（控制理论与控制工程专业论文）基于profibus总线过程控制与远程监控实验系统.pdf

摘要 随着网络技术、计算机技术和远程监控技术的不断发展，使得过 程控制远程监控实验成为可能。本论文在中南大学信息科学与工程学 院测控技术与系统实验室原有过程控制装置的基础上，研究开发一套 基于p r o f i b u s 现场总线过程控制与远程监控实验系统。该系统的 开发对解决由于学生人数多带来的实验装置不足、教师劳动强度大以 及实验装置重复建设等问题具有重要意义。 基于p r o f i b u s 现场总线过程控制与远程监控实验系统由底层 控制层、现场监控层以及远程监控层三层结构组成。远程监控层用于 动态网页的发布和实时数据的交互；中间层为现场监控层，具有向远 程监控层提供实验数据以及和底层控制层p l c 主站之间通信的功能； 底层控制层采用p r o f i b u s d p 总线控制网络，实现p l c 主站和从 站之间的通讯。 系统采用s i m a t i cs t e p7 进行硬件组态与软件编程，并用 w i n c c 实现监控计算机与p l c 的动态连接及监控界面的开发。应用 o p c 数据传输技术实现控制网络与信息网络的一体化；根据实时数 据和历史数据不同的传输要求以及信息流的不同传输通道，采用 a p p l e t ，j s p s e r v l e t ，s o c k e t 编程技术，并通过w e b 服务器，为i n t e m e t 客户提供访问实验系统的平台，实现实时数据和历史数据的分类访 问，达到远程监控的目的。 目前这套系统应用在测控技术与系统实验室，实现对压力、流量、 液位、温度流量和温度五套实验装置的实时控制和远程监控，取得 了较好的效果。以液位控制装置为例，开发本地实验与远程监控实验， 实验结果表明，本系统具有实时性、动态交互性和跨平台性等特点， 达到了预期目标。 关键词：现场总线，过程控制，远程监控，o p c ，j a v a a b s t r a c t t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e m i s p o s s i b l et ob e r e a l i z e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g ya n dt h er e m o t ep r o c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so f t h e o r i g i n a lp r o c e s s - c o n t r o l l i n ge q u i p m e n t s ，a r e m o t e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e v e l o p e di nt h ep a p e r e x p l o i t a t i o no f t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi so ff a rr e a c h i n gi m p o r t a n c et os o l v ep r o b l e m s s u c ha st h e s h o r t a g eo fe q u i p m e n t s ，w o r k i n go v e r t i m e ，a n dr e d u n d a n t l a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o no f , a n ds o o n t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sm a d eu po ft h r e el a y e r s ：l o w e rc o n t r o l 1 a y e r l o c a lm o n i t o rl a y e ra n dr e m o t em o n i t o rl a y e r r e m o t em o n i t o r l a y e ri sa p p l i e dt or e l e a s ed y n a m i cw e bp a g e sa n de x c h a n g er e a l - t i m e d a t ai nt u r n ；t h ei n t e r m e d i a t ef l o o ri sl o c a lm o n i t o rl a y e rt h a ti sa p p l i e d t op r o v i d ee x p e r i m e n t a ld a t at or e m o t em o n i t o rl a y e ra n dc o m m u n i c a t e w i t hp l cm a s t e rs t a t i o n ；p r o f i b u s d pi su s e da sl o w e rc o n t r o l n e t w o r ki nl o w e rc o n t r o ll a y e r ，i tf u l f i l