（机械电子工程专业论文）基于互联网的远程机电控制系统关键技术的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 计算机和网络技术的飞速发展使得互联网得到越来越广泛的应用，由此产生 的基于互联网的远程机电控制技术为传统的机电控制领域开辟了新的前景，将会 大大推动机电控制技术的发展。 本文首先对机电控制系统的发展与研究现状进行回顾，分析了基于互联网的 远程机电控制系统与传统机电控制系统的不同点与结合点，在此基础上，提出了 基于互联网的远程机电控制系统的组成模式，并对基于互联网的远程机电控制系 统的控制模式进行了研究。接着，论文重点从数据采集、交换与传输三个方面， 讨论了基于互联网的远程机电控制系统的数据流问题，研究了数据采集技术以及 硬件设施的选取，讨论了数据在现场监控模块内部、现场监控模块与远程监控模 块之f t i m 交换方式，提出了采用b s 结构的基于互联网的运猩垫安篓趔萎统数据 通信模型。然后，论文对系统实施过程中的时延性、安全性和数据通信等关键性 技术进行了研究。提出了采用a c t i v e x 技术来封装客户端程序在浏览器中实现 与控制服务程序的通信以减少网络数据量的方法来解决时间延迟的问题；以及采 用安全套接字层协议s s l 来解决安全性问题等的相应策略。本文最后以东方钢铁 公司炼钢车间的工业控制系统为研究对象，结合作者利用a b 公司的c o n t r o l l o g i x 系列p l c 和i n t e l l u t i o n 的i f i x 上位监控软件来搭建工业控制网络组成现场监控模 块，设计了基于互联网的远程炼钢车间控制系统。并进行了系统的应用分析与研 究。论文有关的部分应用研究表明本文所设计的系统是可行的。 关键词：互联网远程机电控制数据通信 西北工业人学颇i 学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , i n t e m e ti s b e i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y i n t ov a r i o u sf i e l d s i n t e r n e tb a s e dr e m o t e m e c h a t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ( r e m c s ) w i l lt h e r e f o r ec r e a t ean e wf u t u r ef o rt r a d i t i o n a l m e c h a t m i cc o n t r o la r e aa n dw i l lg r e a t l ya c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fm e c h a t r o n i c c o n t r o lt e c h n o l o g y f i r s to f a l l ，t h i sp a p e rg i v e sa r e v i e wo nt h eh i s t o r yo fm e c h a t r o n i cc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c h e so nt h er e l a t e da r e aa n da n a l y z e st h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sb e t w e e ni n t e m e tb a s e dr e m c sa n dt r a d i t i o n a lm e c h a t r o n i cc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i sp u t sf o r w a r ds o m em o d e l so f r e m c sa n dm a k e sr e s e a r c h e so nt h e s em o d e l s t h e n ，t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so n t h ed a t af l o wi nt h ei n t e m e tb a s e dr e m c sf r o mt h e a s p e c t so fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ae x c h a n g ea n dd a t at r a n s m i s s i o n d a t aa c q u i s i t i o n t e c h n i q u e s a r e i n v e s t i g a t e d a n dd a t a e x c h a n g eb e t w e e nm o n i t o r i n gt e r m i n a l s a n d b e t w e e nm o n i t o r i n gt e r m i n a l sa n do n l i n ec o n t r o l 。