（机械电子工程专业论文）基于internet的远程机电控制系统的研究与开发.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文针对机电 控制向全球化、自 动化方向发展的趋势，从系统的整体出 发， 讨论和研究了远程机电控制的系统模型， 设计和规划了系统的功能模块， 研究了系统的关键技术，对其中智能网络接口 单元的软、硬件进行了设计。 通过这些研究，目的在于构建一个逐步规范化、安全和可靠的基于 i n t e rn e t 的远程机电控制系统。 本文首先对基于i n t e r n e t 的远程控制系统的发展和应用进行了深入调研， 并对其国内外研究现状及存在问题进行了分析和讨论。在此基础上，对现有 远程机电控制系统的操作平台、 协议标准、接入和控制方式等进行了深入分 析，并对远程控制过程中数据传输的安全性、有效性和可靠性等问题也进行 了分析和研究。 其次，研究了远程机电控制的特点及传统的机电控制理论，规划了基于 i n t e rn e t 的远程控制系统的组成， 将系统划分为远程终端模块、 网 络模块和现 场模块三个部分， 并阐述了 这三个功能模块的作用， 同时对系统的 接入方式、 控 制方 式和远 程 控制 协议 等关 键 技术 进 行了 研究。 接着，设计了系统的远程终端模块和现场模块 ( 智能网络接口 单元)的 软硬件。结合设计，分析了智能网络接口单元的功能和组成。系统选择 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 系列的d s p 作为微处理器， 选择p r t l 8 o 1 9 作为网络控制器。 最后， 本文在d s k ( d s p s t a r t k i t ) 开发板和c c s ( c o d e c o m p o s e r s t u d io ) 开发环境下，以交通灯为例设计和原型化地实现了基于智能网络接口的远程 机电控制系统的应用层协议。 关键词:i n t e rn e t 远程机电控制智能网络接口单元d s p 西北工业大学硕士学位论文 abs tract wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f g lo b a li z a t i o n a n d a u t o m a t i o n w h i c h h a p p e n e d t o m e c h a t r o n ic c o n t r o l , t h i s t h e s i s b a s e s o n t h e w h o l e s y s t e m b r i n g s o u t t h e m o d e l o f r e m o t e m e c h a t r o n i c c o n t ro l s y s t e m ( r m c s ) . t h i s t h e s i s d i v i d e s t h e li n e b e t w e e n t h e f u n c t i o n s o f t h e r mc s , a n d s t u d i e s t h e k e y t e c h n i q u e o f t h e s y s t e m . t h i s t h e s i s a i m s a t t h e p u r p o s e o f s e t u p a n u n i f y , s t a n d a r d , s a f e t y , a n d d e p e n d a b l e s y s t e m s o f t w a r e , a n d d e s i g n s t h e s o f t w a r e a n d h a r d w a r e o f i n t e l l i g e n c e n e t w o r k i n t e r f a c e u n i t . f i r s t , t h i s t h e s i s in v e s t i g a t e s t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n s o f t h e r mc s b a s e d o n i n t e r n e t , a n d s t u d i e s t h e r e s e a r c h p r e s e n t c o n d i t i o n s a n d p r o b l e m s o f d o m e s t i c a n d in t e rn a t io n a l . o n t h i s f o u n d a t i o n , t h i s t h