lt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p l cm a s t e rs t a t i o na n ds l a v es t a t i o n s t h ec o n f i g u r a t i o n so ft h eh a r d w a r ea n dc o n t r o lp r o g r a ma r ec a r r i e d o ns i m a t i cs t e p7a n dm o n i t o r i n gi n t e r f a c ei sd e s i g n e du n d e rw i n c c d a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo fo p ci sa p p l i e dt of u l f i l lt h ei n t e g r a t i o n b e t w e e nc o n t r o ln e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k ；a c c o r d i n gt o t h e d i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n to fr e a l t i m ed a t aa n dh i s t o r yd a t a b a s e a n dt h ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nc h a n n e lo fi n f o r m a t i o nc u r r e n t ，p r o g r a m t e c h n i q u es u c ha sa p p l e t ，j s p s e r v l e t ，s o c k e t a r ea d o p t e dt op r o v i d e i n t e r n e tc l i e n tap l a t f o r mt oa c c e s st h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h r o u g hw e b s e r v e r ，r e a l 。t i m ea n dh i s t o r yd a t ac a nb e a c c e s s e df r e e l ya n da c h i e v e r e m o t em o n i t o r i n gp u r p o s e a tp r e s e n tt h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e dt ot h ep r o c e s sc o n t r o l t e c h n o l o g ya n ds y s t e m i tw a su s e di nr e a l t i m ea n dr e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o lf i v ep r o c e s sc o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e ss u c ha s ，p r e s s u r e ， f l u x ，l i q u i d 1 e v e l ，t e m p e r a t u r e f l u x ae x a m p l eo fl i q u i d l e v e lc o n t r o li s p r e s e n t e dt ob ee x p l o i t e dl o c a la n dr e m o t ee x p e r i m e n t s ，t h er e s u l to f t h e i i e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h ec h a r a c t e r so f t h es y s t e ms u c ha s r e a l t i m e ， d y n a m i cb e h a v i o r a n dc r o s s p l a t f o r m ，a n da c h i e v e t h ea n t i c i p a t e dr e s u l t k e yw o r d s ：p r o f i b u s - d p ，p r o c e s sc o n t r o l ，r e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o l ，o p c ，a p p l e t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 中作了明确的说明。 作者签名日期：型 年! l 月丝一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内荦 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关 门规定送交学位论文。 