（控制理论与控制工程专业论文）糖厂ph值远程监控系统设计与实现.pdf

糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 摘要 随着糖厂自动化水平的不断提高，如何使设备高效稳定的运行成 为现阶段面临的新问题。澄清工段p h 值检测控制器是制糖生产重要 设备之一，及时了解该系统的运行状态对制糖的品质有着巨大的影响。 因此，本文建立了以s 3 c 4 4 b o x 为核心的嵌入式远程监控系统，用于 实现糖厂p h 值的远程监控。 为了满足现场的不同需求，本文分别采用三种方式建立远程监控 系统，第一种是在s 3 c 4 4 b o x 控制器上，构建b s 结构模式的嵌入式 远程监控系统。该方式将嵌入式数据库s q l i t e 和b o a 服务器移植到 u c l i n u x 系统中，将编写的h t m l 网页在基于s q l i t e 和b o a 的嵌入式w e b 服务器上进行发布，同时系统通过c g i 子程序完成用户的h t t p 请求。 第二种是使用组态软件构建远程监控系统。控制器作为p h 值的采集 控制终端设备，通过标准的m o d b u s 协议和上位机组态软件系统进行 通信，同时，采集来的数据通过组态软件的w e b 服务器进行发布。第 三种是使用无线网络构建远程监控系统。本文使用d t u 数据传输模 块，将p h 值检测控制设备采集来的数据根据用户的需求通过短信的 方式发送到用户移动设备终端中。 本文将信息网络与现场p h 值控制系统集成化，设计并实现了糖 厂p h 值远程监控系统，提出的三种方案可以满足现场远程监控的各 种要求，具有良好的应用价值。 关键词：p h 值控制；u c l i n u x ：远程监控；嵌入式w e b 服务器；组态 软件；无线网络 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp hr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m o fs u g a r - r e f i n e r y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i o ni ns u g a r - r e f i n e r y ，t h en e w p r o b l e m ，w h i c h w em u s tf a c eu p ，i sh o wt ok e e pt h ee q u i p m e n tw o r k i n go ni nas t a b l ea n de m c i e n t c o n d i t i o n t h ec o n t r o l l e ro fm e a s u r i n gp hv a l u ei nt h ec l a r i t ys e c t i o ni so n eo ft h e i m p o r t a n tf a c i l i t i e si ns u g a r - r e f i n e r y i th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo fs u g a rt h a t t h er t m i n gs t a t u so ft h i sc o n t r o l l e ri sp l u c k e di nt i m e t h e r e f o r e ，a ne m b e d d e dr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m ，w i t hm i c r o - c o n t r o l l e rs 3 c 4 4 8 0 xa si t sk e r n e l ，i ss e tu pt oe a r l yo u t t h er e m o t ec o n t r o lo fp hv a l u eo fs u g a r - r e f i n e r y i no r d e rt om e e td i f f e r e n td e m a n do fi n d u s t r i a ls i t e ，t h r e ed i f f e r e n tm o d e sa r e m o d e l e di nt h i st h e s i st ob u i l de m b e d d e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m 刀把f i r s tm o d ei s t ob u i l de m b e d d e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m 、 ，i t l lb sf r a m e b a s e do ns 3 c 4 4 b o x c o n t r o l l e r i nt h i sp a r t ，t h ee m b e d d e dd a t a b a s ea n db o as e r v e ra r et r a n s p l a n t e di n t ot h e u c l i n u xs y s t e m t