际项目中加以实 践，取得了较好效果，下面对这几种方案加以简要介绍。 3 2 1 简单的现场总线远程监控方案 方案网络结构如图3 6 所示，本方案是一种通用的低成本的远程监控 本案，它比较适合与监控系统规模较小，现场设备的控制算法比较简单的 场合。 图3 6 简单的现场总线远程监控方案 在系统的现场层，控制网络既可以足传统的r s 4 8 5 4 2 2 总线，也可以 是现在流行的f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 等现场总线，或是两 者的混合控制网络。采用r s 4 8 5 4 2 2 总线相对于f f 、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、c a n 等现场总线而言，具有结构简单、成本低廉、硬软件支 持丰富、安装方便，并且与传统d c s 兼容，与现场仪表接口简单，系统实 远程监控系统的原理与实现方案 施容易等特点，因而在国内，r s 4 8 5 4 2 2 总线系统在一定时间内仍是一些 l 卜| 小型控制系统的主要形式。总线上的智能仪表完成对现场设备的实时控 制，并通过总线将些现场设备的参数送到监控层的工控机中；总线上还 可以挂接一些a d 模块、p l c 等设备，完成对现场设备的数据采集、顺序 控制等功能。 在系统的监控层，采用工控机对生产过程控制系统进行监控，通过计 算机的串口或现场总线接口卡，与现场仪表等设备通信。工控机内监控软 件可以完成现场实时动画画面显示、数据处理和存储、现场设备参数给定、 报表打印、报警等功能。 现场工控机，可以直接通过m o d e m 和公用电话网与远程监控计算机 通信。远程计算机呵以完成现场动画画面显示、数据存储、现场设备参数 给定等功能。选用公用电话网进行远程监控，不用专门铺设相关的局域网 络，而且技术也已经较成熟，降低了系统成本。特别适合那些没有企业局 域网的厂家。 如果企业内有内部局域网，现场监控计算机可通过局域网接入 i n t e r n e t ，系统的简化结构如图3 7 。 幽3 7 简单的现场总线远程监控方案简化结构 监控计算机可以通过企业的局域网接入i n t e r n e t ，监控计算机与远程讨+ 算机内可采用w i n s o c k 编程，以t c p 或u d p 的方式进行通信。系统内服 务器可以作为监控计算机与i n t e m e t 之间的代理服务器或防火墙，另外也 可以作为系统的数据库服务器，以减轻监控计算机的负担。 本远程监控方案缺点是系统的分散性不强，系统内不适合集成复杂的 控制算法，系统不易扩展。 西安理工大学硕士学位论文 我们在“亲水涂层生产线上位机监控系统”这个实际项目中，对此方 案进行了实践，取得了较好的效果。具体实践过程和结果将在第四章加以 阐述。 3 2 2 基于k i n g v i e w 软件的客户一服务器方案“ 此方案是针对北京亚控公司的组态软件k i n g v i e w 提出的网络模型。网 络模型如图3 8 所示。 i o 现场总线 9 l c 现场智能仪表 幽3 8 基丁k i n g v i e w 软件的客户一服务器方案 览器 此系统方案是完全基于网络的，是一种真丁f 的客户- n 务器模式，支 持分布式历史数据库和分布式报警系统，可运行在基于t c p i p 网络协议 的网上。 这种网络结构是一种柔性结构，可以将整个应用程序分配给多个服务 器，这样可以提高项日的整体容量结构并改善系统的性能。服务器的分配 可以是基丁项目中物理设备结构或不同的功能，用户可以根据系统需要设 立专门的i o 服务器、历史数据服务器、报警服务器、登录服务器和w e b 服务器等。 1 0 服务器：负责进行数据采集的站点，一旦某个站点被定义为1 0 服 务器，该站点便负责数据的采集。如果某个站点虽然连接了设备，但没有 1 9 远程监控系统的原理与实现方案 定义其为i o 服务器，那这个站点的数据照样进行采集，只是不向网络上 发布。1 0 服务器可以按照需要设置为一个或多个。 报警服务器：存储报警信息的站点，一旦某个站点被指定为一个或多 个i o 服务器的报警服务器，系统运行时，i o 服务器上产生的报警信息将 通过网络传输到指定的报警服务器一卜，经报警服务器验证后，产生和记录 报警信息。报警服务器可以按照需要设置为一个或多个。报警服务器上的 报警组配置应当是报警服务器和与其相羌的i ，o 服务器上报警组的合集。 历史数据服务器：与报警服务器相同，一旦某个站点被指定为一个或 多个i o 服务器的历史数据服务器，系统运行时，i o 服务器上需要记录的 历史数据便被传送钊历史数据服务器站点上，保存起来。历史数据服务器 叫。以按照需要设置为一个或多个。 登录服务器：臀录服务器在整个系统网络中是唯一的。它拥有网络中 睢的用户列表，其它站点上的用户列表在整个网络中将不再起作用。所 以用户应该在登录服务器上建立最完整的用户列表。当用户在网络的任何 个站点上登录时，系统调用该用户列表，登录信息被传送到登录服务器 f 二，经验证后，产生登录事件。然后，登录事件将被传送到该登录服务器 的报警服务器上保存和显示。这样，保证了整个系统的安全性。另外，系 统网络中工作站的肩动、退出事件也被先传送到登录服务器上进行验证， 然后传到该登录服务器的报警服务器上保存和显示。 w e b 服务器：w e b 服务器是保存组态王f 0 ri n t e r n e t 版本发布的h t h l 文件，传送文件所需数据，并为用户提供浏览服务的站点。 客户：如果某个站点被指定为客户，可以访问其指定的i o 服务器、 报警服务器、历史数据服务器。一个站点被定义为服务器的同时，也可以 被指定为其它服务器的客户。 一个工作站站点可以充当多种服务器功能，如i o 服务器可以被同时 指定为报警服务器、历史数据服务器、登录服务器等。报警服务器可以同 时作为历史数据服务器、登录服务器等。如果一个工作站站点充当了多种 西安理工大学硕士学位论文 服务器功能，那么此种方案就可以转换为第一种方案了。 这种方案的优点是完全基于网络的，易于跟i n t e r n e t 集成，系统中每 一部计算机所承手旦的功能被细化，这样整个系统的计算、数据处理、通信 等功能大大加强，系统中可植入复杂的控制算法，适合与一些复杂的控制 系统。另外，它是k i n g v i e w 支持的网络