作者签名导师签名日期：五年上月韭【 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 在中南大学信息科学与工程学院测控技术与系统实验室，有五台过程控制实 验装置，分别是：线性液位控制装置、液位控制装置、温度流量控制装置、流 量控制装置和压力控制装置，可形成相互独立的五套过程控制系统。目前，信息 科学与工程学院测控和自动化两个专业的学生利用这五套系统完成包括过程控 制仪表、过程控制系统、计算机控制系统、集散控制系统等相关课程的实验。为 保证实验教学的质量，每次试验、每个系统只能安排两名学生进行实验，因此， 完成一门课程的实验需要很长的一段时间。当前，在校学生人数迅速增加，测控 专业和自动化专业共十六个班，将近五百人要在该实验室完成相关课程的实验， 而且，很多学生的毕业设计也在该实验室完成，这样一来，现有的实验设备难以 满足实际教学的需要。为此，研究开发具有过程控制与远程监控功能的实验系统。 过程控制远程监控实验系统的建设，可以灵活地充分利用设备资源，使学生 在不同地点和时间共同完成实验，方便教师的教学安排，明显成效如下： ( 1 ) 它打破了传统实验教学的禁锢，使实验教学的地点被拓宽，不再局限于 实验室。授课老师在教室里就可以操纵实验室内的实验装置进行生动教学；而学 生也能不受时间和空间的限制，可以在教室、机房甚至宿舍等任何可以上网的地 方远程操纵实验装置进行实验学习。 ( 2 ) 实验设备资源能同时被多个专业共享，不仅提高了资源利用率，也为学 校节省了大量资金。大学教学中，理工科专业往往都要开设一些相同或者相关的 基础专业课程，需要使用一些相同的实验设备进行实验教学。如果校内没有共享 实验设备资源的条件，那么各个学院就必须各自建立实验室，各自购买满足自身 教学需要的所有实验设备，以及配备专门教学管理人员。这样，实验资源的利用 率不高，也浪费了大量资金。同时由于计算视网络远程实验系统完全再现了实际 的工业现场控制，对远程监控技术的研究具有普遍的借鉴意义。 1 2 远程实验系统的研究现状 远程实验是远程监控技术在教学领域的应用【卜。】。在教学活动中，实验是一 个重要的环节，它是学生获得知识实践的必需环节。传统的实验一般都是本地实 验，学生必须到实验室才能做实验。远程实验不仅能节约大量的实验资源，并能 使试验者在不同的地方相互协助，也是进行远程控制研究的重要手段。现代实验 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 设备由于其高度的精密和复杂性以及大量的信息获取和处理要求，基本上涵盖网 络化生产与商业的技术问题，使得它成为一个非常好的前期模型。正因为如此， 远程科学实验的研究倍受工业界的关注 4 1 。基于网络技术的远程实验，将成为 二十一世纪科学实验室进行开放性研究的重要模式。目前，国外一些大学已经有 了这方面的研究。 远程实验可以这样来定义：即在i n t e m e t ( 或i n t r a n e t ) 上采用远程数据及图像 ( 声音) 采集、远程监控技术、计算机仿真技术、虚拟现实等技术，使实验者从异 地计算机设备上可以进行实验操作和观察，其所得到的结果与本地得到的数据结 果完全等价，如同真实操作实验设备一样。远程实验的研究历史很短，其理论和 技术尚不成熟。国际上早在1 9 9 2 年就已经提出远程访问控制的设想，但由于种 种条件的限制，直到上世纪末才出现了若干个远程控制的实验模型 5 j 。 目前，该项技术的研究得到了美国、日本、英国、澳大利亚及韩国等国家的 高度重视，这些国家的许多大学、科研单位竞相开发相关技术1 6 , 7 1 。新加坡国立 大学建立了基于网络的远程实验室，用户可以通过浏览器进行异地访问、实验在 线图像浏览、通过鼠标对实验室中相关控制和调节按钮进行远程操作1 8 , 9 1 。美国 密歇根州立大学与日本的国家金属研究院之间正在进行的有关材料设计的跨国 远程实验已经实现包括实时图像的传输，数据库的共享，实验室网络浏览在内的 多种功能【l o l 。 澳大利亚r m i t 大学设计的虚拟实验用于热传递过程的教学【1 1 1 ，可以帮助学 生快速掌握抽象的概念；美国t e n n e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学的j i m h e n e r y 设计的 网上工程实验室提供了一系列远程控制实验【i ”，如：压力控制、液面控制、温 度控制、速度控制实验等，该远程实验系统由一台w e b 服务器和五台客户机构 成的，每台客户机与一套实际的设备相连。用户通过i n t e m e t 访问w e b 服务器， 选择控制参数，然后w e b 服务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机，客 户机收到这些参数后，控制实验设备来完成实验，并把实验数据通过w e b 服务 器生成实验结果图，返回给用户。 另外，新加坡国立大学( n u s ) 的虚拟实验室1 1 3 , 1 4 1 允许用户通过i n t e m e t 进行 远程实验，可以实现昂贵实验设备的共享。 上海交通大学的纳米科技研究中心在分析因特网信息传输机制的基础上，采 用t c p i p 协议和客户机服务器模式实现了多用户远程分权控制扫描隧道显微镜 仪器。