h eh t m lw e bp a g e sw h i c hd e s i g ni nt h ep a p e rw i l lb ep u b l i s h e db yt h e w e bs e r v e rt h a tb a s e so nt h es q l i t ea n db o a m e a n w h i l e h t t pr e q u e s t so fu s e ra r e r e s p o n d e db yc g is u b r o u t i n e t h es e c o n dm o d ei st ob u i l de m b e d d e dr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mw i t hf o r c e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e s 3 c 4 4 8 0 xc o n t r o l l e ri s u s e da sa c q u i s i t e dc o n t r o lt e r m i n a le q u i p m e n to fp hv a l u e w h i c hc o m m u n i c a t e sw i t h f o r c e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r es y s t e mo ft h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g hm o d b u s p r o t o c 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h ed a t aw h i c hc o l l e c tf r o mi n d u s t r i a ls i t ei sp u b l i s h e do n t h ew e bs e r v e r ，a n dt h i sw e bs e r v e ri sb u i l d e db yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h et m r d m o d ei st ob u i l de m b e d d e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo nw i r e l e s sn e t w o r k t h ed t u d a t at r a n s f e r sm o d u l ei su s e di nt h i sm o d e a c c o r d i n gt ou s e r sr e q u i r e m e n t ，t h ed a t a s e n dt om o b i l ed e v i c e so fu s e rb ys m sm o d e ，a n dt h i sd a t ai sc o l l e c t e db yp hv a l u e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o le q u i p m e n t i nt h i sp a p e r ，i n f o r m a t i o nn e t w o r ki sc o m b i n e dw i t hp hv a l u ec o n t r o ls y s t e m ，a n d p hr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fs u g a r - r e f i n e r yh a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h e t h r e em o d e ss a t i s f yr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fs u g a r - r e f i n e r y ，a n ds h o wb e t t e r p o p u l a r i z a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：p hc o n t r o l ；u c l i n u x ；r e m o t em o n i t o r i n g ；e m b e d d e dw e b s e r v e r ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；w i r e l e s sn e t w o r k i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 敝储躲i 私川年7 月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 凼口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名缈翩躲锄窍中7 月，日 广西大学硕士学位论文 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 1 1 研究背景与国内外现状 1 1 1 引言 第一章绪论 全球制糖业正蓬勃发展，在技术方面，甘蔗农业、制糖技术、能源利用等方 面取得了长足的进步【l 】。