（控制理论与控制工程专业论文）基于web的工业信息监控系统研究与实现.pdf

大连理r 大学硕十学位论文 摘要 随着网络技术的不断发展和企业信息化的推进，将i n t e r n e t i n t r a n e t 技术与传统的工 业监控系统相结合，构建基于w e b 的工业信息监控系统是工业监控领域发展的方向之 本文首先回顾和介绍了监控技术的发展历史和研究现状，并对w e b 监控系统的功 能、层次以及实现方案进行了较深入的研究和探讨。其次，针对基于w e b 的工业信息 监控系统的实现，着重研究了控制网络与信息网络之间的数据交换和数据的w e b 动态 发布技术。借鉴基于d c o m 的分布式系统设计方式，采用o p c 数据交换技术来实现工 业现场控制网络与企业信息网络之间的数据共享，并提出了o p c 客户端以a c t i v e x 控 件的形式在浏览器中与现场监控系统进行数据交换的方案，不但实现了异构网络之间的 数据共享，而且改善了传统的以数据库为中心的w e b 监控解决方案所带来的实时性差 等缺点；设计实现各种监控功能的a c t i v e x 控件嵌入到h t m l 文件中，形成友好的人机 界面作为对工业现场进行监控的窗口。再次，分析了影响基于w e b 监控系统实时性的 若干因素，并提出了改善系统实时性和安全性的措施和方案。基于以上研究，将网络技 术应用于工业现场监控中，形成了一种改善工业嗡控系统实时性的w e b 监控方法。最 后，结合实际项目，分别实现了对模具扁钢生产的现场和w e b 远程数据采集、数据监 视、参数修改以及报警提示等功能，从而实现了基于w e b 的工业信息监控系统。 本文研究并实现的w e b 监控系统不但改善了基于组态软件的w e b 监控系统带来的 监控平台异构的缺点，而且改善了完全以数据库服务器为数据源的监控系统实时性差的 缺点，尤其适用于监控系统点数少但对实时性要求较高的情况。通过实际应用可以看出， 该系统能够满足用户的要求，实现对工业生产过程的监控。 关键词：w e b 监控；网络集成：o p c 规范；a c ti v e x 控件 大连理r 大学硕十学位论文 t h es t u d ya n dr e a l i z a t i o no fi n d u s t r yi n f o r m a t i o ns 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 d o nw e b a b s t r a c t w i t ht h eu n c e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k t e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n c eo f e n t e r p r i s ei n f o r m a t i z a t i o n ，i n d u s t r yi n f o r m a t i o ns u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw e b ， w h i c hi sc o m b i n e dw i t hi n t e r n e t i n t r a n e tt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a li n d u s t r ys u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m ，i so n eo ft h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n so f i n d u s t r ys u p e r v i s o r yc o n t r o lf i e l d f i r s t l y ，t h eh i s t o r ya n dr e s e a r c h i n gs t a t eo fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h e f u n c t i o n ，s t r u c t u r ea n di m p l e m e n ts c h e m e sa r es t u d i e d a n dt h e n ，a i m i n ga tt h er e a l i z a t i o no f t h es y s t e m ，t h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e ni n f r a n e ta n di n t r a n e t ，t h ed a t ad y n a m i c a lp u b l i s h i n go n w e ba r ed i s c u s s e dp r o m i n e n t l y u s i n gt h em a n n e ro fd i s t r i b u t e ds y s t e mb a s e do nd c o mf o r r e f e r e n c e ，o p cd ai sa d o p t e dt or e a l i z et h ed a t as h a r eb e t w e e nl n f r a n e ta ni n t r a n e t ，a n dt h e s c h e m et h a tt h eo p cc l i e n tc o n n e r sw i t ht h ef i e l ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi nt h ef o r mo f a c t i v e xc o n t r o li nt h eb r o w s e ri s p u tf o r w a r d w h i c hc a na m e n dt h er e a lt i m eo ft h e t r a d i t i o n a ls c h e m eb a s e do nd a t a b a s e ；k i n d so fa c t i v e xc o n t r o l sw h i d lc a nr e a l i z et h e s u p e r v i s a la n dc o n t r o lf u n c t i o n sa r ed e s i g n e da n de m b e d d e di n t oh t m ld o c u m e n t s ，w h i c h c o m p o s eh m ia st h ew i n d o w st oa c c e s sw i t ht h ei n d u s t r yf i e l d i na d d i t i o n s o m eo ft h e f a c t o r st h a tc a nd e b a s et h er e a lt i m eo ft h es y s t e ma r ea n a l y s e da n ds o m em e t h o d sa r ep u t f o r w a r da i m m i n ga ta m e n d i n gt h er e a it i m ea n ds e c u r i t yo ft h es y s t e m b a s e do nt h es t u d y a b o v e ，t h en e t w o r kt e c h n o l o g yi sa p p l i e di n t oi n d u s t r ys u p e r v i s o r yc o n t r o l ，a n dan e ws c h e m e o fi n d u s t r ys u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a na m e n dt h eo p e n i n ga n dr e a lt i m eo ft h e s y s t e m ，i sr e a l i z e d a tl a s t ，c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a li t e mo ft i es t e e lp r o d u c i n g ，t h ef i e l da n d w e bb a s e ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hr e a l i z e st h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ，d a t a s u p e r v i s a l ，p a r a m e t e r sm o d i f i c a t i o n ，w a r n i n ga n ds oo n ，a r er e a l i z e d t b es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw e bs t u d i e da b o v ec a na m e n dn o to n l yt h e d i s a d v a n t a g eo fh e t e r o g e n e o u ss u p e r v i s o r yc o n t r o lp l a t f o r mc o n s i s t e di nt h es y s t e mb a s e do n t r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，b u ta l s ot h es h o r t c o m i n go ft i m ed e l a y i n gr e s u l t e di n d a t a b a s ea c c e s s i n g e s p e c i a l l y ，i tc a nb eu s e df o rt h es i t u a t i o nt h a tt h em o n i t o r i n gs p o t sa r e f e w a n dt