应用该软件系统可以对远程设备进行实时控制，同时用户与操作者之间可 以进行任意两者之间的语音与视觉交流，从而实现了科学实验的设备无关性，突 破了现有科学研究对操作时间与地点的限制，为大幅度提高现有设备的使用效率 和创建新的科研模式奠定了基础。该系统成功地实现了北京上海两地之间的远程 2 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 演不。 由于机器人控制技术出现较早，国际上对于机器人的远程控制研究要早一些 【1 5 】。早在二十世纪六十年代，国外就有一些专家学者开始致力于机器人远程控 制的研究。1 9 9 4 年美国加州大学完成m e r c u r y 项目，该项目允许远程用户通过 w e b 浏览器控制机械手进行文物挖掘。英国b r a d f o r d 大学工业技术系于1 9 9 6 年 研制的r o b o t i ct e l e s c o p e 天文望远镜，天文爱好者可通过i n t e m e t 和w e b 浏览器 访问其主页，控制望远镜的角度和焦距。德国b o n n 大学开发了基于w e b 的远程 自主式移动机器人，用于博物馆导航0 6 1 。 在国内，对远程实验的研究与应用已经初见成效。比如复旦大学计算机系陆 璐等人采用三层模型结构【l ”，提出了一种基于w w w 并利用x m l 和j a v a 语言 的远程监控机器人系统的方案，并在实际系统中进行了应用。北京航天航空大学 机器人研究所将互联网技术、机器人远程控制技术和计算机技术有机结合起来， 建立了一个基于互联网的机器人远程实验系统。操作者可以在任何时间、任何地 点通过互联网来控制和操作机器人手臂集成系统。杨双华博士研究了基于 i n t e r n e t 的远程监控的层次结构，他把整个过程控制分为四个层次：全厂范围优 化层、监控层、常规层以及过程控制和保护层。提出实现基于i n t e m e t 控制的方 法是在原有的四个层次上增加一个i n t e r n e t 层，i n t e m e t 层与各层的连接可以进行 不同方式的远程监控，每一种具有不同的特点。并指出设计和实现i n t e r n e t 远程 控制的关键问题是解决由于i n l e r n e t 的介入带来的时延不确定性、用户的不确定 性等问题埘。 清华大学、西安交通大学、上海交通大学、华中科技大学、北京邮电大学、 北方工业大学和中科院上海原子核研究所等科研单位都进行了很多前期性基础 研究工作1 9 饿1 。我国在教育部支持下已经建立了1 9 个网上合作研究中心，研究 范围覆盖了应用物理、机械工程、软件工程、核科学和核技术、现代医学、现代 农业学等广泛领域；尽管这些中心所能提供的功能目前大多数还只是处在信息共 享层面上，但它们的中、长期发展规划以实现资源共享作为目标。 上述文献都是远程实验的例子，是i n t e m e t 技术、w e b 技术、数据库技术、 t c p i p 网络通信技术、浏览器技术发展的产物。可以看出，文献中远程实验的 控制对象只有一个，远程实验系统的硬件部分由客户端、服务器、控制对象组成， 控制对象直接与服务器连接。本论文研究开发的过程控制远程监控实验系统中， 控制对象是五台过程控制装置，这些装置不带有智能控制的接口和网络接口，在 不改变控制装置结构和自身特点的前提下，为保证控制参数及数据采集的时实 性，远程监控实验系统的硬件部分应由客户端、服务器、监控计算机、底层控制 网络组成。本论文在原有过程控制装置的基础上，设计开发具有远程监控功能的 中南大学硕士学位论文第l 章绪论 实验系统。 1 3 本文的工作和论文结构 本论文在分析国内外研究现状的基础上，针对实验室的具体情况，提出并开 发满足实验室要求的底层控制网络、现场监控系统和远程监控系统。 ( 1 ) 实验室由五台过程控制实验装置组成，选择p r o f i b u s d p 现场总线作 为底层控制网络，西门子s 7 3 0 0 p l c 为现场总线的智能节点，e t 2 0 0 为输入输 出节点，把原来单独控制的过程控制实验装置连接成工业控制网络。 ( 2 ) 以西门子人机界面w i n c c 系统为平台，设计符合教学实验要求的上位 机监控界面。根据实验室每个过程实验装置控制对象的特点，编写不同控制程序。 ( 3 ) 为达到远程监控的目的，采用基于w e b 的远程监控方案，利用j a v a 语 言的网络编程能力，结合西门子公司的上位机w m c c 监控系统的o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 通道，通过i n t e r b a s es e r v e r 数据库，完成监控计算机和各类服务 器的通信要求。通过运用j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) ，结合s o c k e t 技术，构建整个计 算机网络实验系统。通过客户端浏览器，可以在异地进行实时数据的快速查看和 控制参数的下发，并能够实现对历史数据库的访问操作。 本文的结构安排如下：第一章为绪论，介绍研究背景及过程控制远程实验系 统的发展现状；第二章详细研究现场总线技术及远程监控技术，重点阐述实现远 程监控的技术难点及实现方法；第三章阐述实验室远程监控系统的总体结构，并 对三个层次的功能、主要的技术作详细的阐述；第四章详细介绍w e b 服务器的 设计，服务器与客户端数据实时数据交换以及数据库服务器与现场监控层的数据 传输；第五章介绍远程监控实验系统在实际控制中的应用；第六章是总结和展望。 