在国外，计算机技术已广泛应用在糖厂工业控制中，现代 化制糖工业发展的趋势是大型化、智能化、综合化、网络化，其中部分糖厂已经 实现了独立控制设备向智能化计算机网络和现场总线控制系统的转变【2 】。例如： o r s i 公司的c u b e 系统【3 j ，西门子a g 公司的糖厂管理信息系统【4 】，c o n u t r o l 仪 器服务公司正在开发的系列控制模块等【5 】，这些系统以一种三层服务模式( 数据服 务、应用服务和现场遥控用户) 提供了模块化、开放式的过程控制组件，是一种 对用户友好的分布式因特网结构环境【6 】【7 1 。 在澄清技术方面，国外很多糖厂都采用先进的澄清工艺，如：碳酸法、低温 磷浮法等 8 1 ，这些方法基本解决了传统亚硫酸法生产优质糖产量不高、对环境的污 染等问题【9 】，实现了高产量，安全，无污染等要求，因此对澄清汁p h 控制采用的 也是与实际工艺相结合的先进控制手段和方法【l 儿1 0 】。 目前，根据国内生产设备的实际情况，大多数制糖企业采用亚硫酸法生产工 艺，但是亚硫酸法生产工艺条件存在不稳定因素，这主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 甘蔗货源和混合蔗汁的质量不稳定； ( 2 ) 石灰乳的质量不稳定，存在大小不均匀的石灰颗粒； ( 3 ) 硫熏强度和加磷酸不稳定； ( 4 ) 混合汁流量不稳定，中和加灰存在调节非线性的特点； ( 5 ) 清汁p h 值存在大滞后的特点； 这些因素对澄清工段的p h 值控制有着非常大的影响。因此，如何使预灰与中 和汁的酸值稳定，硫熏强度与加磷酸稳定，一、二次加热温度稳定，以及硫磺燃 烧稳定和石灰乳浓度稳定是解决澄清工段控制问题的关键问题所在。而p h 值控制 系统由于自身原因，澄清中和工艺中的酸碱( p h ) 值大多采用单电极检测，电极 受强酸、强碱的侵蚀，结垢严重而影响到蔗汁酸碱( p h ) 值检测的准确性和连续 性检测。这些设备大多采用单片机控制系统，不利于设备更新和系统升级。 随着数字化时代的到来，各种信息共享己经越来越受到人们的重视和青睐。 将工业监控系统接入i n t e m e t ，实现监控信息和控制策略的网络共享，已经成为一 广西大学硕士学位论文 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 个国内外学者研究的热门课题。 1 1 2 远程监控系统的研究背景及现状 远程监控系统是利用先进的计算机技术，网络通讯技术，综合布线技术，根 据工业现场的需要通过各种网络手段对工业现成设备进行远距离的检测和控制。 伴随着一体化的全球经济和现代化的工业设备的发展，工业生产的模式和过程发 生了巨大的变化。信息技术和控制技术的提高，将传统工业控制推向了网络化， 集成化，分布化和节点智能化的方向发展。 随着工业控制水平的不断发展和对于远程监控的需求不断增加，1 9 9 7 年1 月， 斯坦福大学和麻省理工学院联合主办的首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会 议，针对有关远程监控系统的开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的 合法限制等问题进行了深入的讨论，并对未来技术发展作了展望。在会议上它们 展示了联合开发的基于i n t e m e t 的下一代远程监控诊断示范系统，得到了制造业、 计算机业和仪器仪表业的支持，s u n ，h p ，b o e i n g ，i n t e l ，f o r d 等1 2 家大公司相 继采用了该系统规范，并且共同推出了t e s t b e d 系统，t e s t b e d 是一个实验性的系 统，该系统将嵌入式w e b 组网、实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 结合起来，在i n t e m e t 范围内初步形成对现场设备的信息监控和诊断推理【u 】。 为了满足设备监控的需求，许多大公司也将i n t e m e t 功能加入到他们的产品中， 例如由b e n t l e y 公司开发的计算机在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 ，该系统 采用网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式对数据进行编辑和处理，并且通过i n t e m e t 向远程终端发送设备运行状态信息；n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司开发的产品 l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w ，包含网络通讯处理模块，实现通过以太网方式 坚控实时采集的数据l l 引。 我国在这方面的基础研究起步比较晚。