（机械制造及其自动化专业论文）基于internet通讯动力及环境的远程监控系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 远程监控是电力、水利、通信等行业所一直期望能够更加完善的解决的问 题之一。随着网络技术的飞速发展，远程监控的网络实现成为可能，而且在不 断改进和提高。尤其是以t c p 佃为代表的n e m e t 技术的发展，更给远程监控 网的是实现提供了深厚的技术基础。 本文根据计算机监控系统的技术发展趋势，结合了现代网络技术，以通讯 动力及环境远程监控系统为工程背景，提出了一种基于w c b 技术的远程监控系 统。系统模型采用基于b s 与c s 相结合的三层网络构架，网络系统平台和现 场基站的建设方案采用了适合于建设实际的可持续发展的建设模型。该系统方 案采用h t e m e l 为信息通道，构建上层w e b 服务系统，实现各个分监控中心的 通讯；现场基站采用单片机技术采集数据，利用电信设备s d h 设备作为传输设 备，通过2 m 抽取时隙的方式上传给分监控中心，进而实现设备的信息监控。 文章分析了基于w e b 技术的远程监控系统的网络体系结构，结合课题的工 程实例，给出了详细的总体设计方案。并对系统的软硬件设计给出了完整的阐 述，此系统的适用范围广，开放性和扩展性强，符合远程监控系统的发展趋势， 具有推广价值。 关键词远程监控：w e b 技术：通信动力 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e m o t es u p e r v i s ei so n eo fm ec r u c i a lp o i n t sa 1 1a l o n gr e s e a r c h e r si np o w e r ， i m g a t i o na 1 1 dt e l e c o mf i e l d se x p e c tt os 0 1 v em o r ep e r f e c t l yt h ed e v e l o p m e n to f t h e n e 帆o r kt e c h n o l o g i e sm 狄e s p o s s i b l em e r e a l i z a t i o no fr e m o t es u p e i s e e 印e c i a l l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm et c p pa n dr e l a t e dt e c h n o l o 西e s ，r 锄o t es u p e i s eb a s b e e ns u p p l i e dam o r ep r o f i o u l l dp o t e n t i a l o nt h eb a s i so f m et i e n d so f t e c l l l l i q u ed e v e l o p m e n to f t l l ec o m p u t e rs u p e n r i s i o n s y s t e m ，a c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a lp r o j e c t ( m er e m o t ec o n n r o lm l d m o i l i t o r i i l gs y s t e m o ft h ec o m m u n i c a t i o nd o w e r sa n de n v i r o l l m e n t ) a n d l eu s e dm o d e mn e t w o r k t e c h n i q u e s ，m i sp 印e rp r e s e n t sc o m p u t e rs u p e r v i s i o ns y s t e mm o d e lb a s e do nw 曲 t e c h l l i q u e s t h es y s t e mm o d e li sb a s e do nt h e3 t i e rn e t 、o r ks 饥c t u r e ，a l l di t i s s u p e r y i s e db yt h ec o m b i n e dw a yo fb sa n dc s 强ep r o g r a mo fb u i l d 抽gt 1 1 e n e t w o r ks y s t e mf o u n d a t i o na n dm ec o m d u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y g t e mf o rt h e f i e l ds t a t i o n sa r ef i tf o rt h