4 中南大学顾：i ：学位论文 第2 章现场总线o 远程监控披术 第2 章现场总线与远程监控技术 计算机网络技术发展的同时，工业控制系统也为适应控制系统越来越复杂的 控制要求和满足系统多功能的需要，出现了最具生命力的工业控制系统一现场总 线控制系统，现场总线是应用于控制现场，在微机化测量控制设备之问实现双向 串行多节点数字通信的系统，它的关键是网络化、信息化的概念彻底引入到控制 领域和i _ q k 现场的控制中，构建完整的控制网络和信息网络 2 7 】。 现场总线技术从工业现场设备底层向上发展，逐步扩展到网络化，开放性和 分布性；计算机网络从互连网i n t e m e t 顶层向下渗透，直至和底层的现场设备通 信。基于现场总线与i n t e m e t 的远程监控系统应运而生，它通过现场总线、企业 网和i n t e m e t 网把分布于各局部现场、独立完成特定功能的控制计算机互连起来， 以达到资源共享、协同工作、远程监测和集中管理、远程诊断为目的的全分布式 设备状态监测和故障诊断系统，它是i n t e r n e t 、w e b 数据库技术、t c p i p 网络通 讯技术、现场总线技术、浏览器技术、视频传输技术、设备故障诊断技术发展的 产物。 本章结合网络控制技术及计算机通讯技术，详细论述现场总线控制技术与远 程监控技术的实现。 2 1 现场总线控制技术 现场总线本质上是一种控制网络，控制网络直接面向生产过程，因此要求很 高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，一般只包括 i s o o s l 七层模型中的三层：物理层、数据链路层和应用层。另外，现场总线还 要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是现代自动化的发展 方向，在完整的企业网络构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备 网络到上层信息网络的数据传输过程。 现场总线是工厂底层信息与数据传递的主体，在整个工厂的信息网络中，现 场总线处于重要的基础地位。现场总线与传统的d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， 集散控制系统) 相比，它突破了d c s 相对封闭的限制，它将测控任务分散到现场 设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。目前比 较有影响的现场总线标准主要有：基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、 l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 、c a n 控制局域网等。其中，过程现场总线p r o f i b u s 作为一种国际化、开放式、不依赖设备生产商的现场总线标准，是唯一的全集成 中南人学硕l 二学位论文 第2 章现场总线0 远程蠊控技术 过程和工厂自动化的现场总线解决方案，已被广泛应用于加工制造、过程和楼宇 自动化领域。 p r o f i b u s 现场总线由s i e m e n s 公司联合十几家德国公司、研究所共同推出， 包括d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ，分散外设) 、f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ，现场信息规范) 、p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，过程自动化1 三部分。d p 用于分散外设间的高速数据传输，适用于加工自动化领域；f m s 适用于纺织、 楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化；而p a 则是用于过程自动 化的总线类型。p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离 1 2 m b p s 时为1 0 0 米，1 5 m b p s 时为4 0 0 米，可用中继器延长至1 0 千米。其传输 介质可以是双绞线，也可以是光缆。p r o f i b u s 总线最多可挂接1 2 7 个站点。 与其它总线相比，p r o f i b u s 现场总线具有如下的技术优势 2 8 1 ： ( 1 ) 总线存取协议 三种系列的p r o f i b u s 均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合 介质存取方式，即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式工作，得到令牌 的主站可在一定的时间内执行本站的工作，这种方式保证了任一时刻只能有一个 站点发送数据，并且任一个主站在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权， 这就完全避免了冲突。这样的好处在于传输速度较快，而其它一些总线标准则采 用的是冲突碰撞检测法，在这种情况下，某些信息组需要等待，然后再发送，从 而使系统传输速度降低。 ( 2 ) 灵活的配置 根据不同的应用对象，可灵活选取不同规格的总线系统，如简单的设备级的 高速数据传送，可选用p r o f i b u s d p 单主站系统，稍微复杂一些的设备级的高 速数据传送，可选用p r o f i b u s d p 多主站系统，更复杂一些的系统可将 p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 混合选用，两套可方便地在同一根电缆上同 时操作，而无需附加任何转换装置。 ( 3 ) 本征安全 目前被普遍接受的电气设备防爆技术措施有：隔爆、增安、本征安全等技术。 对低功率电气设备( 如自动化仪表) ，最理想的保护技术是本征安全防爆技术。它 是一种以抑制电火花和热效应能量为防爆手段的“安全设计”技术。本征安全性 一直是工控网络在控制领域应用时首先需要考虑的问题，否则，即使网络功能设 计得再完善，也无法在化工、石油等工业现场使用。目前各种现场总线技术考虑 本征安全特性的只有p r o f i b u s 与f f ，而f f 的部分协议及成套硬件支撑尚未 完善，可以说目前过程自动化现场总线技术的成熟解决方案是p r o f i b u s p a 。 它只需一条双绞线就可既传输信息又向现场设备供电，由于总线的操作电源来自 中南大学坝：i ：学位论文 第2 章现场总线与远程监控技术 单一供电装置，它就不再需要绝缘装疆和隔离装黄，设备在操作过程中进行的维 修、接通或断开，即使在潜在的爆炸区也不会影响到其它站点。 ( 4 ) 功能强大的f m s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 提供上下文环境管理、变量的存取、定 义域管理、程序调用管理、事件管理、对v d f ( v i r t u a lf i e l dd e v i c e ，虚拟总线设 备) 的支持以及对象字典管理等服务功能。f m s 同时提供点对点或者选择广播通 信、带可调监视时问问隔的自动联结、当地和远程网络管理等功能。 p r o f i b u s 是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总 线技术的一切特点，相比其它各种现场总线，p r o f i b u s 完全满足了未来发展对 测控网络在开放性、互操作性、通信媒介、网络结构和网络拓扑等方面的要求。 因此，实验室选用p r o f i b u s 作为底层的控制网络。 2 2 现场总线控制网络与i n t e r n e t 的一体化 虽然现场总线控制系统在网络控制中具有很大的优越性，但是，由于采用了 i s o 的参考模型中的物理层、数据链路层、应用层以及极具特色的用户层，为了 保证数据传输的可靠性，需降低传输速度，然而较低的传输速度无法满足控制的 实时性要求，特别是随着现场设备控制功能逐渐增强，现场控制设备之间以及现 场控制设备与i n t e m e t 信息交换量成倍增加，使现场总线控制系统在工业控制中 的应用受到了一定的限制。这不但使现场总线控制系统的开放性、分散性和可操 作性等特点难以体现，而且确实给用户的使用带来很大的不便，因此给现场总线 技术的推广以及现场总线控制系统的应用带来不利的影响。 伴随着i n t c r n e t 技术的日趋成熟，其相关技术成本也逐渐下降，控制网络与 i n t e r n e t 的结合将成为控制领域的一个新的方向。基于i n t e m e t 的远程监控系统构 建了i n t e r n e t 网一企业网一现场总线的三级模式口，是i n t e r a c t 技术、w e b 技术、 数据库技术、t c p i p 网络通信技术、浏览器技术发展的产物。以现场总线为基 础的底层控制网络( i n f r a n e t ) 、以局域网为基础的企业网( i n t r a n e t ) 和以广域网为 基础的互联网( i n t e m e t ) 相互连接，使控制网络和信息网络融为一体，构成三网 融合的网络架构，不仅可以实现异地监控，也可以实现大范围的资源共享。 简单地说，将实时监控应用系统架构于i n t e m e t 计算环境中，可以从许多方 面改善监控系统的性能和扩展增强系统功能i j u | ： ( 1 ) 大范围共享资源，实现控制网络与信息网络的信息集成，建立综合实时 信息库，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据，创造良机； ( 2 ) 建立分布式数据库管理功能，保证数据一致性、完整性和可操作性； ( 3 ) 现场控制信息、生产情况实时与企业信息网通信，通过企业信息网，有 中南人学硕l 二学位论文第2 章现场总线与远程监控技术 关人员可在任何地方通过标准化的、友好的、统一的图形界面浏览、了解企业的 生产情况； ( 4 ) 能够实现对控制网络工作状态的远程监控，优化调度，也能实现控制网 络的远程诊断与维护等。 总之，实现三网融合的无缝集成，开发基于i n t e m e t 的远程监控系统，可以 促进现场信息、企业信息和市场信息的融合、交互，使基础自动化、管理自动化 和决策自动化有机地结合在一起。控制网络与信息网络集成的最终目的是实现被 控对象中能量和物质转移的有效控制，使系统安全稳定地运行，实现资源的共享。 因此要求具有协议简单、安全可靠、纠错性好、成本低等特点。 