e s i s a n a l y z e s t h e p r o b l e m s o f h a r d t o r e a l i z e t h e s y s t e m i n t e gr a t e a n d t h e u s e f u l n e s s o f d a t e t r a n s f e r . s e c o n d l y , t h i s t h e s i s s t u d i e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r m c s a n d t h e t h e o r i e s o f t r a d i t i o n a l m e c h a t ro n i c c o n t ro l s y s t e m , a n d p r o gr a m s t h e c o m p o s i n g o f t h e s y s t e m . t h i s t h e s i s d i v i d e s t h e w h o l e s y s t e m a s t h r e e p a r ts , a n d i n t r o d u c e s t h e f u n c t io n s o f e a c h p a rt . t h i s t h e s i s a l s o s t u d i e s t h e k e y p r o b l e m s o f th e r m c s . t h i r d l y , t h is t h e s i s d e s i g n s t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a re o f t h e t e r m i n a l p a rt a n d s p o t p a rt ( i n t e l l i g e n c e n e t w o r k i n t e r f a c e u n i t ) . e s p e c i a l l y i n t ro d u c e s t h e f u n c t i o n s a n d c o m p o s i n g o f i n t e l l i g e n c e n e t w o r k i n t e r f a c e u n it . t h e r mc s c h o i c e s t h e t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 a s i t s m i c ro p r o c e s s o r ( mp u ) a n d c h o i c e s t h e r t l 8 0 1 9 a s i t s n e t w o r k c o n t r o l l e r . t h i s t h e s i s r e a l i z e s t h e s o f t w a r e f r a m e d e s i gn o f t h e w h o l e s y s t e m , a n d c a r r i e s o u t t h e s t e p o f r e a l iz a t i o n . f i n a l l y , t h i s t h e s i s u s e s t h e d s k a n d c c s , t a k i n g t h e tr a n s p o rt a t i o n l ig h t a s t h e e x a m p l e r e a l i z e s t h e a p p l i e d l a y e r p ro t o c o l o f t h e r m c s b a s e d o n i n t e l l i g e n c e n e t wo r k i n t e r f a c e u n i t . k e y wo r d s : i n t e rne t , r mc s , i n t e l l i g e n c e n e t w o r k i n t e r f a c e u n i t , d s p 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 在当今的信息社会， 网络技术得了到广泛的发展， 特别是因特网的出 现， 使得人类社会各个方面发生了巨大变化。 i n t e rne t 技术给机电控制， 特别是远 程机电控制带来了深刻的变革。 网络技术己 经走进了 人们的工作和生活中，网上浏览、电子邮件、文件 传输、电子商务等让人们了解和交换信息变得容易而简单，特别是 i n t e rn e t 已 经成为信息社会中很重要的组成部分。