h er e a lt i m ei sr e q u e s t e d t h ea p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a ns a r i s f yt h e u s e r s r e q u e s ta n dr e a l i z et h es u p e r v i s a la n dc o n t r o lo ft h ei n d u s t r yp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：w e bb a s e ds u p e r v i s o r yc o n t r o l ；n e t w o r ki n t e g r a t i o n ；o p cc r i t e r i o n ； a c t i v e xc o n t r o i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：童! 茎丝 导师签名 张刹 迦年j 三月j ，上日 大连理：【大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题依据和意义 随着自动化系统的逐步普及，许多工厂、企业都配置了各种各样的工业信息监控系 统，它们实时地反映设备运行状况，为现场设备自动化运行提供了有力的手段。近年来， 随着现代工业科技和信息产业的飞速发展，靠人工与外界或企业的其它部分进行联系的 局部自动化系统已经不能满足用户的需要1 1 , 2 j ，传统的监控系统反映现场运行情况的画 面、参数和报表大部分只能够在本地操作室中进行，生产的高层管理决策者无法随时随 地掌握现场的生产状况。虽然近年来多数致力于工业监控组态软件的公司在其原有软件 的基础上推出了支持w e b 监控的功能，但由于其对不同组态软件问监控平台异构等问 题解决的不充分，无法使工业监控系统完全融入到企业m i s 中去。同时，由于计算机网 络技术的发展，很多工厂、企业都建立了自己的计算机网络系统，但这些计算机网络系 统绝大部分仅限于管理信息系统( m i s ) 的应用。相对于基于企业内部的i n t r a n e t 技术、尤 其是迅速发展的i n t e r n e t 技术而言，现有计算机网络的功能远未得到充分的利用。而且， 我国在这方面的研究也相对滞后，应用研究则更少。因此，基于w e b 的监控技术在近 年来成为国内外研究的热点问题之一，其目的在于1 3 ： ( 1 ) 从企业生产管理的角度来看，企业经营、决策者可及时了解工厂、企业现场设 备运行情况，作为决策的参考依据，从而提高了企业的管理质量及决策者把握全局的能 力。 ( 2 ) 从资源共享的角度来看，将工业系统的监控建立在企业内部网i n t r a n e t 或全球网 i n t e r n e t 上，采用统一的b s 模式，可以真正做到局域和远程信息的实时监控，数据资 源的综合共享，从而实现企业内部及企业间统一的人机交互界面及跨平台的数据访问。 ( 3 ) 从企业使用角度来看，由于b s 模式采用“瘦客户端”，提高了系统的可扩充性， 方便现场维护。同时，由于w e b 技术采用开放的网络传输协议t c p i p 和h 1 t r p ，简化 了系统的复杂性，便于不同系统的互连。 ( 4 ) 从发展前景看，基于b s 模式的监控系统可以方便地实现远程监控，从而应用 于一些特种行业中，如危险作业、微细加工、宇宙作业等多种工业现场。 在i n t e m e t 遍布全球、各种先进网络技术目新月异的今天，使用网络技术实现工业 远程监控自然成为首选。它可以提高企业的劳动生产率，加强企业竞争力；可以对各监 控对象进行全天候、全方位监控，及时发现甚至提前预测设备问题，保证企业生产安全； 还可以在远离现场的地方获得监控现场数据，这对于需要获得第一时间数据的工程来说 基于w e b 的工业信息监控系统研究与实现 是极为重要的；w e b 监控技术的实现也意味着各种异地资源通过网络连接的方式，实现 了资源共享。总之，w e b 监控向人们提供了一个更高效、更全面、更安全、更快捷的服 务模式，改变了传统的监控模式。 基于w e b 的组态系统满足了工业监控系统在系统可扩展性、分布式和实时性等方 面的技术要求，不仅成为计算机学科的重要门类，而且是实现国家工业生产自动化、优 质高产低耗、提高企业经济效益的重要技术手段。发展基于w e b 的监控系统对改造传 统产业、实现工业现代化、促进产业信息化有重要意义i 4 ，5j 。本课题正是在这种背景下产 生的。 1 2 监控技术的历史与发展 随着现代工业的迅速发展，工业监控领域也得到了长足的发展。最初的工业生产监 控局限于操作台上的开关和指示灯。随着工业监控技术的不断发展，在应用过程中，p c 机相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。尤其是计算机和通讯的飞速发展，促使了 工业现场控制和监视系统也得到飞速的发展。组态软件应运而生，它用生动形象的画面 模拟了工业现场生产过程，代替了以往单调的刻度盘、操作手柄等过程，通过组态软件， 操作员不仅可以随时监视、控制工业现场，而且可以优化工业生产过程，提高生产率。 