t ot h ep a p e rt h e nb r i n g sf o r w a r da c o m m u n i c a t i o nm o d e lo fi n t e m e tb a s e dr e m c sw h i c hu s e sb sm o d e l a f t e r w a r d s ， t h ep a p e ri n v e s t i g a t e ss o m e k e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gt i m ed e l a y , s y s t e ms e c u r i t ya n d d a t ac o m m u n i c a t i o ni ns y s t e mi m p l e m e n t i n ga n ds u g g e s t st h a tt i m ed e l a yp r o b l e m c o u l db es o l v e dt h r o u g hr e d u c i n gt h ea m o u n to fd a t af l o wi nt h ei n t e m e tb yu s i n g a c t i v e xt o e n c a p s u l a t e t h ec l i e n t p r o g r a mb yr e a l i z i n g c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n b r o w s e ra n dc l i e n tc o n t r o l l i n gp r o g r a m a n dt h ep a p e ra l s og i v e sa s u g g e s t i o n t h a tt h e s e c u r i t yp r o b l e m sb er e s o l v e dt h r o u g hs e c u r i t ys o c k e tl a y e r ( s s l ) ，e t c f i n a l l y , t h e p a p e rm a k e sac a s es t u d y o nt h e c o n t r o l l i n gs y s t e mt ob u i l dt h ei n f r a n e t a tt h e s t e e l m a k i n gw o r k s h o pa to r i e n ts t e e lc o b a s e do n a s u b s y s t e m - m o n i t o r i n gp l a t f o r m f o rt h es t e e l - m a k i n gf a c i l i t i e sd e s i g n e db yt h ea u t h o rb y u s i n gac o n t r o l l o g i xp l c o f r o c k w e l lc o m p a n ya n di f i xo fi n t e l l u t i o nc o m p a n y n 圯p a p e rh a sd e v e l o p e da i n t e m e tb a s e dr e m o t ec o n t r o l l i n gs y s t e mf o rt h es t e e l - m a k i n gw o r k s h o p a n dm a d ea s y s t e m a t i c a la n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o no n t h ea p p l i c a t i o no f t h ed e s i g n e ds y s t e m t h e s y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e r i sp r o v e dt ob ef e a s i b l et h r o u g hs o m e a p p l i c a t i o n so f t h e s y s t e m k e yw o r d s ：i n t e r n e t ，r e m o t em e e h a t r o n i ec o n t r o l ，d a t a c o m m u n i c a t i o n 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 二十世纪九十年代以来，随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，互联网在 社会各个领域的应用日益广泛，也逐渐被引入到远程控制领域，其中基于互联网 的远程机电控制技术更引起工业界的广泛关注，并在核电站监控、石油的输送管 道远程监测、电网运行监控和机器人的远程控制等领域得到研究与应用。 将传统的工业控制技术与基于互联网的网络技术有效的结合起来，使得工业 控制技术集成到远程控制的网络环境中，这样就可以极大地提高复杂大型机电设 备的应用水平，通过对多个不同设备或部件进行分散一集中式的控制、监视和管 理，实现资源的共享，提高了系统的利用率，减少了监测、诊断设备的成本，提 高生产效率和延长设备的运行时间，降低综合使用费用，从而实现了控制系统的 智能化、网络化和分散化f 4 4 1 。 