作为实现全球信息化的一种重要工 具， i n t e rn e t 为诸如引黄工程中 远程水泵控制、 无人看守变电 站、 水文站等分 布距离远、 现场操作困难的控制系统， 提供了远程控制的工具。 可以说i n t e rn e t 为远程机电控制提供了一个信息通道，借助于这个通道， 人们可以实现远程 的监控和操纵，因此控制系统也呈现出由 现场控制向 i n t e rn e t 的远程控制发 展趋势，其中基于互联网的远程机电控制技术更是引起工业界的广泛关注， 而且己 经在核电站监控、石油输送管道远程监测、电网运行监控和机器人远 程控制等领域得到 研究与 应用p i ， 如己 经开发的能 够集成本 地智能 并 通过互 联网 进行远程导航控制的移动机器人iz i 等。 i n t e rn e t的出现使得成本低廉的远距离通信成为现实，因此实现基于 i n t e rne t 的远程机电控制是控制系统发展的一个重要方向。 新一代机电控制系 统 将会突破地域的限 制， 实 现全 球的 分布式控制 1 8 i 。 目 前， 现场控制技术的 革新要求厂家通过密切的联系， 来实现资源，专家，工具以及培训的共享。 为了实现这种协助， 基于 i n t e rn e t 的远程控制已 成为一个迫切要求， 这样异 地的操作者才能共享资源，实现异地加工生产和控制。信息资源的全球化发 展带动了各行业的发展。在这种环境下，无论是从节省能源的角度来看，还 是就行业的发展需求而言，基于 i n t e r n e t 的远程控制系统能够给企业带来巨 大的 发展空间。 同时i n t e r n e t 和w o r l d w i d e w e b ( w w w ) 的发 展 给人们 提供了 广泛交流合作的途径。如何利用现在日 趋成熟的 i n t e rn e t 技术实现远程机电 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 在当今的信息社会， 网络技术得了到广泛的发展， 特别是因特网的出 现， 使得人类社会各个方面发生了巨大变化。 i n t e rne t 技术给机电控制， 特别是远 程机电控制带来了深刻的变革。 网络技术己 经走进了 人们的工作和生活中，网上浏览、电子邮件、文件 传输、电子商务等让人们了解和交换信息变得容易而简单，特别是 i n t e rn e t 已 经成为信息社会中很重要的组成部分。作为实现全球信息化的一种重要工 具， i n t e rn e t 为诸如引黄工程中 远程水泵控制、 无人看守变电 站、 水文站等分 布距离远、 现场操作困难的控制系统， 提供了远程控制的工具。 可以说i n t e rn e t 为远程机电控制提供了一个信息通道，借助于这个通道， 人们可以实现远程 的监控和操纵，因此控制系统也呈现出由 现场控制向 i n t e rn e t 的远程控制发 展趋势，其中基于互联网的远程机电控制技术更是引起工业界的广泛关注， 而且己 经在核电站监控、石油输送管道远程监测、电网运行监控和机器人远 程控制等领域得到 研究与 应用p i ， 如己 经开发的能 够集成本 地智能 并 通过互 联网 进行远程导航控制的移动机器人iz i 等。 i n t e rn e t的出现使得成本低廉的远距离通信成为现实，因此实现基于 i n t e rne t 的远程机电控制是控制系统发展的一个重要方向。 新一代机电控制系 统 将会突破地域的限 制， 实 现全 球的 分布式控制 1 8 i 。 目 前， 现场控制技术的 革新要求厂家通过密切的联系， 来实现资源，专家，工具以及培训的共享。 为了实现这种协助， 基于 i n t e rn e t 的远程控制已 成为一个迫切要求， 这样异 地的操作者才能共享资源，实现异地加工生产和控制。信息资源的全球化发 展带动了各行业的发展。在这种环境下，无论是从节省能源的角度来看，还 是就行业的发展需求而言，基于 i n t e r n e t 的远程控制系统能够给企业带来巨 大的 发展空间。 同时i n t e r n e t 和w o r l d w i d e w e b ( w w w ) 的发 展 给人们 提供了 广泛交流合作的途径。如何利用现在日 趋成熟的 i n t e rn e t 技术实现远程机电 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 控制是各行业共同关心的问题，同时随着现场总线技术的发展，现场控制也 在向数字化和信息化的方向发展， 这些都为基于 i n t e rn e t 的远程控制提供了 条件。 远程 控 制不 仅可以 使 操作 人员 远 离具 有危险 的 操作 环境 1 l ， 还 可以 大 量 节省资源。 