组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。但直到9 0 年代中期之前， 组态软件在我国的研究与应用并不普及。近年来，我国工业飞速发展，促使工业组态软 件在我国的工业生产中得到广泛地应用。w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件，c i t 公司的c i t e c h 软件，西门子公司的w i n c c 等都是最早进入国内市场的组态软件。同时，国内组态软 件的研制也是蓬勃发展，组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司，并且提供 了以汉字作为关键字的脚本语言支持。另外，大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) 也 是国内较早就已经出现的组念软件之一。可以说，在p c 技术向工业控制领域的渗透中， 组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 技术在全球的广泛应用，引发了工业企业信息与控制系统向 i n t e m e t i n t r a n e t 的迁移，网络体系结构由c s 向着b s 模式的转变已成为发展趋势。 当今，越来越多的企业和单位建立了自己的内部局域网络i n t r a n e t ，并且与i n t e r n e t 实现互连。i n t r a n e t 可将企业内部各自封闭的信息孤岛连成一体，实现企业级的信息交流 和资源共享。对外，则可方便地接入i n t e r n e t ，使企业内部局域网络成为全球信息网的成 员。i n t e r n e t i n t r a n e t 结构通用，用户界面统一，使系统可增量式构造和扩展，低成本开 发和运营，操作简单、培训容易、维护更新方便。在工业自动化领域里，基于 i n t e r n e t i n t r a n e t 的企业综合自动化方案已经成为热门的话题，并f 在逐步地迈向实施。 大连理工大学硕士学位论文 基于w e b 的生产监控平台就是在这样的背景中提出的，其主旨是为了在基于 i n t e r n e t i n t r a n e t 的企业综合自动化系统中，通过网络技术以较低的成本，连接各车间和 控制系统封闭的信息孤岛，实现整个企业生产车间之间的监控系统集成，让管理层和全 厂相关部门都能看到过去只有操作人员才能看到的生产现场的实时状况。通过i n t e m e t 使坐落在不同地区的子公司之间交流生产信息，使出差在外的技术员和管理者也能及时 了解到生产状况，为实现对生产现场的远程监控打下基础【6 i 。 基于w e b 的监控系统的研究与应用主要有两个方向： ( 1 ) 基于组态软件的w e b 监控方式。在已有的传统组态软件中添加支持远程w e b 功 能的组件，如西门子公司的w i n c cw e bn a v i g a t o r 是w i n c c 实现b s 结构的组件，提供了 通过i n t e m e t i n t r a n e t 监控工业过程的解决方案；g ef a n u c 公司的i c l i e n t s 组件提供了 i n t e m e t 瘦客户端方案，可以连接到网络中任意p r o f i c yh m i s c a d a - i f i xs c a d a s e r v e r 并读取数据。但它们的缺点是各组态监控系统之间存在监控平台异构问题，各系统相互 独立，难以实现数据共享等目的。另外，基于组态软件的w c b 监控系统比较庞大，对服 务器要求比较高，价格昂贵。 ( 2 ) 另一种方式是用户根据实际需要编程建立与现场控制系统的连接，获得现场数 据并将其通过w c b 服务器和数据库服务器发布在网络上，用户可以通过匝等浏览器查看 现场信息。这种方式虽然有实现复杂，安全性不高等缺点，但由于灵活，避免了监控平 台异构等问题，近年来成为业内研究与应用的重点，本课题研究的正是这种方式。 i n t e m e t i n t r a n e t 在近年来的迅速普及及其在各个领域的广泛应用越来越表明它正在 带来一场全新的技术革命。在工业监控系统中，应用w e b 技术实现远程监控，不仅必 要，而且成为越来越多的监控系统不可或缺的重要部分，它通过对工业现场数据的远程 监控，实现对生产现场远程调度，这具有特别的意义l 。”。 总之，以w c b 技术为核心、b s 模式为主流的i n t e m e t a n t r a n e t 的应用使管控一体化 系统更接近客户、更接近应用、更有利于网络的进一步发展，是当今信息系统发展的主 流。进行基于w e b 的数据监控系统的研究是必要的，且条件日益成熟。b s 模式理论的 产生与成熟为其提供了概念模型；日渐成熟的网络技术，特别是i n t e r n e t i n t r a n e t 的广泛 应用为其提供了通信技术；而各种完善的开发工具和环境为其提供了开发平台；控制技 术及设备的进步又为其提供了坚定的监控技术及硬件基础【3 1 。企业信息网络的发展已经 为工业控制底层信息的纵向传递打下了良好的基础。 基于w e b 的工业信息监控系统研究与实现 1 3w e b 监控的研究现状 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式，用户的需求促使技术不断进 步。