控制系统与互联网的结合是信息化社会发展的趋势，它们的结合将极大地推 动远程控制技术的进一步发展。然而，由于受现有技术、设备等条件的限制，基 于互联网的远程机电控制技术研究在世界范围内处于起步阶段【1 心i 3 】o 因此，对基 于互联网的远程机电控制系统( r e m o t em e c h a t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 。r e m c s ) 进 行研究，有着重要的现实意义和广阔的应用前景。 1 2 基于互联网的r e m c s 的研究现状及发展趋势 1 2 1传统的机电控制系统的发展 在二十世纪3 0 年代以前，大部分工业生产都处于手工操作状态，人们主要凭 经验靠观察进行操作，劳动生产率很低，根本谈不上什么控制技术。3 0 年代以后， 控制技术才有了很大发展，大体经历了以下四个阶段： 第一阶段，3 0 4 0 年代，采用大尺寸的基地式仪表使压力、温度、流量等参 数维持在一定范围。当时流行的经典控制理论，被用来解决单输入、单输出的定 值控制系统的分析和综合问题。 西北t 业人学硕士学位论文 第一章绪论 第二阶段，4 0 5 0 年代，相继出现了气动、电动单元组合仪表和巡回检测装 置，以实现集中监视、集中操作和集中控制。 第三阶段。6 0 年代电子技术的迅速发展，出现了电动组合单元仪表i i 型、i i i 型，适应了比较复杂的、以模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。计算机控 制系统开始出现，实现了直接数字控甫i j ( d d c ) 与监督控制( s c c ) 系统结构，现代 控制理论开始得到应用，控制系统由单变量系统转向多变量系统。 第四阶段，7 0 年代以来，微型计算机的出现使控制技术进入了智能化的新时 代，这时期发展起来的机电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 技术，在世界范围内引起了强烈 反响。机电一体化技术是将机械、电子、控制技术进行有机结合，实现技术装备 和生产过程整体优化的高新技术，而机电控制就是研究如何设计控制器并合理构 成控制系统使机电一体化产品或系统达到所需性能要求的- i 1 科学，它是控制技 术、机械技术相结合的产物。此时，大量的机电控制技术纷纷涌现：p i d 控制、 状态反馈控制、自适应控制、变结构控制、h 。控制、模糊控制、神经网络控制等 等，相应的，随着工业自动化要求的不断升高，机电控制系统结构也由原来的直 接数字控制、监督控制结构发展到集散型控制( d c s ) 和现场总线型控制( f c s ) 结构，工业控制系统专用的控制网络开始形成( 4 1 t 5 1 。 11 2 2 基于互联网的r e m c s 的发展与研究现状 1 基于互联网的r e m c s 的概念与特点 进入二十世纪九十年代以后，随着网络技术的迅速发展，互联网正把全世界 的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路与公用数据网络。而 工业控制技术的不断更新，改变了控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展， 形成了对人类生产、生活有着重要影响的另一类网络，即现场底层设备控制网络 i n f r a n e t ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) ，简称控制网络。此时，正在兴起的现场总线技 术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化的发展趋势，显示了强大的生命力， 得到了迅速发展，成为控制领域的热点技术。从工业控制领域来讲，由于现在工 厂和生产在地域上越来越分散，要总览现场控制信息和生产状况，或要实现对分 西北工业大学硕学位论文第一章绪论 散在各工厂和生产线上的控制网络进行状态监控、远程软件下载及设备的诊断维 护，通过互联网，特别是对一些大型的跨省或跨国公司要实现对分散在各地的下 属公司，进行经营、生产概况的数据、曲线总览，监视工厂生产装置的运行状态， 更是迫切要求控制网络和互联网相结合来实现远程控制。因此，将机电控制网络 与互联网结合成为控制领域的一个新方向，并产生了基于互联网的远程机电控制 系统。 远程控制是指本地计算机通过网络系统实现对远端控制系统的监视和控制， 我们将能够实现远程控制的所有软、硬件系统统称为远程控制系统。在现有远程 控制系统的基础上，我们以工业生产的远程控制为研究的主要方向，将工业生产 过程的监控信息接入互联网，在一定条件下就可以通过互联网监视并控制生产系 统和现场设备的运行状态和各种参数，根据经营需要及时发出调度指令，或者利 用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控锚i ( a p c ) 等，这就构成了我 们将要研究的基于互联网的远程机电控制系统( r e m c s ) 。 与传统的机电控制系统相比，基于互联网r e m c s 最大特点就是开放性。任 何人在任何时候、任何地方，只要能连上互联网，就能实现对远程机电设备的控 制。此外，基于互联网的远程机电控制还有以下的特点： 1 ) 更高的通信带宽 随着工业自动化程度的提高，要求实现远程控制的设备越来越多，控制信息 不仅包含大量的数据，而且还要传递声音和视频信号，这就需要控制网络提供更 高的带宽。