ep r a c t i c a ld e m a n do ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t h lt h i s s y s t e m ，t h eu p p e rw e bs e i c es ”t e m i s b u i l t ，w l l i c ha d o p t s t l l en l t e m e t 船 c o r m u n i c a t i o nc h a n n e l s ，a n dr e a l i z et l l ec o n l m u n i c a t i o n 锄o n g 也ed i s 埘b m e d s u p e i s e dc e m e r ；i n t h ef i e l ds t a t i o n 也es y s t e m a d o p t st l l et e c 蛳q u e o f s i i l 9 1 e c h i pt o r e a i i z em ec o l i e c t i o no f s u p e r v i s e dd a t aa n d 吼s m i t s t 1 1 ed a t ab yt l l er a d i od e v i c e 一 一s d hd e v i c e t h ep a p e ra n a l v z e sn e t 、o r ks t n l c t i l r eo ft h er e m o t ec o n t r o l8 y s t e mb a s e do n w e bt e c h n i q u e sa n dp r c s e n t st l l ed e t a i l e d d e s i 印s c h e m ea c c o r m n gt op r a c t i c a l p m j e c t o f t a s k t h e p a p e re x p a t i a c e so n t l l eh a r d w a r e 勰ds o f 时a r eo f t l l es y s t 锄t h e s y s t e mh a s 栅- r a n g i n ga p p l i c a t i o n ，g o o de x p a i l d a b i l 时a i l dt l l ec h 妣l c t e ro fo p 谢n g na c c o r d sw i m m ed e v e l o p m e n t 打e n d so f m er e m o t em o i l i t o r i n g 舡l dc o n t r 0 1 ，a n dh a s t h eg o o dv a l u et ob e p o p u l a r i z e d k e y w o r d r e m o t es u p e r v is i o na n dc o n t r o i ：w e bt e c h n o f o g y ： c o m m u n i c a t i o n 口o w e r 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本选题来源于机械科学研究院项目：通信动力和环境远程监控系统。本人 在对整个监控系统全面理解的基础上，主要对系统整体网络构架，动力设备监 测过程，数据的交互接口及系统的软件系统进行设计和研究。 由文献【1 4 可知，随着计算机网络技术的发展，对工业过程的远程监测和 控制成为目前发展最快的应用技术，它能够最大限度地发挥网络的实时、高效 的能力来完成远程监测、控制和故障诊断等任务，能大大提高系统的技术水平， 提高整个系统和管理部门的工作能力和工作效率，有着重要的实际意义和经济 价值，使企业在市场的竞争中处于主动地位。它广泛应用于电力，电信，交通， 制造等多个领域。 在电信领域中，移动通信是目前发展最迅速的通信业务之一，也是2 1 世纪 成为主要的通信手段。移动通信网中有大量通信基站，其机房环境和动力设备 是网络正常工作的关键。按照以往的传统方式进行分散维护和人工监控，不仅 浪费人力、物力，而且可靠性差，已经远远不能适应移动通信动力和环境集中 监控系统的需要。因此，各地移动通信部门对移动通信设备与通信系统的维护 管理工作提出了新的更高的要求。这种新要求的特点是：实现对移动通信部门 的通信配套设备及环境实行遥测、遥控、遥调，最终实现无人值守。其结果还 会大大提高设备的维护管理质量，降低系统维护费用，提高整体工作效率。 在制造领域设备的远程监控同样发挥着积极的作用。因为随着以互联网为 代表的信息技术的广泛应用，不同国家的厂商可同时得到买卖的信息，地域不 再是影响企业竞争的重要因素，一个企业不再仅仅是一个地区的企业，一个国 家的企业，而是一个全球的企业。