i n t e m e t i n t r a n e t 将是实现分布式生产的基础。近年来，基于w c b 的工业信息监控方 式成为研究的热点，无论是研究还是应用，都得到了长足的发展。它既具有控制系统的 实时性和可靠性，又具有信息系统的开放性和广泛性。文献 2 e e 通过建立与现场s c a d a 的连接，企业局域网内的w e b 服务器为终端用户提供了现场实时和历史数据，达到了监 视现场运行的目的；加拿大西安大略大学h o n g t a oy a n g 等人提出了基于i n t e m e t 嵌入式微 处理器的w e b 实时监控方案【”。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 mh e n c r y 设计的网 上工程实验室提供了一系列远程控制实验【”，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 套实际的设备相连。用户通过i n t e r n 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 c b , 眼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 0 j 允许用户通过i i l t c m e t 进行远程实验，可以实现昂贵实验 设备的共享。 在国内也有很多致力于w c b 监控方面的研究与应用。贾智平等利用a c t i v e x 技术将 i n t e r n e t 技术与电力监控系统结合起来，从而形成了一种新的基于浏览器的电力监控组态 软件【1 1 】；张金玉等研究了并建立了大型回转机械智能综合诊断中心【1 2 l ；黎洪生等提出了 基于b s 的远程故障诊断专家系统的研列”】。 国内各高校对于w c b 实时监控技术也开展了积极研究。其中，西安交通大学、哈 尔滨工业大学，华中科技大学，上海交通大学，南京理工大学等的研究成果较为先进， 例如华中科技大学开发出的“汽轮机工况监测和诊断系统k d t g m d ”、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m m m d e s ”、南京理工大学c i m s 研究所承担了国防科工委长春f m s 实验中心检测监控系统的研制任务，对柔性制造系 统中各子系统的检测监控技术进行了初步集成【1 4 】。 另外，人们针对不同的行业需求，设计了针对该行业的基于w c b 的工业监控方案 并在实践中得到应用，例如电力行业等【1 5 , 1 6 ，并在这些领域取得了良好的效果。这些研 究都很好地将工业控制系统和i n t e r n e t i n t r a n e t 技术结合起来，改善了组态软件开放性， 其可靠性也在实际应用中得到验证。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 基于w c b 的工业信息监控系统不同于一般的管理信息系统，综合其特点主要表现 在三个方面：数据传送的实时性、数据的事件驱动、数据源主动传送。采用何种方法能 将工业监控系统的数据及时、安全、便捷地反映到浏览器上，针对现有实时监控系统的 优点和缺点，本文结合计算机技术、网络通讯技术和监控技术，对基于w e b 的工业信 息监控系统做了分析和研究。 本文完成如下主要工作： ( 1 ) 对国内外基于w e b 监控的研究与应用现状做了分析和总结； ( 2 ) 对基于w e b 监控系统所涉及到的关键技术做了深入剖析； ( 3 ) 在对基于w e b 监控系统总体设计的基础上，重点对控制网络与信息网络之间的 数据交换和数据的动态w e b 发布做了详细的研究； ( 4 ) 对基于w e b 的远程监控系统的实时性、安全性等问题做了进一步的探讨； ( 5 ) 将基于w e b 的工业监控系统应用于实际项目中去，验证其可靠性； ( 6 ) 最后，对所做的工作进行了总结，并对本领域的进一步研究进行了展望 本文的章节安排如下： 第一章：绪论，指出本论文研究的研究背景和意义。 第二章：对基于w c b 的监控系统的分析，从功能、结构和实现方式等方面对基于 w e b 的监控系统进行分析，对目前为止该领域的研究进行总结，并归纳基于w c b 监控 系统的优点和不足。 第三章：对基于w e b 监控系统相关技术的总结，根据基于w e b 监控功能上的需要， 总结实现w e b 监控所涉及的主要技术。 第四章：异构网络下w e b 监控系统设计，根据对国内外相关w e b 监控研究的分析 与总结，重点解决了控制网络与信息网络之间的数据交换和数据的动态w c b 发布功能， 在此基础上设计形成了一套基于w e b 的工业信息监控系统，分析了该系统在实时性上 的优势，并提出了改善系统实时性和安全性的若干方案。 第五章：模具扁钢生产w c b 监控系统的实现，针对东北特钢集团模具扁钢生产的 实际情况，将本文的研究结果应用于模具扁钢生产控制系统中，给出整个系统的设计方 案和实现过程，验证其可行性及可靠性。 结论：总结与展望，总结本文所做的研究和工作，并在此基础上，给出基于w c b 监控发展的一些发展方向和设想。 