据不完全估计，在今后的4 年里，d s c 产生的控制信息将增加2 0 3 0 倍，p l c 从场地设备采集的信息预计也将增加1 0 2 0 倍【4 6 1 。当前，现场总线一 般的传输速率为1 2 m b s ，缺少升级到几兆速率的能力来支持数以千计的设备。 互联网是采用的是成熟的、快速的网络协议，数据传输速率为1 0 1 0 0m b s ，新 一代互联网的传输速率更快，可达到1 g b s ，能够满足不断增长的数据通信需要， 成为企业范围的主干网络。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接 互联网已成为企业管理网络的首要选择，将互联网应用于现场设备的控制网 络，实现企业信息网络和控制网络的融合，促进企业整个信息化的集成。通过通 用的浏览器，并经过身份认证后，企业决策层、生产管理者、设备维护者乃至用 户都可方便地了解到现场设备工作状态的信息。另外，通过建立设备运行档案数 据库，可实现设备从制造、安装到运行的全生命周期管理。 3 ) 控制系统的成本降低 这主要表现在两个方面：一是支持互联网通信的网络设备比较多，设备成本 比较低；二是熟悉互联网网络操作的用户较多，整个系统的培训、维护都比较容 易。因此，与以往的控制系统相比，基于互联网的控制系统的成本可大大降低。 4 ) 更高的稳定性 光纤网络已成为互联网的主干网络，光纤所具有的良好的抗噪声干扰性能使 得互联网更加适合使用在实时监控的高噪声设备现场环境。 基于互联网的控制网络所具有的上述优点都是目前传统机电控制技术所无法 比拟的。此外，随着宽带互联网与交换式互联网技术的发展，互联网作为控制网 络在控制实时性方面的问题正逐渐得以解决。互联网用于自动控制的致命弱点， 是载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) 所具备的非确定性( n o n d e t e r m i n i s m ) 特性造 成的响应时间不确定。不过在实际使用时，以1 0 m b s 带宽为例，如果传输数据 不包含大量的影像图形资料，实际碰撞机率已很低，而且实际碰撞率还会随着交 换互联网技术的进一步发展而更趋下降。据a r c 公司的分析，1 2 6 个节点的 1 0 0 m b s 交换互联网的响应时间是2 3 m s ，几乎可以满足各种控制系统的实时性 要求。种种迹象表明，基于互联网传输的远程机电控制网络将会成为下一代工业 控制网络的熏要选择，并将带来工业控制网络新的变革。 2 基于互联网的r e m c s 的发展与研究现状 目前，基于互联网的远程控制系统的研究越来越受到世界各国研究人员的重 视，国内外已积极地开展了远程控制的应用与研究，并取得良好的效果。早在2 0 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 世纪6 0 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。那时主 要是为了星际探险，如有时需要在地面上控制空间机械手完成一些诸如修复空间 站、回收卫星等任务。从目前的研究结果来看，现在的主要研究成果还是局限于 通过互联网对远程某种特定的设备( 比如机器人) 进行有人参与控制的遥控操作， 其中比较典型的是澳大利亚的w e a t e m 大学研制的a u s t r i a l l i a s t e l e r o b o t 系统【“。 1 9 9 3 年美国国家航空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功 地进行了机器人远程分布式控制试验口】。该项试验是通过互联网在j o h n s o n 航天 中心控制位于t e x a sa & m 大学和t e x a s 大学a u s t i n 分校的机器人，同时在 a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成 m e r c u r y 项目1 6 j ：该项目允许远程用户通过w e b 浏览器控制一机械手进行文物挖 掘。同时南加州大学在互联网上已公开的另一个比较有趣的项目是 “t e l e g a r d e n 【g j ，：w 曲访问者可以控制一个a d e p t 机械手进行种植，灌溉花园 等活动。 相对来说，由于国内的计算机和通讯技术发展相对晚些，国内的基于互联网 的远程控制研究也要晚一些，但近几年互联网技术的飞速发展，使得国内的研究 也取得了积极的进步。1 9 9 7 年，中国科学院等离子体物理研究所的研制的h t - 7 超导托卡马克装置规模大、参数多。整个系统采用不同类型的计算机，操作系统 也不同，而且各个子系统的控制计算机分布在不同的实验现场，相距甚远。实验 的特殊性要求控制系统能完成实时控制，而且各功能子系统间的数据传输量也大。 为实现整个系统的实时监控及诊断保护，系统采用了基于交换式快速互联网的网 络技术，利用基于t c p i p 协议的s o c k e t 网络编程，不仅实现了数据共享、高速 可靠的数据传输，而且系统具有组网简单、升级方便和高的性能价格比等优点。 但是，国内、外在基于互联网的远程机电控制系统方面的研究并不多见，对 工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络上，也有部分学者对建立 工业互联网控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入到实质研究阶段。 