清华大学在机器人的远程控制方面进 行了卓有成效的研究；哈尔滨工业大学对基于i n t e m e t 的机器人遥控外科手术进行 了探索研究，并且对基于互联网的转台远程控制监视系统也进行了研究；北京理 工大学在远程控制的理论和实践方面也做了很好的研究；在基于因特网的敏捷制 造方面，东南大学的一些学者进行了实践研究；在军事领域，南京理工大学对导 弹武器伺服系统的远程控制做了很好的研究；其他诸如天文台远程控制系统，太 阳射电望远镜远程控制系统，新型智能油井监控系统都是远程控制的实际应用研 究成果。总体上来看，我国近些年来在这方面的研究硕果累累，成效显著。 远程监控系统大致分为以下三个方面： ( 1 ) 基于c s 模式的网络监控系统； 2 广西大学硕士掌位论文 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 ( 2 ) 基于b s 模式的计算机网络监控系统； ( 3 ) 基于b s 模式的嵌入式w e b 远程监控系统； 嵌入式i n t e m e t 作为一种w e b 监控技术，它采用一种价格低廉的核心处理器 m c u ( m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ) 作为嵌入式服务器的核心，把t c p i p 协议移 植到嵌入式核心处理单元当中去，实现m c u 直接接入i n t e m e t 的功能，使底层现 场数据采集监测设备与i n t r a n e t 和i n t e m e t 进行了无缝的连接。 和p c 机控制系统相比，嵌入式控制系统有着无可比拟的灵活性、稳定性和经 济性，可以适应在许多空间狭窄、条件恶劣的工业现场环境，嵌入式i n t e m e t 作为 一种w e b 监控方式在工业控制技术中有着良好的发展前景，它的一个重要目的就 是在远离工业现场的情况下，远程监控现场设备的运行状态，利用w e b 浏览器的 方式通过i n t e m e t 网络来实现对现场设备的远程操作和维护。 和传统远程监控系统相比，基于嵌入式i n t e m e t 将w e b 技术提供了更为强大的 远程监控功能。系统采用动态交互功能，无论任何时间、任何地点，用户都可以 获得控制网络实时的运行状态，对控制网络上智能设备而言，在远端实现监视、 控制、诊断、测试和配置等功能，并且它采用c g i 应用子程序进行解析，界面简 单、标准、技术成熟、传输数据量少。可以预见，随着嵌入式设备功能的增加， 系统资源的扩充，它将成为今后远程监控技术发展的主流方向。 自从提出嵌入式w e b 系统以来，各类研究学者、公司企业对此产生了极大关 注，随着实际生产、生活需要的不断增加，各式各样的实现方式和解决方案层出 不穷。然而在工业控制方面，目前基于嵌入式w e b 服务器的远程工业监控系统并 不多见。 组态软件作为一种专用软件主要负责现场数据采集与对过程的控制。它能够 实现实时数据库、实时控制、通信及联网、开放数据库接口、对i o 设备的支持等， 作为软件平台和开发环境在自动控制系统监控层一级发挥重要的作用，其用户开 发界面良好组态方式灵活多样，通过各种软件模块的预先设置，使各项功能非常 容易地实现并完成现场设备的监控。 目前国内外组态软件种类很多。像美国商业组态软件公司w o n d e r w a r e 公司的 i n t o u c h 、i n t e l l u t i o n 公司的f i x 、n e m a s o f t 公司的p a r a g o n 、t a e n g i n e e r i n g 公司 的a i m a x 、g e 公司的c i m p l i c i t y 、a b 公司的r o c k w e l l 自动化的r s v i e w 3 2 、信 肯通公司的t h i n k & d o 、n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w , i c o n i c s 公司g e n e s i s ， 德国西门子公司的w i n c c ，以色列p cs o f t 公司的w i z c o n ，澳大利亚c i t e c h 公司 的c i t e c h 等国际上众多知名的工业控制组态软件。在组态软件这方面国内的起步 和国外相比也较早，目前北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s 、北京 3 广西大学硕士学位论文 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 三维力控科技有限公司的力控、北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研 华的g e n i e 等在实际工业过程中都可以可靠运行。 1 2 课题的研究意义 我国是世界上用甘蔗制糖最早的国家之一，已有2 0 0 0 多年的历史，是世界上 继巴西、欧盟、印度之后的第四大产糖国。但是目前我国制糖工业还存在许多问 题，制糖企业仍然处于自动化水平低、管理技术落后、信息化程度不高、综合技 术利用比较低等阶段，这使得我国制糖工业在国际市场上处于不利地位，因此， 生产技术的改善对我国制糖企业十分必要和迫切。 随着制糖企业向着生产规模化、大型化、自动化和信息化发展，控制技术、 信息技术等许多新技术被广泛应用于糖厂，因此如何使设备高效稳定的运行成为 现阶段面临的新问题。