将现场控制系统中的监控信息接入i n t e rn e t ， 操作人员在一定条件 下通过 i n t e r n e t 监视并控制生产系统和现场设备的运行状态和参数，使控制 者不必亲临现场，管理人员业可以 根据这些及时发出调度指令，从而节省大 量的人力和物力。从资源共享方面而言，基于 i n t e r n e t 的远程控制系统具有 信息传递快捷、交互性强等特点，能够实现数据共享，推动控制技术向 着网 络化、 分布性和开放性的方向 发展。 这种发展趋势使控制系统功能的 扩展更 加灵活、性能不断提高、 使用更加简便，同时使得在不可预测环境下的工作 成为可能。 基于 i n t e rne t 的网络技术与传统工业控制技术的有效结合，使得工业控 制技术在远程控制的网络环境中得以 集成，极大地提高复杂大型机电设备的 应用水平， 实现了资源共享和多个不同设备或部件的分散一 集中 式的 控制、 监 视 和 管 理， 实 现了 控制系 统的 智 能 化、 网 络 化 和分 散 化 【4 5 6 。 最 终 提 高了 系统的利用率， 减少了设备监测、 诊断的 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。 i n t e rn e t 网络分布范围广、技术成熟，具有广阔的应用前景。将它作为 远程控制的传输方式是 i n t e rn e t 技术和远程机电控制技术的一种发展趋势， 两者间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 i n t e rn e t 的远程机电控制技术的研究在世界 范围 内 处 于 起步 阶 段 7 8 9 . 因 此， 研 究 基于i n t e rn e t 的 远 程 机电 控 制( r e m o te m e c h a tro n ic c o n tr o l s y s te m , r m c s ) 系 统的 组 成 和 实 现， 有 着 重 要的 现 实 意 义 和广阔的应用前景. 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 圣 1 . 2国内外研究现状及存在问题 1 . 2 . 1国内外研究现状 一、远程机电研究现状 网络技术和工业控制技术的结合给工业控制带来了飞速的发展。 对于基 于i n t e rn e t 的r n c s ，国内 外己 经开展了 不同程度的应用与研究，取得良 好的 效益。 国外介入基于网络的远程控制方面要早一些，尤其在机器人控制方面取 得了 显 著 成果。 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 1 2 1 . 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 s a 对于交互性强、 事务性弱的程序不及c i s 性能好。 如中 创软件与北京航空航天大学合作开发出了 蓝睛数字化智能监控产品12 2 1 该系列的智能监控产品采用基于c o r b a的系统体系结构，实现了在一台显 示器上同时观看1 6 路视频图像，实时存储，实时前端控制。 互 1 . 2 . 2存在的问题 延伸被控对象的控制距离一直是远程控制的主要目 标。随着计算机及网 络技术的发展，远程控制的距离不断得以延伸。基于 i n t e m e t 的远程控制由 于延伸了远程控制系统的控制距离，理论上可以在任何时间、任何地点对连 在 i n t e rn e t 上的任何设备进行控制与操作。但是要实现真正意义上的远程控 制需要解决很多技术难题。 i . 目 前的远程控制系统， 有着不同的局域网拓扑方式、 不同的操作平台， 甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也不尽相同。在实现通信的时 候，数据之间的传输要进行格式的转换以及协议的转换。这就需要考虑到统 一标准的问题。 2 . 基于t c p / i p 协议的因特网， 可以实 现在任何时间、 任何地点， 连接 在网上的任何设备进行控制的目 的，因此基于 i n t e rne t 的远程控制具有革命 性 意义， 倍 受国内 外 研究 人员的 关 注 1 4 1 。 但是t c p i i p协议 本身 并 不 注 重 实 时性，导致了传输响应时间的不确定性，在基于 i n t e m e t 的远程控制中必须 考 虑 其所 带 来的 控 制系 统的 不 稳 定 程度 1 15 1 。 这就 必须 考虑 到 控 制系 统 采 用的 控制方式，例如，直接控制系统和监督控制系统受 i n t e rn e t 传输时间的影响 是不同的，在构建现场控制系统的时候需要考虑到这些问题。同时，需要考 虑的问题是机电设备如何接入 i n t e rn e t ，目前对于内部有嵌入式微控制器 西北工业大学硕士学位论文第一童绪论 强大的数据操纵和事务处理能力，以及数据的安全性和完整性约束，缺点在 于开发人员需要开发用户端和服务器端软件， 往往会造成用户界面风格不一、 操作复杂、可移植性差、模块化程度低、升级维护复杂、麻烦。