实现控制网络与信息网络的集成，主要是搜集控制网络上各站点的实时数据 信息，写入信息网络的数据库，以便信息网络用户浏览、查询。同时将信息网络 用户的控制信息及时下达至控制网络的指定工作站点。 要实现控制网络与信息网络的集成，可以通过以下几种方式： ( 1 ) 在控制网络和信息网络之间加入转换接口 这种方式通过硬件来完成，即在底层网段与中间监控层之间加入中继器、网 桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。 硬件设备可以是台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解 释和转换；对于多网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到 网桥的作用。 转换接口的集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用t c p i p 的以太网，而t c p i p 没有考虑数据传输的实时性，当现场设备有大量信息上传 或远程监控操作频繁时，转换接口都成为实时通讯的瓶颈。 ( 2 ) 基于o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术的控制网络和数据网络的信息 交换 开放通信是信息传输和共享的基础之一，当现场信号传到监控计算机之后， 如何实现计算机内部各应用程序之间的信息沟通和传递，如何让现场信号出现在 数据网络中计算机的各应用平台上，依然存在一个连接标准和规范问题。使用 o p c 作为通信接口，就可以把现场信号和上位监控，人机界面软件方便地连接 起来，同时还可以把它们和数据网络中计算机的某些统一开放平台和应用软件平 台连接起来，如v b 、v c + + 、a c c e s s 等，从而实现控制网络与信息网络的数据 交互。 ( 3 ) 在控制网络和信息网络之间采用d d e 技术 当控制网络和信息网络之问具有中间系统或共享存储器工作站时，可以采用 d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 方式实现二者的集成，其实质是各应用程序通过共 中南大学硕：i ：学位论文笫2 章现场总线与远程蝙控技术 享内存来交换信息，中间系统中的信息处理机是控制网络的工作站，另外也是信 息网络中的工作站。其中运行两个程序，一是接收、校验实时信息的通信程序， 为信息网络数据库提供实时数据信息；另一个是数据访问应用程序接口，它接收 d d e 服务器实时数据并写入数据库服务器中，供信息网络实现信息处理、统计 分析等功能。在基于d d e 的通信处理机技术的基础上，结合s o c k e t 通讯技术和 o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 远程数据库访问技术可以实现实时数据的远 程传输“。 d d e 方式具有较强的实时性，而且比较容易实现，可以采用标准的w i n d o w s 技术。但是涉及到复杂的防议转换时，d d e 方式的软件费用比较大。因此这种 方式适合配置简单的小系统。 ( 4 ) 控制网络和信息网络采用统一的协议标准 由于控制网络和信息网络采用了面向不同应用的协议标准，因此二者集成时 需要某种数据格式的转换机制，这将使系统复杂化，也不能确保数据的完整性。 如果从底层设备到远程监控系统，都使用统一的协议标准，不仅确保了信息准确、 快速、完整的传输，还可以极大地简化系统设计。这种方式将成为控制网络和信 息网络完全集成的最好的解决方案。 因为，o p c 利用d c o m 技术实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统 硬件的分布无关，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可以大大缩短软 件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性。而且，o p c 规范了接口函数， 不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而实现系统的开 放性，易于实现与其它系统的接口。鉴于o p c 的这些优点，现场监控层与数据 库服务器之间的数据传输，采用o p c 数据传输技术。 2 3 远程监控软件体系结构 软件系统的体系结构通常有两种：c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式和 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式。c s 模式是比较传统的软件系统体系结构，它通过将 任务合理分配到c l i e n t 端和s e r v e r 端，降低了系统的通讯开销，充分利用了两端 硬件环境的优势。而b s 模式是随着i n t e r n e t 技术的兴起，渐渐流行和突出的一 种新的软件体系结构。在这种模式下，用户界面完全通过w w w 浏览器实现， 一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成三层结构。 b s 结构利用不断成熟和普及的浏览器技术，实现了原来需要复杂专用软件才能 实现的强大功能。