糖厂澄清工段p h 值检测控制器是制糖生产重要设备之一， 及时了解该系统的运行状态对制糖的品质有着巨大的影响，当设备出现故障时及 时的发送现场数据，向生产厂商的设备人员提供设备运行情况的第一手资料，为 设备的维护和安全无故障运行提供帮助。本文建立了以s 3 c 4 4 b o x 为核心的嵌入 式远程监控系统实现对糖厂p h 值进行检测控制，系统实现了数据的共享，具有信 息传递快捷和交互性强等特点，功能扩展灵活，使用简便，并且节约人力资源成 本，同时减少系统维护的地域限制更好的为用户提供服务，对提高蔗糖产品的质 量和糖厂的经济效益有重要的意义。 4 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 第二章糖厂澄清工段p h 值远程监控系统 糖厂澄清工段是制糖重要工段之一，对澄清工段p h 值的检测控制直接影响制 糖质量，而p h 值远程监控系统的使用可以进一步提高糖厂澄清工段的自动化水 平，为及时、准确了解现场设备的运行状态打下基础。 2 1 糖厂澄清工段生产工艺 我国的大部分甘蔗糖厂采用亚硫酸法生产工艺。亚硫酸法是在生产过程中加 入了二氧化硫，产生具有吸附作用的亚硫酸钙，同时二氧化硫抑制色素生成的作 用，产生较好清洁效果。 2 1 1 磷酸亚硫酸法生产工艺要求 亚硫酸法澄清过程比较复杂，这个物理化学过程大致可以分为预灰、加热、 中和反应、沉降过滤四个阶段，过程如图2 1 澄清工艺流程图所示。 图2 1 澄清工艺流程图 f i g2 - 1t h et e c h n i q u e sp r o c e s so fc l a r i f i c a t i o nw o r k s h o ps e c t i o n 5 广西大学硕士学位论文 糖厂p h 值远程监控系统设雪卜与实现 首先，在混和汁计量秤的受汁槽中加入磷酸或过磷酸钙，这样延长磷酸的作 用时间，使反应较为完全。加入石灰乳使预灰汁的p h 值保持在6 4 - - - 7 2 之间，先 进行第一次加热，温度保持在6 0 7 0 摄氏度。然后进入管道硫熏中和器，通过管 道喷嘴抽吸二氧化硫气体进行硫熏，蔗汁在离开管道末端前后加入石灰乳进行中 和，使p h 升至6 8 7 2 ，随即进入散气箱，在散气箱中散去空气及未吸收的少量 二氧化硫气体。在硫熏中和过程中形成的大量的磷酸钙和亚硫酸钙在沉降器中实 现中和汁的固液分离。此时将中和汁进行第二次加热至沸腾( 为1 0 0 - 1 0 3 摄氏度) ， 化学反应持续进行，沉淀物进一步脱水变得更为结实，同时，高温使糖汁的粘度 下降，有利于沉淀粒子快速下沉，澄清汁从沉淀器每层的顶部排出，而泥汁借助 重力排入真空吸滤机过滤【13 1 。 2 1 2 糖厂p h 值控制系统结构 在糖厂澄清p h 控制系统中，需要检测的量有中和反应箱内混合汁的p h 值， 二次加热后混合汁的p h 值以及沉降池沉降后清汁的p h 值，糖厂澄清工段检测控 制回路示意图如图2 2 所示。 图2 2 澄清工段检测点及控制回路分布图 f i g 2 - 2t h ed e t e c t i o np o i n ta n dc o n t r o ll o o po fc l a r i f i c a t i o nw o r k s h o ps e c t i o n 按照糖厂的技术要求，t 1 的温度需控制在6 0 左右，t 2 的温度需控制在1 0 0 1 0 5 之间，p h 2 值要求为7 7 3 。大多数糖厂，像广西钦州市华成自控设备 厂研制的h c 一系列p h 值自控系统只检测p h l 、p h 2 。由于静态反应器处的p h 值 很不稳定，所以本系统还检测缓冲器的输出端的p h 值。检测设备主要有玻璃电极 检测蔗汁的p h 值，热电偶传感器检测温度信号等，这些信号都是模拟量。而控制 输出通常是控制阀门开度或电机的转速，这些也是模拟量。所以，在设计电路时 6 广西大掌硕士学位论文 糖厂p n 值远程监控系统设计与实现 应该充分考虑糖厂澄清工段中需要的模拟量路数，尽量满足需求。同时，并非所 有的糖厂都要检测或控制这些点，因此，设计的电路应该尽量模块化，即可以根 据不同糖厂的需求来安装或卸载不同的功能模块，而无需再重新设计电路，这样 可以一方面满足不同糖厂的需求，另一方面可以节约成本，提高竞争力，而且也 可以很方便的对硬件进行升级【1 4 1 。 2 2 嵌入式p h 值远程监控 近年来随着糖厂的自动化水平不断提高，如何及时有效的掌握糖厂设备的运 行状态，对糖厂设备维护和提高制糖效率有着十分重要的意义。因此，在澄清工 段的p h 值检测控制器中加入远程监控模块，可以进一步提高澄清工段的自动化水 平，提高糖厂制糖质量。针对工业现场的不同需求，这里采取三种不同的方式来 实现p h 值的远程监控。 2 2 1 采用b s 结构模式远程监控 基于嵌入式设备远程监控技术在现代化的工业生产中得到越来越广泛的应用， 通过该系统可使远程专家和相关技术人员在异地使用浏览器，通过系统的监控中 心监控多台设备的运行状态，这大大方便和简化了工业生产设备的控制与维护 1 1 5 1 1 6 1 。 对于现有的嵌入式w e b 服务器解决方案，从总体上出发可以把它分为( 1 ) 硬件 上采用内部集成或外部扩展网卡芯片，软件上则采用在应用中直接嵌入完整的或 者经过裁减的t c p i p 协议栈的方式，建立直接的i n t e m e t 访问1 2 0 】；( 2 ) 在系统上加 入一个第三方的t c p i p 设备，以硬件的方式来实现t c p i p 协议，系统只需要负 责和该芯片的接口进行连接就可以接入i m e m e t 【2 1 j ；( 3 ) 自己编写t c p i p 协议栈或 者其中的几个特定协议；( 4 ) 使用专门网络和外部网关进行通信，通过外部网关实 现和i n t e m e t 的连接四种方案【2 2 1 。