不符合软件 组件可重用性的原则。 对于浏览器用 a 务器结构优点在于具有良好的扩展性和 伸缩性、维护和升级方便、可重用性好，缺点在于设计开发难度较高、初期 开发周期要比c i s 模式长; 对于交互性强、 事务性弱的程序不及c i s 性能好。 如中 创软件与北京航空航天大学合作开发出了 蓝睛数字化智能监控产品12 2 1 该系列的智能监控产品采用基于c o r b a的系统体系结构，实现了在一台显 示器上同时观看1 6 路视频图像，实时存储，实时前端控制。 互 1 . 2 . 2存在的问题 延伸被控对象的控制距离一直是远程控制的主要目 标。随着计算机及网 络技术的发展，远程控制的距离不断得以延伸。基于 i n t e m e t 的远程控制由 于延伸了远程控制系统的控制距离，理论上可以在任何时间、任何地点对连 在 i n t e rn e t 上的任何设备进行控制与操作。但是要实现真正意义上的远程控 制需要解决很多技术难题。 i . 目 前的远程控制系统， 有着不同的局域网拓扑方式、 不同的操作平台， 甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也不尽相同。在实现通信的时 候，数据之间的传输要进行格式的转换以及协议的转换。这就需要考虑到统 一标准的问题。 2 . 基于t c p / i p 协议的因特网， 可以实 现在任何时间、 任何地点， 连接 在网上的任何设备进行控制的目 的，因此基于 i n t e rne t 的远程控制具有革命 性 意义， 倍 受国内 外 研究 人员的 关 注 1 4 1 。 但是t c p i i p协议 本身 并 不 注 重 实 时性，导致了传输响应时间的不确定性，在基于 i n t e m e t 的远程控制中必须 考 虑 其所 带 来的 控 制系 统的 不 稳 定 程度 1 15 1 。 这就 必须 考虑 到 控 制系 统 采 用的 控制方式，例如，直接控制系统和监督控制系统受 i n t e rn e t 传输时间的影响 是不同的，在构建现场控制系统的时候需要考虑到这些问题。同时，需要考 虑的问题是机电设备如何接入 i n t e rn e t ，目前对于内部有嵌入式微控制器 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 模数转换 器测量传感器 ( 数字) 模 拟) 图2 . 1 传统的机电 控制系统框图 根据传统的远程机电 控制的 理论和发 展趋势， 本文给出 基于 i n t e r n e t 的 r m c s的模型， 如图2 .2 所示。 从理论上分析， 基于i n t e rn e t 的r m c s只是 在传统机电控制的基础增加了一个网络环节，但实际的实现过程中需要解决 很多难题。 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e r n e t 的r m c s 的攀本研究 图2 . 2 基于i n t e me t 的r mc s框图 根据图2 .2 ， 我们可以将基于i n t e m e t 的r mc s 划分为三个部分: 远程终 端模块、网 络模块、现场模块。 这三个模块的分工和协作， 共同实现对设备 的远程控制任务.每个模块的功能和实现方式如下文所述。 夸 2 . 1 . 1远程终端模块 远程终端模块的作用是远程监控，一般是与 i n t e rn e t 相连的远离现场设 备的微型计算机，其目的是对现场设备进行远端的控制与监测。 远程终端模块是用户与现场进行交互的界面，其功能主要包括远程设备 状态的远程终端显示， 控制命令及参数的 解释， 对现场模块所反馈的 现场设 备的参数和状态数据进行必要的处理以及其它操作。其中必须包括必要的基 础数据的处理和系统管理。整个系统负责定义用户、密码，并授予管理某个 模块的权限。远程终端监控在整个控制系统中设计表现形式也就是发布在 i n t e rn e t 的we b 页，用户通过点击w e b 页上的功能项发送请求， w e b 服务器 接受请求后将用户请求和处理结果显示在w e b 页。 不同的 用户通过授权具有 不同的操作权限， 包括浏览设备状态，发送控制命令，设备状态分析等各种 操作权限。 2 . 1 . 2网络模块 网络模块是数据远距离传输的通道，是连接远程终端模块和现场设备监 控模块的中间环节，包括 i n t e m e t 的一些传输协议、应用软件和硬件等，其 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e r n e t 的r m c s 的攀本研究 图2 . 