在实际应用方面，西安交通大学开发的基于互联网的快速成型和快速加工技术9 1 ， 两北工业火学硕士学位论文第一章绪论 只要用户安装w w w 浏览器，就可以通过h t t p 获得远程服务部t s b ( t e l e s e r v i c e b u r e a u ) 在线技术支持和数据交换。比如提供3 dc a d 文件和物理模型，加工测试 数据反馈给t s b 等；在国家科委的8 6 3 计划中，设立了机器人网络通信与远程诊 断、维修技术专题：业已建成的上海科技网则将基于互联网的远程诊断等纳入自 己未来的发展目标。 现在，基于互联网的远程控制系统已投入到实际的应用领域，并取得很好的 经济效益，其应用前景是十分广阔的。在广泛的工业领域中，可实现数据网络和 控制网络的集成，即工业控制系统和计算机网络融为一体，实现真正的虚拟工厂 ( v i r t u a lp l a n t ) 和虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r e ) 。远程控制技术的成熟也将促进其在 环境监测、电网监控上发挥巨大作用。 3 基于互联网的r e m c s 开发的意义 通过以上分析，我们可以看出，基于互联网技术的远程机电控制技术不仅充 分利用了现有资源，拓宽了互联网的利用范围，而且也能够使远程机电控制减少 成本、扩大远程化距离、实现任意节点的访问机制。它不仅可以应用到设备远程 诊断、远程监测、遥控等领域，还能进入一般应用的领域如家庭，人们通过互联 网控制家用电器等，是一项很有前途和潜力的技术。开展基于互联网的r e m c s 的开发与研究正是适应了时代发展步伐，它的实现对工业技术的发展和我们的日 常生活都将产生深远的影响，具有很大的理论意义和应用价值。 1 2 3基于互联网的r e m c s 研究涉及的问题 基于互联网的r e m c s 是机电控制技术、计算机软硬件技术、网络技术、数 据库技术的多个新兴学科相互交叉渗透的新型技术领域。因此，对该系统进行研 究就必须要注意以下方面的问题： 1 ) 机电控制 我们的目标和出发点是机电设备的远程控制，然而，传统的机电控制系统还 远远达不到我们所设想的基于互联网的r e m c s 的实现条件，所以对机电控制技 术开展进一步研究是必要的，并且要进一步提高控制的自动化水平，研究适合于 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 基于互联网远程控制的机电控制系统，为网络化应用铋造条件。 2 ) 计算机网络 网络技术是远程机电控制的动力源泉。网络环境下的数据传输需要符合相关 的传输协议，可以采用网络接口函数、分布式组件技术、网络套接字( s o c k e t ) 等技术实现网络环境下的数据传输。而且，网络环境下的客户端和服务器端的软 件设计对提高远程控制的可用性和实用性具有重要的意义。 3 ) 网络数据库 于互联网的远程机电控制主要采用动态w e b 应甩方式，动态w e b 的实现是 和数据库技术分不开的，而被控机电设备的数据采集、传输更是与数据库技术密 切相关的。 4 ) 远程控制 在互联网网络环境下的远程操纵和控制具有特殊性，主要体现在网络的传输 延时，而且延时的大小呈现不确定性。这种延时对于远程控制的信息传输，特别 是信息的反馈带来困难，使得控制难度加大。 5 ) 故障诊断 传统故障诊断技术采用的专家系统知识库是封闭的或半封闭的，其知识库的 构造和知识的输入与修改均需由设计者来进行。而适合远程控制系统的敌障诊断 专家数据库必须基于w e b 数据库开发式的体系结构，专家系统的设计者只需要 完成个简单实用的专家系统框架，不需要设计者去填充专家系统的知识库知 识库的填充是由系统的维护和使用者在使用的过程中不断去充实，从故障诊断的 成功经验中提取相关的知识。 1 3 本研究项目取得的进展与后续研究工作 1 3 1已经取得的进展 在我们进行系统分析研究之前，前面的研发小组已经对基于互联网的r e m c s 进行了理论上的探讨1 4 9 1 ，并进行了一些系统开发工作，为我们下一步的工作奠定 了基础。他们提出了实现基于互联网的远程控制的两种模式：基于t c p 1 p 协议 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 的远程控制和基于w e b 技术的远程控制。在基于t c p i p 协议的远程控制系统中， 他们分析了系统所以采用t c p i p 协议传输的原因，研究了控制数据和设备状态 数据是如何进行传输的，并将c s 架构下的r e m c s 划分为四个功能模块( 监控、 通信客户、通信服务器和现场监控) ，分别进行了晚明。在基于w e b 技术的远程 控制系统中，分析了采用w e b 技术来实现基于互联网远程控制的特点，在b s d 常用的三层模型基础上提出了解决远程控制的三层结构模型( 监控层数据管理层 现场设备的数据采集与控制层) ，对该结构体系进行了分析设计。 1 3 2后续的工作 在前面研究小组的完成工作中，研究人员仅仅提出了两种可行的解决方案， 并没有涉及到具体的现场机电设备控制系统，没有完成系统软件的开发测试，没 有做出对整个系统的应用分析。我们在后续的工作中在此基础上重新进行了系统 分析，进一步明确了系统功能，提出了系统的整体设计方案。同时以对东方钢铁 公司炼钢车间现场工业控制网络为基础，在首先实现了该套工业控制网络的设计 与开发后，利用c o r b a 技术和w e b 技术使得控制网络与互联网结合在一起，进 行了基于互联网的远程控制的仿真应用研究。 