所以，它是一种全新的软件系统构造技术。 因为课题开发的中心目标是研究开发能通过浏览器操纵的远程实验系统，所 以基于b s 模式的三层体系结构设计更适合于本系统。其中，系统体系结构中的 中南大学顷上学位论文第2 章现场总线与远程监控技术 三层分别为客户层、中间层和资源层。该实验系统远程监控b s 三层结构如图 2 - 1 所示。 囤卜一 囤卜一 w e b 服务器 网页 l ( h t m l 磐v a , j 、应 用栏厅) 客，! 层 中问层 资源层 图2 1 买验系统远程监控b s 三层结构图 系统的中间层是体系结构设计的核心部分，它由实验管理服务器、w e b 服务 器、数据库服务器和视频服务器软件组成【3 2 埘l 。实验管理服务器是一个纯j a v a 服务器，用于管理和处理在用户实验过程中所发生的事件，例如：响应用户的不 同服务请求、处理多用户访问和管理各种软、硬件资源等。w e b 服务器向远程客 户端提供h t m l 格式的实验教学网页和j a v a 小应用程序。j a v a 小应用程序在客 户端浏览器中生成实验的用户图形界面，用户通过这些界面远程控制实验装置或 执行查询等操作。数据库服务器负责管理后台数据库，提供数据服务。 在系统的客户层，远程实验用户通过浏览器与中问层的服务器交互，达到远 程控制实验室内的过程控制实验装置的目的。客户端的程序设计采用j a v a a p p l e t 技术，客户应用程序以浏览器作为运行环境。所以，远程客户要安装支持j a v a 小应用程序的浏览器；或者在原有浏览器中插入j a v a 插件，使它支持j a v a 小应 用程序运行。 系统资源层包括后台监控程序和数据库。后台监控程序主要包括监控程序和 控制算法，它选择具体控制对象，设置各种控制参数，采集并显示控制参数，并 向服务器实时传送采样数据。而数据库存储了大量的用户信息和各种实验记录， 主要向实验用户提供实验记录查询服务。 该系统中，在远程监控层的体系结构设计中，采用b s 三层模式开发，具有 以下优点： 第一，简化了网络教学实验系统客户端的软件安装。远程实验用户只需在 客户机上安装一个支持j a v a 小应用程序的浏览器，如h o t j a v a ，或者在原有 o 中南大学坝一 ? 学位论文第2 章现场总线与远程监挣技术 i n t e r n e te x p l o r e r 或n e t s c a p en a v i g a t o r 浏览器中安装一个j a v a 插件，就可以进行 远程实验。 第二，易于实现网络教学实验系统的跨平台的应用。一般情况下，远程客 户端的操作系统多种多样。如果系统采用c s 模式进行开发，则实验用户需要安 装专用的客户端实验软件，而且这些专用软件必须能被多种操作系统支持。但是， 在系统开发中，为每一种操作系统设计一个匹配的客户端实验软件是不现实的。 而如果要求用户放弃现有的操作系统购买新的支持专用实验软件的操作系统，就 会使系统的通用性大打折扣。所以，本系统采用b s 模式进行设计和开发。这样， 研究人员只需以浏览器为运行环境来开发客户端应用程序j a v a 小应用程序，而 且无须考虑用户究竟使用何种操作系统，客户端应用程序能否被之支持。远程用 户也只要安装支持j a v a 小应用程序的浏览器或者在原有浏览器中安装由w e b 服 务器提供的j a v a 插件，就可以运行系统的客户端应用程序。 第三，客户端维护工作量为零，减轻了管理和维护系统的成本和工作量。 实验时，远程用户只要通过浏览器给定控制信息，各种实验任务都可以交给服务 器来完成。客户端无须进行维护工作，服务器则由专门技术人员来进行管理和维 护。如果系统采用c s 模式进行开发，当客户端实验软件出现问题时，如病毒、 硬件损坏，都需要进行重新安装客户端软件或对其进行维护。采用b s 模式开发， 使得客户端维护工作量为零，从整体上减轻了系统维护的成本和工作量。 2 4 软件总体设计 2 4 1 系统软件设计思路与特点 远程监控系统的软件设计包括两部分：实验室监控子系统、远程监控子系统。 实验室监控子系统可以分为底层控制层和现场监控层，远程监控子系统可以分为 服务器层和远程客户层。实验室远程监控层的软件设计结构如图2 2 所示，包括 内嵌j a v aa p p l e t 的设计和监控代理服务器的设计。 结合实验室远程监控系统的软件结构，软件系统设计特点如下： ( 1 ) 在服务层，操作系统采用w i n d o w s2 0 0 0 ，采用j s p 技术实现基于w e b 的动态网页交互技术，利用j a v ab e a n s 组件技术、多线程技术实现网络远程访问 和控制，使用j d b c ( j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t ys t a n d a r d ) 技术实现基于w e b 的远 程数据库访问。在网页中嵌入j a v aa p p l e t 实现与服务器层的监控代理器的实时 数据交互。 ( 2 ) 数据库服务器包括实时数据库和关系数据库，包含现场监控层的所有数 据，数据库服务器在物理上可以与w e b 服务器分开，数据库分为实时数据库和 中南大学硕l ：学位论文 第2 章现场总线j 远程监控技术 关系数据库。系统实时数据信息可采用自行开发的实时库，历史数据信息可采用 由商用数据库i n t e r b a s e 开发的离线库。实时数据库结构设计主