这样就产生如下的需求：一个企业中的设备 北京工业大学工学硕士学位论文 可能和异地企业的设备组成制造系统，或者由异地企业来控制管理，所以研究 设备的远程监控也是实现全球化制造的重要课题。 1 2 课题研究领域的现状及发展 1 2 1 远程监控技术的意义 对于设备的远程监控技术是为使人们可以在远离那些设备的地方就能及时 了解设备的运行状态并对其生产状态进行控制应运而生的一种新型监控方式。 远程监控技术中所使用的具体通信设备与介质是不受限制的。可以使用卫星， 无线电，激光等各种设备和介质来进行远程通信。在i n t e m e t 遍布全球的，各 种先进网络技术日新月异的今天，使用网络技术实现远程监控自然成为首选。 远程监控技术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；使用远程监控技术还可以获得监控现场数据；远程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。 1 2 2 远程监控技术的发展 远程监控技术是一门集计算机技术、通讯技术、网络技术及自动化技术于 一体的综合性技术，它是随着其他技术的发展而迅速发展起来的。 设备监控模式经历了从单机监控系统到分布式监控系统，再到基于i n t e m e t 的远程监控系统这样一个发展过程。远程监控网络系统可以认为是第三代设备 监控系统。 由文献 5 7 可知，计算机网络技术的发展，引发了控制技术的深刻变革， 以及与之相应的新的控制理论的产生。控制系统结构的网络化、控制系统体系 的开放性、控制技术与控制方式的智能化，是当前控制技术发展与创新的方向 与主要潮流。网络技术不仅是实现管理层的数据通讯与共享，它应用于控制现 第l 章绪论 场的设备层，并将控制与管理综合化、一体化。h l t e m e t 不仅用于传统的信息 浏览、查询、发布，还可通过i i l t e m e t 跨国跨地区直接对现场设备进行远程监 测与控制。因而现代的自动化系统( 包括工业、商业、楼宇、交通自动化系统) 均可通过网络构成信息与控制综合网络系统。 1 2 2 1 控制系统网络发展的主要方向 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结 构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。由文献 8 1 0 以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得 到了越来越多的应用。同时，随着1 1 1 t e m e t 遍及世界的每一个角落，人们已经 进入了一个崭新的现代通信技术的时代。依靠以太网和i n t e m e t 技术实现信息 共享，必将可以实现对控制对象进行远程控制。 一般来讲，控制系统网络可分为3 层：信息层、控制层和设备层( 传感执 行层) 。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采 用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备 层，几乎所有的p l c 和远程i 0 供应商都能提供支持t c p 口的以太网接口的 产品。 以太网主要有以下优势： 1 ) 低成本的刺激和速度的提高。以太网适配器的价格大幅度下跌以及各种 产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素。2 0 世纪8 0 年代，1 0 m b s 的 网卡售价近1 0 0 0 美元；现在l o o m b s 的网卡售价仅为2 0 美元左右，而且很多 p c 机已经集成有以太网接口。以太网最初的数据传输速度只有1 0 m b s 。随着 1 9 9 6 年快速以太网标准的发布，以太网的速度提高到了1 0 0 m b s 。1 9 9 8 年，千 兆位以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的1 0 0 倍。最初的以太网需要 1 2 m s 才能传送一个1 5 1 8 b 大小的帧；现在，快速以太网已经将这一时间减少 到1 2 0 s ；如果采用千兆位以太网，这一时间只需1 2 s 。现代以太网标准，比 北京工业大学工学硕士学位论文 如交换、全双工传输、实时数据的优先级、带宽由1 0 m b ，s 到1 0 0 m b s 乃至 1 0 0 0 m b s 的升级，使以太网成为工业自动化网络中首选的传输方式。 2 ) 现代企业对实时生产信息有越来越多的要求。当前，人类已经进入了以 互联网为基础的知识经济时代，企业活动也已扩展到全球范屡，生产系统中最 主要的3 大要素：物质、能源和信息之间的关系发生了巨大变化，信息已成为 最活跃的主导性因素。为了提高生产的效率和效益，人们迫切需要了解生产过 程的实时数据，将实时生产信息与企业的e r p 系统结合起来。而企业的信息层 大多数采用了以太网的解决方案，当控制层和设备层都采用以太网时，则可实 现各层之间信息的无缝连接，而且整个网络系统将是透明的。 