1 4 本文选题及主要内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于我们为东方钢铁公司开发的炼钢炉工业控制系统，在已经实现 其现场控制网络的前提下，我们对这套系统进行了基于互联网的远程控制的应用 分析研究。 1 4 2课题主要内容 远程机电控制的建立不是一朝一夕可成的，需要经过不断的技术积累。为此， 我们将它分成了三个阶段进行研究，第一个阶段，在实验室环境下建立一个局域 网，建立网络运行的软硬件环境，与现有的机电设备连成网络，建立远程控制服 务器，模拟客户机与服务器的工作情形。第二阶段，在实验室环境基础上，与校 园网或企业网连接，建立远程机电控制试验站点，进行联合试验，不断完善。第 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 三阶段，我们会在第二阶段基础上对技术进行不断完善，最终形成自己的系统和 产品。 目前本论文的研究工作主要处于第一阶段和第二阶段之间。结合东方钢铁公 司开发的工业控制网络，本文从实际应用与理论研究相结合的角度出发，对基于 互联网的远程机电控制技术进行了从设计到试验、应用分析等一系列的开发与研 究。论文主要内容如下： 1 ) 对机电控制系统的发展和研究现状等进行回顾，介绍了基于互联网的远 程机电控制系统( r e m c s ) 的概念、特点以及进行基于互联网的远程机电控制技 术研究的意义，并分析了在以后研究中应注意的问题。 2 ) 从控制方式和系统组成结构两个方面分析了传统控制系统和基于互联网 的r e m c s 的不同点和结合点，指出影响基于互联网的r e m c s 正常运行的一些关 键性因素。 3 ) 分析了数据在基于互联网的r e m c s 中的采集、交换与传输技术和方式， 并介绍了在该系统中涉及到的设备使用与理论。研究了数据传输过程中的延迟和 安全性等问题，并提出了相应的解决办法。同时针对我们在系统实施过程中所遇 到的问题，进行了详细分析，提出了具体的解决方法。 4 ) 给出了基于互联网的r e m c s 设计方案并给出了现场数据采集与监测部 分的实现过程，对整个系统的应用实现进行了分析研究。 西北工业大学顿上学位论文第二章基于互联网的r e m c s 基本理论研究 第二章基于互联网的r e m c s 基本理论研究 2 1 传统机电控制系统 从二十世纪三十年代以来，伴随着工业自动化技术要求的不断升高，计算机 技术地飞速发展和对生产工程工艺控制要求的提高，机电控制系统也经历了几个 阶段的变革。在此期间，许多新的机电控制技术理论不断涌现，新的机电控制系 统结构也在不断更新。 目前，我们常用的机电控制理论主要有下面几种：p i d 控制理论、状态反馈 控制理论、自适应控制理论、变结构控制理论、h 。控制理论、模糊控制理论、神 经网络控制理论、学习控制理论、专家控制理论、遗传算法控制理论。 随着机电控制理论应用发展变化，传统机电控制系统的结构也变得越来越复 杂，现在，机电控制系统已经从最初简单的直接数字控制逐渐发展到网络化的现 场总线型控制。 1 直接数字控制( d d c ) 系统 “直接数字控制”是为了强调计算机直接控制生产过程这一特性，其系统组 成见图2 1 。计算机控制系统中首先是把反映过程状态的参数经过采样，并经 工 计 业 算 对 机 象 图2 - 1 直接数字控制系统组成框图 过模数转换装置转换为相应的数字量。计算机根据一定的控制算法进行计算，将 控制作用经数模转换装置转换为相应的模拟量，通过执行机构去控制生产过程， 以达到预期的目的。同时，也可根据需要将必要的信息在终端机的屏幕上显示或 用打印机打印出来。 当前以单片机为主体的d d c 控制仪用量最大，如控制温度、流量等。这种 西北工业人学硕十学位论文 第二章基于互联网的r e m c s 基奉理论研究 微机控制仪表的功能已大大超过以模拟电子元件为基础的测量仪表，而且有了处 理工艺参数的功能。但它们需要与中间继电器、交流接触器、晶闸管、电磁阀、 比例阀等执行机构形成完善的控制系统。多数d d c 控制仪采用p i d 和模糊控制 算法，但自身调整和在线优化能力仍较弱。 这类控制系统的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干 扰能力和控制精度，操作方便。主要问题是受运行速度和内存容量的限制，难于 进行动态控制生产工艺过程和产品质量预测，还是初级微机控制系统。 2 监督控制( s c c ) 系统 监督控制( s c c ) 系统又称设定值控制系统，它是将操作指导和d d c 综合起来 的一种较高级形式的控制系统。它和d d c 一样属于闭环控制。在这类系统中， 生产过程的闭环自动调节是先于模拟调节器或d d c 计算机来完成的。s c c 计算 机对生产过程的工艺参数进行巡检，并根据生产过程的数学模型，计算出最佳给 定值，直接对模拟调节器或d d c 计算机进行设定，使生产过程在最优工况下运 ( a ) 采用模拟调节器的s c c( b ) 采用d d c 系统的s c c 图2 - 2 监督控制( s c c ) 系统组成原理框图 行。此外，还可以通过在线的模型辩识，随时对现有模型进行修改，实现最优控 西北t 业人学硕十学位论文 第二章基于互联网的r e m c s 基本理论研究 制和自适应控制。s c c 系统组成原理框图见图2 2 。 采用s c c 系统的原因是由于d d c 系统在进行实时控制时，采样周期不能太 长。而较短的采样周期又难以完成较为复杂的运算与控制，s c c 系统则可以完成 较为复杂的计算，如优化计算、自适应算法等，而将计算出的最佳设定值送给d d c 系统或模拟调节器去执行，因此，可实时实现优化控制。