虽然w e b 技术以及w e b 服务器技术发展到现在 已经很成熟了，但如何把w 曲服务器技术应用到嵌入式设备中，还没有一个统一 的标准【l7 1 。上述四种解决方案在综合考虑性能、价格、开发周期和维护成本等因 素的情况下，都能有其突出的优势，在实际应用中都能占到一席之地【l 引。这里采 取的一种，在这样的系统中，用软件的方式处理t c p i p 协议，应用起来较为灵活， 也便于升级维护i l 引。 w e b 服务器主要提供安全认证和对数据库进行访问，并传递给浏览器。而 w e b 应用程序根据浏览器的请求负责从现场监控程序接收现场数据，并将数据进 7 广西大掌硕士学位论文 糖厂1 9 t t 值远程监控系统设计与实现 行h t m l 转换，发往客户端浏览器或解析客户端发来的命令数据，通过现场监控程 序发往现场设备，实现远程控制。现场监控程序负责从现场设备采集数据，一方面 送给w e b 应用程序，另一方面以一定的时间间隔送往数据库进行存储。在客户端 对监控页面进行一定时间间隔的动态刷新，即可实现远程监控，其框图如图2 3 所 不。 叫w e b 服务h 数据库j z 浏 jiji 现 场 览 设 器 1r1r 备 1w e b 应用程序 卜叫 现场控制程序 _ + 图2 3w e b 服务器系统结构 f i g2 - 3s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fw e b s e r v e r u c l i n u x 系统下的w e bs e r v e r 从本质上讲，w e bs e r v e r 是等待发自w e b 浏览器各种请求的，在后台运 行的程序。当接受到请求时，它用被请求的文档或错误消息进行答复。 大多数的w e b 服务器都提供类似于c g i 的后端技术，能够使w e b 服务器和 己有的应用程序相连，从而提供信息的检索完成交互式活动。 u c l i n u x 下，主要有三个w e bs e r v e r ：h t t p d 、t h t t p d 和b o a 。h t t p d 作为 一个w e bs e r v e r 来说最为简单，但是它的功能太弱，并且不支持认证，不支持c g i 。 t h t t p d 和b o a 都支持认证、c g i 等，且功能都比较全。这里选择嵌入式系统的b o a w e bs e r v e r 来实现动态w e b 技术，它同时支持c g i 应用子程序。再通过用c 语言进行编程的c g i 子程序，就可以实现动态w e b 。 本系统的主要部分为包含w e b 服务器的底层控制器和负责采集数据的设备控 制器，它们负责联系i n t e m e t 和底层设备的数据交互，它的总体设计框架如下： 监控端浏览器软件与w e b 服务器的信息交互是通过h t t p 协议进行，而同时 h t t p 协议不但提供了其它应用程序模块的接口，而且提供了监控数据浏览界面和 设备控制界面【2 3 】。i e 浏览器发送的命令经过w e b 服务器的c g i 服务子程序接收 并解析后，产生数据读写命令、控制命令、系统口令等不同的操作方式。控制命 令经过转换后形成直接对底层设备进行控制的指令，最终完成对现场实时数据的 采集，并对采集的数据进行数据解析和处理，并有传输模块生成h t m l 界面直接送 到远端浏览器。而数据读写命令直接访问系统数据库，组织数据库中的历史数据 经过数据的分析处理与传输模块生成h t m l 界面进行传输阱】。采用c g i ( 公用网关 接口) 来实现动态w e b 技术，c g i 协议规定了w e b 服务器调用其他可执行程序 ( c g i 程序) 的接口协议标准，为嵌入式w e bs e r v e r 提供了一个执行外部程序的通 8 广西大掌硕士学位论文 糖厂p h 值远程监控系统设计与r 实现 道，经过编译的c g i 程序成为一个可执行文件，放在服务器端等待系统调用运行 2 5 】。相应的c g i 程序由嵌入式w e bs e r v e r 根据用户的不同请求进行调用。c g i 程 序得到的动态信息由嵌入式w e bs e r v e r 封装到h t m l 页面中，发送到用户i e 浏览 器上【2 6 】。其服务器实际执行构架如图2 4 所示。 图2 4w e b 服务器结构 f i g2 - 4 t h ea r c h i t e c t u r eo fw e b s e r v e r 2 2 2 组态软件在远程监控中的应用 采用组态软件的i os e r v e r 实现设备和p c 机之间的通讯。使用力控组态软件 之间的服务器客户端模式实现远程任意结点上的数据浏览和控制。 设备驱动程序( i os e r v e r ) 是组态软件与设备交互通信的桥梁，由于组态软件面 向的是开放式测控设备。因此建立p c 与设备间的通信链路不存在理论上的障碍。 设备采用标准进化接口。使设备与p c 之间的互联通信十分简便。 i os e r v e r 直接负责从设备采集实时数据并将操作命令下达给设备。i os e r v e r 主要是按照接口协议的规定向设备发送数据请求命令。