基于w e b 的工业信息监控系统研究与实现 2 基于w e b 的监控系统方案 2 1 远程监控系统 实现全球化的制造不但要进行企业间管理信息层面的连接，有时还需要在企业管理 信息层面对现场设备进行监控。信息的交换深入到设备层面，从而实现企业内部和企业 之间全方位的融合。远程设备监控包括设备的远程数据采集、设备控制系统的调试和配 置、设备的远程控制和设备的远程维护。实现设备远程监控不同于设备的本地控制，必 须研究对不同设备控制的程度和深度。从控制方式上远程监控分为如下的几类【1 7 l ： ( 1 ) 保持型的远程监控方式。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，远程监控仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自 主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这样就要 求设备不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。 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，等待远程监控系统的解决方法。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【1 8 1 。 ( 2 ) 完成型的远程监控方式。远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而 由设备自主的完成这个命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完 成任务后向远程监控系统报告。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【1 9 1 。 ( 3 ) 完全型的远程监控方式。设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部 的操作控制由远程监控系统完成。这种方式设备的控制系统和设备是分离的，而在设备 控制系统内信号的传递速度要求很高，控制系统能够立刻对现场进行反应，要求通讯线 路高速可靠行业。这种控制方式用在一些特殊的场合f 删。 ( 4 ) 人机交互式远程监控方式。设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下 工作，往往在远程监控系统的指挥下工作，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问的交互，设备的状态 信息可随时在远程监控端采集【”l 。 课题研究的基于w c b 监控方式属于人机交互式远程控制方式，通过把现场控制网 络、企业内部局域网络m n 加e t ) 和i n t e r a c t 三网合一，使分布于各局部现场、独立完成 特定功能的计算机或控制器等现场设备等互联起来。它适应企业生产与经营的功能分布 和地域分布的特点，是实现资源共享、协同工作、远程监控、远程管理等为目的的分布 大连理t 大学硕士学位论文 式网络系统，是i n t e r n e t 技术、数据库技术、t c p i p 网络通讯技术、浏览器技术等发展 的产物。以w e b 浏览的方式实现对工业生产过程的监控，比传统的以应用程序的方式 实现远程监控有明显的优势【捌。 2 2 基于w e b 监控系统的功能要求 基于w e b 的监控是本地计算机通过i n t e m e t i n t r a n e t 对工业现场进行监视和控制， 完成对分散控制网络的状态监控和设备的维护等功能。通常把能够实现w c b 监控的通 信媒体、计算机软件、硬件系统称为w e b 监控系统。在现场设备分布广泛或数据不易 采集的场合，要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，这就是w c b 监控技 术在工业生产上的需求。基于w e b 的监控系统提供了反映生产现场的实时信息，这些 信息来自生产现场的各种仪表、设备及d c s 、p l c 等系统，网络上的计算机通过浏览器 可实时查看生产数据，对大量的生产数据进行复杂的统计分析，为生产计划、调度指挥、 故障分析等提供依据。系统应满足如下任务和要求1 2 3 矧： ( 1 ) 网页发布功能：系统采用动态网页发布数据，数据发布及时、准确，刷新速度 快，客户可通过浏览器从监控页面上直接获取实时的生产数据，并相应发出控制指令。 ( 2 ) 数据采集与处理功能：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、显示屏和触摸屏等。为生产人员提供 可靠的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。 ( 3 ) 监督功能：将检测到的实时数据和生产人员在生产过程中发出的指令和输入的 数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存 储。 ( 4 ) 管理功能：利用已有的数据、图像、报表等对现场运行状况进行分析、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。 ( 5 ) 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，形成控制输出，直接作用于生产过 程。 ( 6 ) 为各种基于w e b 的应用程序提供实时和历史数据接口，使系统的功能可横向扩 展。 基于w e b 的工业监控系统不仅可以实现异地控制，也可以实现大范围的资源共享 或者将系统融入到企业m i s 中去。将实时监控应用系统架构于i n t e r n e t i n t r a n e t 环境中， 可以改善监控系统的开放性并扩展系统功能【矧。 基于w e b 的工业信息监控系统研究与实现 随着网络技术的不断发展，w e b 监控将更多地应用在企业生产过程的管理中，专业 技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备的可用率， 最终降低生产成本，提高效益。 2 3 基于w e b 监控系统的层次 基于w e b 的监控系统通常可以分为三层：现场监控层、w e b 服务层、w e b 监控层。 ( 1 ) 现场监控层 现场监控层是现场操作员直接对现场设备数据进行观察和处理的平台。这一层从现 场智能设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另 外还包括控制组态的设计和下载。同时还应能提供信息管理，信息发布的功能。同现场 智能设备的通讯通常是利用工业中应用比较成熟的工业协议，体系结构为c s 模式结构。 现场监控层是整个基于网络的设备监控系统的核心，体现了信息的交互和资源的共 享，它的完善程度直接影响着整个系统的灵活性、有效性和可靠性问题。 ( 2 ) w e b 服务层 w e b 服务层位于整个系统的上层部分，是整个系统面向世界的窗口。这一部分为管 理人员提供方便的管理手段，使管理人员能从任何地点实现对控制设备的管理。它要与 各个现场监控系统进行通讯，将各现场监控系统的信息进行处理和存贮，为远程控制提 供依据，从而控制整个系统的工作过程。这一部分的实现使得监控系统的功能得到延伸 和完善。w e b 服务层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的w e b 监控系统。 ( 3 ) w e b 监控层 w e b 监控层是用户与现场设备工作运行状况交互的窗口，用户通过通用浏览器和 i n t c r n e t i n t r a n e t 直观地得到现场的运行情况，并且在该层不需要安装额外的客户端程序， 充分体现了工业控制在b s 模式下的优越性。 根据上述分析可知，基于w e b 的监控系统是基于b s 模式或b s 和c s 混合模式 的体系结构。其相对c s 结构而言，工业监控模式向b s 结构发展是一次深刻的变革， 它具有如下突出优点： ( 1 ) 客户端不需负责数据的存取和复杂数据计算等任务，只需要查看状态和修改参 数，充分发挥了服务器的强大作用，这样就降低了对客户端的要求，降低了投资和使用 成本。 ( 2 ) 易于维护和升级。维护人员不再为程序的维护工作奔波游走于各个客户机之间， 而把主要精力放在功能服务器上。由于用户端无需专用的软件，当企业对网络应用进行 升级时，只需更新服务器端的软件，减轻了系统维护与升级的成本与工作量。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 用户操作使用简便。b s 结构的客户端是一个提供友好界面的浏览器，通过鼠 标和键盘即可实现远程实时监控，用户无需培训便可直接使用，利于推广。 ( 4 ) 易于实现跨平台的应用，解决了不同系统下不兼容的情况。 综上所述，基于b s 体系结构具有许多传统c s 体系结构不具备的优点，基于w e b 的监控系统综合w e b 技术和传统监控原理，拓展了传统的监控应用的功能，更适合时 代的发展。 2 4 基于w e b 监控的关键环节及解决方案 基于w e b 工业监控的实现需要考虑多方面的因素，需要用到多种计算机或控制技 术，不同技术的选择及其组合应用决定了基于w e b 监控系统性能的好坏，尤其是不同 网络之间数据交换功能和数据的动态w e b 发布等功能的实现，决定了系统的实时性和 可靠性。下面对以上问题的研究进行归纳与总结。 2 4 1 异构网络的集成 在基于w c b 的监控系统体系中，现场监控系统的控制网络与w c b 监控系统的信息 网络所使用的网络技术和网络体系结构各不相同，构成了控制网络和企业管理网络之间 的异构问题。对于控制系统的异构网络，最终目标是在统一的网络平台上实现控制系统 和信息系统的垂直集成，使监控信息能够纵向快速流动。这对企业建立综合决策信息库、 实现生产控制过程的实时数据交互、保持数据的一致性和完整性、实现远程监控，加强 企业内外部信息交流都有着重要意义【2 6 1 。 用户要在w c b 监控层获得现场监控层数据或修改现场监控层参数，就要实现控制 网络与信息网络之间的信息与资源的共享，即两种异构网络之间的集成。从这个意义上 说，实现控制网络与信息网络的集成有以下几种方式旧： ( 1 ) 基于数据交换技术的集成 控制网络与信息网络集成的关键在于实现控制网络与企业信息网络之间信息传送 的有效性与可用性。利用w i n d o w s 应用程序之间的数据通信是实现控制网络与企业信 息网络集成的一种方便方法，通信处理机作为中间系统实现两个网络之间的数据交换， 其结构如图2 1 所示。