2 基于i n t e me t 的r mc s框图 根据图2 .2 ， 我们可以将基于i n t e m e t 的r mc s 划分为三个部分: 远程终 端模块、网 络模块、现场模块。 这三个模块的分工和协作， 共同实现对设备 的远程控制任务.每个模块的功能和实现方式如下文所述。 夸 2 . 1 . 1远程终端模块 远程终端模块的作用是远程监控，一般是与 i n t e rn e t 相连的远离现场设 备的微型计算机，其目的是对现场设备进行远端的控制与监测。 远程终端模块是用户与现场进行交互的界面，其功能主要包括远程设备 状态的远程终端显示， 控制命令及参数的 解释， 对现场模块所反馈的 现场设 备的参数和状态数据进行必要的处理以及其它操作。其中必须包括必要的基 础数据的处理和系统管理。整个系统负责定义用户、密码，并授予管理某个 模块的权限。远程终端监控在整个控制系统中设计表现形式也就是发布在 i n t e rn e t 的we b 页，用户通过点击w e b 页上的功能项发送请求， w e b 服务器 接受请求后将用户请求和处理结果显示在w e b 页。 不同的 用户通过授权具有 不同的操作权限， 包括浏览设备状态，发送控制命令，设备状态分析等各种 操作权限。 2 . 1 . 2网络模块 网络模块是数据远距离传输的通道，是连接远程终端模块和现场设备监 控模块的中间环节，包括 i n t e m e t 的一些传输协议、应用软件和硬件等，其 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e r n e t 的r m c s 的攀本研究 图2 . 2 基于i n t e me t 的r mc s框图 根据图2 .2 ， 我们可以将基于i n t e m e t 的r mc s 划分为三个部分: 远程终 端模块、网 络模块、现场模块。 这三个模块的分工和协作， 共同实现对设备 的远程控制任务.每个模块的功能和实现方式如下文所述。 夸 2 . 1 . 1远程终端模块 远程终端模块的作用是远程监控，一般是与 i n t e rn e t 相连的远离现场设 备的微型计算机，其目的是对现场设备进行远端的控制与监测。 远程终端模块是用户与现场进行交互的界面，其功能主要包括远程设备 状态的远程终端显示， 控制命令及参数的 解释， 对现场模块所反馈的 现场设 备的参数和状态数据进行必要的处理以及其它操作。其中必须包括必要的基 础数据的处理和系统管理。整个系统负责定义用户、密码，并授予管理某个 模块的权限。远程终端监控在整个控制系统中设计表现形式也就是发布在 i n t e rn e t 的we b 页，用户通过点击w e b 页上的功能项发送请求， w e b 服务器 接受请求后将用户请求和处理结果显示在w e b 页。 不同的 用户通过授权具有 不同的操作权限， 包括浏览设备状态，发送控制命令，设备状态分析等各种 操作权限。 2 . 1 . 2网络模块 网络模块是数据远距离传输的通道，是连接远程终端模块和现场设备监 控模块的中间环节，包括 i n t e m e t 的一些传输协议、应用软件和硬件等，其 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e r n e t 的r mc s 的基本研究 目 的是为了 远程终端模块和现场模块之间的数据能够在 i n t e rn e t 网上安全、 可靠和有效的传输。 i n t e rn e t 作为远程信息的传输通道， 能够进行各类数据的 传输。网络模块的目的有两个: 1 .将现场设备的参数和状态信息通过 i n t e m e t 尽快的传输到远程监控 端，使远程监控端的操作人员能够及时对现场设备的参数和状态进行了解， 并决定如何进行下一步操作 ( 比如通过传输系统发出控制命令等) : 2 .将远程监控端的控制信息传输到现场的控制主机，进行对设备的控 制。 下表给出了 远距离传输的物理连接及应用协议， 通过下表可以看出一般 的远程数据传输通道的组成以及应用。 表2 . 1 远距离通信网络的组成及协议 内容标准举例 物理连接电话线、双绞线、d d n 、光纤、同轴电缆、微 波等 底层协议以太网( 8 0 2 系列) 、i s d n , a t m 基本应用协议t c p / i p , p p p , s l i p 高级通信协议h t t p 等 网络操作系统w i n d o w s , u n i x , l i n u x 2 . 1 . 3现场模块 现场模块实现接收远程监控端通过传输通道发出的控制信息和对现场设 备的直接检测与控制。其工作流程是根据远程监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，再将这些状态信息通过传输 通道反馈到远程监控端。现场模块还必须有处理中断的能力。 现场模块一般情况下和传统的机电控制系统一样应是一个现场计算机控 制系统。