对返回收据进行拆包，从 中分离出所需数据。多数设备的通信接口协议都有若干条读写命令，分别用来读 写设备上不同类别的数据，而每一条命令又可以读写同类别的多条数据，具体能 9 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 读写几条是由接口协议规定的。 设备驱动程序主要完成的功能： 1 ) 从i o 设备采集所需数据进行链路维护； 2 ) 执行来自操作员的i o 命令管理输出队列； 3 ) 与实时数据库系统进行无缝连接； 力控组态软件提供了许多易于建立和维护的网络应用程序组件，以数据库d b 为核心的力控6 0 可以构成各种复杂的网络应用系统。n e t c l i e n t 、n e t s e r v e r 、 s c o m s e r v e r 、s c o m c l i e n t 、t e l c l i e n t 、t e l s e r v e r 、w e b s e r v e r 、d b b r i d g e 等8 个 网络服务。如果有若干台计算机同时运行着力控组态软件，不管它们相距多么遥 远，都可以通过多种手段实现这些远程力控组态软件间的数据共享。 n e t s e r v e r 和n e t c l i e n t 支持通过t c p i p 协议互联，不论是局域网或是广域网， 任一个网络节点机如果安装了力控组态应用系统，均可以与网络中另一个安装了 力控组态应用系统的节点机进行通信。计算模式为客户服务器模式。 如果指定某一网络节点机为服务器端，则服务器端必须启动实时数据库d b 和 服务器端网络服务程序n e t s e r v e r 。其他作为客户端的一个或多个网络节点机，只 要确定服务方的计算机名称、就可以通过客户端网络服务程疗n e t c l i e n t 连接到服 务器端，客户端的运行系统v i e w 就可以直接访问服务器端实时数据库d b 中的数 据。 如果指定某一网络节点机为客户端，且客户端的运行系统v i e w 要访问服务器 端实时数据库d b 中的数据，则必须首先确定服务器端运行所在的网络节点机的名 称，然后在客户端利用此计算机名称定义一个“数据源 ，并在这个数据源下定义 将要访问的服务器端实时数据库的变量名。在客户端启动运行系统v i e w 时，v i e w 一旦检索到其中台有指向其他网络节点数据库的数据源，就会自动启动n e t c l i e n t ， 并会自动与指定的服务器端网络服务程序n e t s e r v e r 建立连接。 2 2 3 无线数据采集实现远程监控 一般的数字采集系统，是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经过 a d 转换器、a d c 采样、量化、编码后成为数字信号，存入数据存储器，或送给 微处理器，或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。无线数据采集系统就 是这样一套利用无线手段，将采集的数据由测量站发送到主控站的设备。 无线数据采集系统由测量站和主控站两部分组成。测量站主要完成对现场信 号的采集，存储，接收遥控指令并发送数据暖7 1 。主控站的主要工作事发送遥控指 令，接收数据信息，进行数据处理和数据管理，随机显示、打印等。其系统组成 1 0 广西大学硕士学位论文 糖厂p n 值远程监控系统设官卜与r 实现 如图图2 5 所示。 图2 5 无线数据采集系统组成框图 f i g2 - 5w i r e l e s sa c q u i s i t i o ns y s t e m 无线数据传输步进结构简单，操作方便，能够在很大程度上节约硬件成本， 而且更能优化数据传输系统的效率。无线串行数据通信主要有以下3 个方面的应 用。 1 ) 点对电控制：这是无线数据传输应用最广的一种，例如，在甲地和乙地各 放置一台无线数字传输设备，并与应用设备相连，可组成单向传输，即一 个为单发，一个作为单收；也可以组成双向传输，即两个都为收发设备， 从而实现远距离地数据传输或无线控制。这种传输方式适合一对一控制， 简单有效，是组成多点传输地基础。 2 ) 点对多点控制：这种方式主要在组网时使用，点即中心台站，可以是大功 率无线设备；多点是由中心站控制的分台站，可以是小功率无线设备。由 设备的类型可以分为：一点单发配多点单收的集中控制方式，一点单收配 多点单发的多点采集方式，一点收发配多点收发的分散控制方式。组网时 要求每台设备编有地址码，采用时分复用( t d m a ) 技术( 即每一时刻都是 点对点) ，但是，这种方式的软件实现相对比较复杂。 3 ) 中继传输：当无线数据传输设备功率不够，需要变换接口，变换传输协议 及调制方式，以及多种无线传输系统混和使用时采取这种方式。这是点对 点传输的一个特例，其主要作用只是一种接力，不单独构成一种应用系统。 近些年内，无线数据传输设备得到了飞速发展，这些产品提供标准的r s 2 3 2 接口，或标准的r s 4 8 5 接口，从而方便了与其他数字设备连接。 d t u 是d a t at r a n s m i tu n i t 的简称( 或称i pm o d e m ) ，是基于g p r s 或者c d m a 无线公网开发的数据传输设备【2 9 1 。