但是，d d c 系统和s c c 系统都属于集中型控制系统，当这种系统集中了很多的控制回路时，就必然会带 来“危险高度集中”的问题，从而使系统的可靠性大为降低。这就要求直接数字 控制由集中型向分散型转移，于是出现了“控制分散、信息集中”的集散型控制 系统。 3 集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d e s ) 又称为分散控制系统或分布式控制系统。目前所使用的 集散控制系统有环形、总线形和分级式几种。现以分级式为例介绍该系统的组成， 分级式控制系统通常由分散过程控制级( d d c 级) 、监督控n ( s c c 级) 和生产管理 级( m i c 级) 3 级组成，其构成见图2 - 3 。 磁盘机l 1管理级微计算机 通信接口 通信接口 一卜 磁盘机k + i管理级徽计算机| + ic 盯图象显示 通信接口 通信接口ll 通信接口il 通信接口li 通信接口 i 微计算机li 微计算机ii 微计算机 l 顺序控制站l1 分批控制站ii 数据采集站 图2 3 分级式集散控制( d e s ) 系统的组成 级 牧旧 一 然 1ljll，ij 西北工业大学硕士学位论文 第二章基于互联网的r e m c s 基本理论研究 集散型控制系统实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管 理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控 制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的。具有通用性强、 系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、入机界面友好、 安装简单规范化、调试方便和运行安全可靠的特点，能够适应工作生产过程的各 种需要，提高生产自动化水平和管理水平。 4 ，现场总线控制系统( f c s ) 为了进一步满足现场控制的需要，产生了现场总线控制系统( f c s ) 【l ”，f c s 是一个由三类部件组成的实时连续反馈系统，即由被控过程( 环境) 、数据融合机 制、传感器及施动器组成的闭环通信控制系统。f c s 控制层结构见图2 4 1 4 1 。 图2 4f c s 控制层结构 f c s 的核心是现场总线。现场总线技术是9 0 年代兴起的一种先进的工业控 制技术，它将当今网络通信与管理的观念引入工业控制领域。从本质上说，它是 一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向 传输、多分支结构的通信网络。是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三 者的结合，具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散的功能块、通信 西北工业人学硕士学位论文第一二章基于互联网的r e m c s 基本理论研究 线供电、开放式互联网络等技术特点。这些特点不仅保证了它完全可以适应目前 工业界对数字通信和自动控制的需求，而且使它与互联网互连构成不同层次的复 杂网络成为可能，代表了今后工业控制体系结构发展的种方向m 【4 8 1 。 2 2 基于互联网的r e m c s 前面我们介绍了传统的机电控制系统的控制理论与结构，重点介绍了目前流 行的现场总线控制系统。然而，随着f c s 的不断应用，它的缺点也在不断体现出 来。互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 成为现场总线发展的最大障碍。由于不同总线标准 采用了不同的网络技术，不同种类现场总线不能实现互操作，严重阻碍了现场总 线技术在控制领域的迅速发展，尤其在远程控制方面。一旦用户选择某种现场总 线，以后就会局限于这种总线的产品，若再选择其他总线的产品必须付出高昂 的代价，这严重影响了现场总线技术向纵深方向发展。另外，通信协议的不统一 也使得整个系统远远达不到全开放的要求。 在分散性方面，现场总线网络也存在较大的局限性，难以实现真正的全分散 控制。在目前的现场总线控制系统中，主要是低速现场总线，现场仪表和设备的 决策分析和信息处理能力较低。在这种结构中，简单的功能可以分散到现场仪表 和设备中实现，而复杂的功能仍然集中在中央控制计算机上，并没有真正实现全 分散控制系统。 正是由于上述现场总线自身技术的局限性以及多种总线标准分割共存局面的 存在，限制了现场总线技术在工控领域的进一步应用。此外，在企业自动化系统 中，由于采用现场总线的控制网络孤立于互联网之外，无法实现整个企业信息化 的集成。这种局限性促使了互联网和现场总线网络混合控制网络体系的出现，从 而导致了基于互联网的r e m c s 的诞生。在下面的章节中，我们将对该系统的组 成与控制方式进行讨论。 2 2 1 基于互联网的r e m c s 组成 结合目前远程控制的发展现状，加上自己的系统需求，我们从功能上将远程 机电控制系统划分为以下三个部分：远程监控终端系统、远距离数据传输系统、 西北工业大学硕士学位论文第二章攥于互联网的r e m c s 基本理论研究 现场设备监测与控制系统，各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制任务。 