例如d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 是一种w i n d o w s 系统中进程间 的通信机制，建立在w i n d o w s 内部的消息处理机制上，其实质是各应用程序间通过共 享内存来交换信息。利用d d e 技术实现控制网络和企业信息网络集成的关键是： 基于w e b 的工业信息监控系统研究与实现 w e b 服务器数据库服务器 j l i n t r a n e t 通信处理机 i n f r a n e t ii 雨尸斟 p l c 其他智能设备 图2 1 控制网络与信息网络基于数据交换的集成方式 f i g 2 1i n t e g r a t i o no fi n f r a n e ta n di n t r a n e tb a s e do nd a t ae x c h a n g e 中间系统起沟通控制网络和企业信息网络的桥梁作用。通信处理机一方面是信 息网络的一个工作站，同时又是控制网络中的一个工作站。在通信处理机上运行两个应 用程序，一个是实时通信程序，实现实时信息的接收、检错、信息格式转换等功能，为 信息网络数据库提供实时数据信息。另一个是数据库访问应用程序接口，它接收d d e 服务器送来的实时数据并写到数据库服务器中，供信息网络实现信息处理、统计、分析、 管理等功能。 控制网络与信息网络平台必须支持w i n d o w s 的d d e 功能。为了通过共享内存 实现动态数据交换，要求控制网络与信息网络必须支持w i n d o w s 的d d e 功能，这一点 在选择控制网络与信息网络的工作平台( 如操作系统、编程语言) 时必须予以考虑。 这种方式有较强实时性，且比较容易实现，因此在实际系统中得到比较广泛应用。 然而d d e 技术在通讯效率等问题上存在一些不足，影响了控制网络和信息网络之间数 据交换的效果，将会在下一章分析。 ( 2 ) 基于互联技术的集成 在企业内部，控制网络与信息网络是两种主要的相对独立又互相联系的网络。这两 类不同的相对独立的网络可通过网关或路由器进行互联。如果控制网络只是作为信息网 络的一个子网或网段，则可通过网络扩展的方法，如网桥或中继器实现。例如l o n w o r k s 等少数网络与信息网络的互联。 由于控制网络的内在特点，控制网络与信息网络间互联网关、路由器与一般商用网 大连理工大学硕士学位论文 络中的路由器有明显不同之处。对控制网络与信息网络、互联网关或路由器要求如下： 容易实现口地址编址，从而使控制网络成为在企业信息网络上带有自己口地址 的接入网。 能方便地实现控制网络与信息网络两者之间数据格式的转换。 相对于一般路由器，要求控制网络的入网网关或路由器体积更小，使用更方便， 工作更可靠，价格更便宜。 这种方式的不足之处在于对硬件要求比较高，需要额外的支出来满足控制网络和信 息网络的集成。 ( 3 ) 基于数据库访问技术的集成 通过数据库访问技术可以实现控制网络与信息网络的集成。数据库与数据库管理是 信息网络的核心，控制网络的一个工作站、一台设备或一个用户查询、浏览、增删、访 问数据库，实现信息共享意味着控制网络与信息网络的集成。例如通过o d b c 调用来读 取信息网络中的数据库数据。 应用程序 0t w e bs e r v e ri i s 上t l a p i l 上t i o d b c i s q ls e r v e rd r i v e r 上t s o ls e r v e r f l 数据库i 图2 2 控制网络与信息网络基于数据库访问的集成方式 f i g 2 2i n t e g r a t i o no f i n f r a n e ta n dm u l e tb a s e do i ld a t a b a s ea c c e s s i n g 基于w e b 的工业信息监控系统研究与实现 o d b c 调用的显著优点是用它生成的程序与数据库无关。为了达到这种效果， o d b c 在应用程序与特定的数据库之间插入一个驱动程序管理器。驱动程序管理器能将 与o d b c 兼容的s q l 请求从应用程序传给驱动程序，然后由驱动程序将该请求解释为 数据库调用。由于o d b c 数据库，通过使用连接数据库的统一界面标准，容易创建与各 种数据库进行交互的程序。信息网络i n t r a n e t 常采用基于w c b 的b s 结构。w e b 服务 器与数据库的集成方式有多种，如c g i 、i s a p i 、n s a p i 、a c t i v e x 等。基于b s 结构的 应用程序访问数据库的过程如图2 2 所示。 通过数据库访问技术的集成，用户可以从数据库中读取需要的现场数据，其不足之 处在于现场数据保存至数据库中，用户从数据库中读取数据，这个过程严重地影响了系 统的实时性。 2 4 2 人机交互方案 在基于w c b 的应用系统中，人机交互是通过动态网页进行的，需要使用w e b 与数 据源的互连技术来实现。目前，这种技术种类繁多，大致可分为两种方式： 第一种方式是在w c b 服务器端提供中间件来连接w 曲服务器和数据源。中间件负 责管理w e b 服务器和数据源之间的通信并提供应用程序服务，它能够直接调用外部程 序或脚本代码来访问