产品内嵌完整的t c p i p 协议和数据透明传输机 制，提供标准的r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信接口，为不具备t c p i p 协议处理的终端设备提 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 供无线通信能力，可适用于所有带串口的终端设备。能有效取代无线数传电台等 传统通信产品，为用户提供更加方便的无线组网及数据传输手段。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现 有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式 的数据业务【2 8 】【3 0 】。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样 的突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道 与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一 开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送 和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低 成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据 传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b s ，实际应用 带宽大约在1 0 7 0 k b s ，在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e m e t 连接、 数据传输等应用。 g p r s 具有以下优点： 1 ) 资源利用率高：g p r s 引入了分组交换的传输模式，改变了原来的采用电 路交换模式的g s m 传输数据方式。按电路交换模式来说，在整个连接其 内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道；而对于分组交换模式， 用户只有在发送和接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率 地共享同一无线信道，从而提高了资源地利用率。 2 ) 传输速率高：g p r s 可提供高达11 5 k b s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ， 不包括f e c ) 。这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样 快速的上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可 能。 3 ) 接入时间短：分组交换接入时间缩短为不到1 秒，能提供快速即时连接， 可大幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使已 有的i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 4 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议：g p r s 支持i n t e m e t 上应用最广泛的i p 协议和 x 2 5 协议；而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和 其他分组网络的全球无线接入。 2 3 本章小结 本章提出嵌入式w e b 服务器，组态软件w e b 发布，无线数据采集三种方式的 远程监控。嵌入式w e b 服务器方式是在现场硬件设备的基础上直接建立，不需要 1 2 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 增加其它设备，简单方便节约成本。组态软件w e b 发布方式具有强大的图形界面 功能，系统界面更加清晰直观，组态软件可以同时对多点i o 进行控制，因此，这 种方式更适合建立在整个系统的平台上，形成集散控制系统。无线数据采集这种 方式能在第一时间反映系统运行状态，方便设备的及时维护。这三种监控方式各 有优点，在工业现场中根据需要的不同有着不同的应用。 1 3 广西大学硕士学位论文 糖厂p h 值远程监控系统设计与实现 第三章b s 结构模式远程监控设计 在上一章的论述中提出来根据不同的实际需要建立三种方式的远程监控系 统。本章主要针对上一章提出的嵌入式w e b 服务器方式进行详细的分析和设计。 3 1 远程监控软硬件系统 3 1 1 硬件系统平台 本系统主要是对糖厂澄清工段中和反应过程中的p h 进行实时的检测，通过对 石灰乳添加流量的实时控制，控制反应过程中p h 的恒定，在受到某种因素的干扰 时迅速干预保持p h 值的稳定。硬件系统由检测装置、控制器、执行装置三部分构 成。 检测装置包括玻璃电极，信号处理电路，a d 转化电路三部分。 3 1 1 1 玻璃电极 玻璃电极采用m e t t l e rt o l e d o 公司生产的专用p h 值检测器件，这也是国内糖厂 大部分采用的，它将混合汁的酸碱性转化为电信号。产生的电极信号约为 5 7 m v p h ，且酸性为正电压信号，碱性为负电压