其模型如图2 5 所示，各部分的作用与原理如下： 控南4 数据_ 卜 状态数据一 图2 - 5 远程控制系统模型 1 )远程监控终端系统( 以下简称施控端) 远程监控终端系统是用户与现场设备的进行交互的界面。从功能角度来 看，该系统主要包括远程设备状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对 命令参数和状态数据进行必要的处理，以及其他操作。目前，由于微机的广 泛应用和价格越来越低廉，并且用于远程监控的微机远离工业现场，所以基 于微机的远程控制终端软件技术发展迅速，微机成为远程监控终端系统的主 要操作平台。 2 1 远距离数据传输系统 远距离数据传输系统主要是作为远程控制信息的传输通道，进行各类控 制数据的传输，传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监 控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的措施( 例如通 过传输系统发出控制命令等) ；另外还需要将监控端的控制信息传输到现场的 控制主机，以便对设备进行控制，对于我们研究的基于互联网r e m c s 来说， 传输系统就是互联网。 3 ) 现场设备监测与控制系统( 简称为受控端) 现场设备监测与控制系统是直接对现场设备进行监测控制的系统，其主 要任务是根据施控端的控制数据对设备进行控制，同时监测设备的状态，并 作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到施控端。现场监控系统实 际是一个机电控制系统，从前面的分析可以看出，它是以计算机为中心的集 西北工业大学硕士学位论文第二章基于互联网的r e m c s 基本理论研究 现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统。 2 2 2r e m c s 的控制方式 从系统组成和功能上来看，所有的远程机电控制系统都可以划分成了上节描 述的三大模块，但是如果按其控制方式，远程机电控制系统可以分为如下类型【l 5 j ： 1 1保持型的远程控制方式 在不断提高设备本身智能化水平，提高设备对突发事件的应对能力和系统的 鲁棒性的前提下，远程控制仅仅向受控端发出控制命令，而由设备自主完成这个 命令，施控端只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这样就要求设备不 断向施控端发送设备运行信息，旌控端保持对设备的监控能力。这样施控端必须 维持和设备建立起来的通讯连接，信息的传输允许有一定的滞后，总的滞后时间 t = t p + t 。+ t + t 。，其中t p 为指令执行时间，t s 为指令发送时间，t ，为反馈数据通 讯时间，t 。为系统初始化时间。因为现场设备有一定的智能，有能力处理现场的 意外事件，防止事故和故障的进一步扩展。在事故发生时可及时处理，或暂停任 务，等待施控端的解决方法。这种模式可实现远程设备的无人控制，可应用于危 险环境和人力不能到达的地方等。 2 1完成型的远程控制方式 施控端仅仅向受控端发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，施控端 不对设备的具体实现过程进行控制，设备完成任务后向施控端报告。设备的操作 控制完全由本地进行，设备在本地操作人员的监控下完成加工任务。 3 )完全型的远程控制方式 设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由施控端完 成。这种方式设备的控制系统和设备是分离的，而在受控端内信号的传递速度要 求很高，施控端能够立刻对现场进行反应，要求通讯线路高速可靠。这种控制方 式用在一些特殊的行业。 两北t 业 = 学砸卜学位论文第二章暴于互联网的r e m c s 綦奉理论究 4 )人机交互式远程控制方式 设备在本地操作人员和施控端的协同控制下工作，在施控端的指挥下工作， 由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务的执行过程中，可随时建立 连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在受控端采集。 根据实际的控制情况，基于互联网的远程机电控制方式可以采取上面1 ) 、2 ) 、 4 1 三种方式来解决问题。而对于完全型的远程监控方式，由于互联网的传输时间 的不确定性，所以实现起来相对比较困难。 2 2 3传统机电控制理论在r e m c s 中的作用 基于互联网r e m c s 与传统的机电控制系统相比，其最大不同之处就在于互 联网的引入。从前面章节的叙述中可以看出，如果在基于互联网的r e m c s 构成 中，如果忽略与互联网相关的远距离数据传输系统与远程监控终端系统( 施控端) ， 现场设备监测与控制系统( 受控端) 所实现的功能是与传统的机电控制系统是一 致的。可以说，传统的机电控制系统构成了r e m c s 中的受控端。 实现一个基于互联网的远程机电控制系统，关键的一步就是将现场的机电控 制网络与互联网结合。从前面的分析中，我们知道，在传统机电控制中先进的 d c s 、f c s 都已经改变了传统的控制系统的结构，形成了新的网络集成式全分布 控制系统。它采用全数字式通信、具有开放式、全分布式、可互操作性等特点， 形成了从测控设备到可操控计算机的全数字通信网络，已经具备了与数字网络连 接沟通的条件，顺应了控制网络与互联网相结合的要求，为实现基于互联网的 r e m c s 奠定了坚实的基础。 此