计算机控制系统按照功能可以划分为:数据采集处理，直接数字控 制，监督控制、集散型控制、分级控制和计算机控制网络。用户可以根据生 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e r n e t 的r mc s 的基本研究 目 的是为了 远程终端模块和现场模块之间的数据能够在 i n t e rn e t 网上安全、 可靠和有效的传输。 i n t e rn e t 作为远程信息的传输通道， 能够进行各类数据的 传输。网络模块的目的有两个: 1 .将现场设备的参数和状态信息通过 i n t e m e t 尽快的传输到远程监控 端，使远程监控端的操作人员能够及时对现场设备的参数和状态进行了解， 并决定如何进行下一步操作 ( 比如通过传输系统发出控制命令等) : 2 .将远程监控端的控制信息传输到现场的控制主机，进行对设备的控 制。 下表给出了 远距离传输的物理连接及应用协议， 通过下表可以看出一般 的远程数据传输通道的组成以及应用。 表2 . 1 远距离通信网络的组成及协议 内容标准举例 物理连接电话线、双绞线、d d n 、光纤、同轴电缆、微 波等 底层协议以太网( 8 0 2 系列) 、i s d n , a t m 基本应用协议t c p / i p , p p p , s l i p 高级通信协议h t t p 等 网络操作系统w i n d o w s , u n i x , l i n u x 2 . 1 . 3现场模块 现场模块实现接收远程监控端通过传输通道发出的控制信息和对现场设 备的直接检测与控制。其工作流程是根据远程监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，再将这些状态信息通过传输 通道反馈到远程监控端。现场模块还必须有处理中断的能力。 现场模块一般情况下和传统的机电控制系统一样应是一个现场计算机控 制系统。计算机控制系统按照功能可以划分为:数据采集处理，直接数字控 制，监督控制、集散型控制、分级控制和计算机控制网络。用户可以根据生 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e rn e t 的r mc s 的 基本研究 产类型，生产规模，控制对象等选择适合的系统类型。 互 2 . 3基于 工 n t e r n e t 的r m c s 关键技术研究 根据系统的要求和我们对远程控制系统的模块化划分，系统的功能结构 图可表示为图2 .5 . 冬端。 惬 现场状态接收 控制命令解释并发送 系统管理 现场状态解释并显示 中断服务处理 现场接入方式 网络 模块 基于i n t e r n e t 的r m c s 接入协议 网络接入方式、接入协议 接受并解释终端控制命令 现场设备监控 中断服务处理 现场状态反馈 图2 .5 基于i n t e rn e t 的r m c s的结构功能图 由图2 . 5可以 看出网络模块和现场模块之间的通信是实现设备上网的关 键因素，因此现场的 i n t e rne t 接入方式和通信协议在这里就显得至关重要。 此外， 如何保证数据在传输过程的有效性、 可靠性和安全性也是基于i n t e rne t 的r m c s 需要关注的重要问题。下面的讨论正是以 这种思路进行的。 互 2 . 2 . 1影响基于i n t e r n e t 的r m c s 运行的关键性因素 一个基于i n t e rn e t 的r mc s必须能够快速、准确、稳定、可靠的运行。 但从现有的研究来看，影响该系统正常运行的因素还有很多。主要有网络延 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e rn e t 的r mc s 的 基本研究 产类型，生产规模，控制对象等选择适合的系统类型。 互 2 . 3基于 工 n t e r n e t 的r m c s 关键技术研究 根据系统的要求和我们对远程控制系统的模块化划分，系统的功能结构 图可表示为图2 .5 . 冬端。 惬 现场状态接收 控制命令解释并发送 系统管理 现场状态解释并显示 中断服务处理 现场接入方式 网络 模块 基于i n t e r n e t 的r m c s 接入协议 网络接入方式、接入协议 接受并解释终端控制命令 现场设备监控 中断服务处理 现场状态反馈 图2 .5 基于i n t e rn e t 的r m c s的结构功能图 由图2 . 5可以 看出网络模块和现场模块之间的通信是实现设备上网的关 键因素，因此现场的 i n t e rne t 接入方式和通信协议在这里就显得至关重要。 此外， 如何保证数据在传输过程的有效性、 可靠性和安全性也是基于i n t e rne t 的r m c s 需要关注的重要问题。下面的讨论正是以 这种思路进行的。 互 2 . 2 . 1影响基于i n t e r n e t 的r m c s 运行的关键性因素 一个基于i n t e rn e t 的r mc s必须能够快速、准确、稳定、可靠的运行。 但从现有的研究来看，影响该系统正常运行的因素还有很多。主要有网络延 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e rn e t 的r mc s 的 基本研究 产类型，生产规模，控制对象等选择适合的系统类型。 互 2 . 3基于 工 n t e r n e t 的r m c s 关键技术研究 根据系统的要求和我们对远程控制系统的模块化划分，系统的功能结构 图可表示为图2 .5 . 冬端。 惬 现场状态接收 控制命令解释并发送 系统管理 现场状态解释并显示 中断服务处理 现场接入方式 网络 模块 基于i n t e r n e t 的r m c s 接入协议 网络接入方式、接入协议 接受并解释终端控制命令 现场设备监控 中断服务处理 现场状态反馈 图2 .5 基于i n t e rn e t 的r m c s的结构功能图 由图2 . 5可以 看出网络模块和现场模块之间的通信是实现设备上网的关 键因素，因此现场的 i n t e rne t 接入方式和通信协议在这里就显得至关重要。 此外， 如何保证数据在传输过程的有效性、 可靠性和安全性也是基于i n t e rne t 的r m c s 需要关注的重要问题。下面的讨论正是以 这种思路进行的。 互 2 . 2 . 1影响基于i n t e r n e t 的r m c s 运行的关键性因素 一个基于i n t e rn e t 的r mc s必须能够快速、准确、稳定、可靠的运行。 但从现有的研究来看，影响该系统正常运行的因素还有很多。主要有网络延 西北工业大学硕士学位论文第二章 基于i n t e m e t 的r mc s 的鉴本研究 时、网络安全性和可靠性因素三个方面。 一、时间因素 工业自 动化系统许多场合有一定的实时性要求，如数据采集系统、闭环 控制系统，不同 对象对实时性要求不同而且差别可能很大。影响实时性的主 要因素是信号的传输时间和信号的处理时间。早期的控制系统结构简单、传 输控制协议简单、传输距离短，因此传输延时影响较小，实时性主要取决于 信号的处理时间。近年来，随着芯片技术的发展 ( 如 d s p的出现) 、计算机 速度和精度的提高，信号的处理速度越来越快，而与此同时控制系统体系结 构发生了 很大的变化，出 现了 控制网络，因而信号的传输延时对实时性的影 响越来越大。可以说，其响应延时是整个远程控制系统中的关键问 题，也是 最大的难点。 二、可靠性因素 系统可靠性通常是指系统在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功 能的能力 2 8 。 如果由 于各 种原因， 使得监 控用户发 送的 控制 命令 不能 立即 使 设备产生作用，造成了设备动作的不连续:或者设备的一些状态信息不能及 时反馈给用户，导致用户在判断现场设备运行时出现偏差。这些都可能导致 远程控制系统的性能不可靠和不稳定。提高可靠性有两个途径，一是尽量使 系统在规定的时间内少发生故障和错误， 二是发生的故障能够迅速得到排除。 一个远程控制系统的可靠性主要包括远程监控终端可靠性、传输系统的传输 可靠性和现场监控系统的可靠性。在基于 i n t e me t 的远程控制系统中，系统 的可靠性包括了监控终端和现场控制终端的可靠性以及传输系统的可靠性. 传输系统的可靠性在于传输的介质、传输方式、传输距离、传输过程中所用 的技术以 及遵守的协议等; 远程监控终端和现场监控系统通常是计 算机控制 系统，提高系统的可靠性通常从硬件可靠性和软件可靠性两个方面来解决。 其中，硬件主要考虑如何提高元器件和设备的可靠性， 采用抗干扰措施和冗 余结构设计，增强系统对环境的适应能力:软件主要考虑软件的测试技术、 故障自诊断技术、自 动检错与 纠错技术、系统恢复技术等方面的设计。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 基于i n te r n e t 的r m c s的荃本研究 三、安全性因素 基于 i n t e r n e t的远程机电控制还必须把网络安全问题放在重要的位置。 对我们来说， 如何保证自 动化系统的安全是实现网络自 动化首要解决的问 题， 如果自 动化系统受到恶意攻击，造成生产过程的中断或者危险生产过程的事 故 ( 如爆炸) ，将会造成比金融、电子贸易等网络受到攻击时更严重的灾难。 网络安全性的实现应该保证现场控制信息和远程操作信息在网络传输时受到 机密性、完整性和真实性的保护， 避免被其他人利用窃听、冒 充、篡改、抵 赖等手段侵犯操作人员的利益， 同时也要避免其它用户的非授权访问 和破坏。 网 络通信的数据安全主要包括:数据传输的安全性，即 保证在 i n t e r n e t 上传 输的 数据不被第三方窃取