3 ) 以太网的开放性和兼容性。现场总线从1 9 8 4 年开始提出到现在，共产生 了6 0 多个数字通信网络标准，有5 0 0 0 多种支持这些网络的产品。这些标准分 别为不同的公司所拥有，并与他们的产品捆绑在一起，相互之间兼容性很差。 这给那些使用多家产品的大型系统的集成和维护带来了很大的麻烦，因此迫切 需要建立一个统一、开放的通信标准。工业以太网因为采用由1 e e e 8 0 2 3 所定 义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为p l c 和d c s 厂家广泛接受。 与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接的传 统以太网标准( 1 0 b a s e t ) 的基础上发展起来的，但它的传输速度从l o m b 8 提升 到了1 0 0 0 m b s 。在大多数场合，它还可以使用现有的布线。此外，以太网还允 许逐步采用新技术。也就是说，没必要一下子改变整个网络，可以一步步将整 个网络升级。 1 2 2 2 基于i n t e r n e t 技术的远程监控方式 1 ) 随着以太网技术的飞速发展，基于t c p 口和c l i e n “s e n r e r 架构的分布式 监控技术已经日趋成熟。但若要实现远程监控，一般仍需通过拨号方式登录远 程服务器或者直接与控制器建立通信，这种方式比较简单、易于实现，但存在 如下不足之处：使用成本高，因为远程监控的距离一般较远，采用直接拨号方式 第l 章绪论 会带来高额的国内甚至国际长途电话费用；工作效率低，直接拨号方式只有当 断开连接以后才可以进行新的拨号，这中间还需要等待一段时间让m o d e m 复 位a 而且，这种方式无法做到同时监控多个不同的对象；可用性不高，直接拨 号方式需占用一条电话线路。拨号端不能预先知道对方是否正在通话，尤其是 当系统在发生故障的情况下自动向上报警时会因为线路忙而不能接通；传输速 率低，m o d e m 直接连接的速度一般都很低，为1 9 2 k b s 左右，不能满足数据量 日益增长的需要。 2 ) 实际上，远程监控完全可以通过h l t e m e t 方式实现。采用基于i n t e m e t 的 远程监控具有许多优点：它不存在国内和国际长途电信费用，不管用户的设备 在何地，所需费用仅为市话费加上网费；多点可同时对一点进行监控，当多个 用户同时向监控中心发出故障信息时，不存在“忙音”问题；并且监控中心可以 对多个客户进行监控，切换时间可达毫秒级；可以在一根线路上同时传输数据、 语音、图像，实现数据、语音、图像三网合一；可以实现同步运行监控软件和 p l c 编程软件，从而实现远程修改程序参数、上下载p l c 控制程序。 3 1 基于i n t e r n e t 的远程监控与诊断技术已经引起国内外学者的广泛关注 和重视，并投入了大量的人力、物力进行研究。如美国斯坦福大学和麻省理工 学院合作开展“基于i n t e 鼢姬t 的下一代远程诊断示范系统”的研究，该项工 作得到了b o e i n 舡o r d 等l o 家大公司的支持与合作，并很快建立了一个面向半 导体制造设备的基于i n t e r n e t 的远程诊断原型系统。美国密执安大学也在进 行机械加工的远程诊断与制造系统的研究工作。澳大利亚联邦科技与工业研究 组织( c s 瓜0 ) 将远程诊断纳入“智能制造系统计划一面向2 1 世纪的全球制造” 项目的重要研究内容之一，其应用对象直接面向c n c 平板切割机床。紧跟国 际步伐，我国一些单位也已经开展了制造设备远程诊断的研究工作，如同济大 学以上海大众汽车冲压生产线为研究对象，初步实现了一个面向制造企业的工 业现场远程监控诊断系统。北京理工大学、南京航空航天大学等也在开展基于 北京工业大学工学硕士学位论文 矾t e r n e t 的f m s 远程故障诊断的研究。总之，设备远程监控与诊断己成为 当今设备监控与诊断技术的一个研究热点。设备远程监控不断发展将使得企业 生产管理向着更加现代化，智能化，集成化和无人化方向发展。 1 2 3 通讯动力设备远程监控技术的发展 1 2 3 1 通信动力电源监控系统是当前通讯发展的迫切需要 由文献 1 1 】可知，随着通信技术的发展，大容量、高质量的数字通信设备逐 步取代模拟通信设备，组成了较大的通信网络，为电力系统中的用户提供各类通 信业务。面对日益庞大的通信网络，众多的设备，巨大的投资，如何保证这些设备 的正常运行，发挥通信网效益是至关重要的。除不断提高通信设备技术水平，保证 主要通信设备运行可靠外，通信站机房环境和电源系统的管理、维护工作也是保 证通信网络安全、可靠、高效运行的关键。特别是在当前减员增效的政策下， 不可能配置更多的通信人员，所以通过先进的技术手段来实现对电力系统通信 站机房环境和电源系统的远程监控管理是最积极有效的解决办法。 电力通信网建立之初就伴随着如何保障其稳定可靠运行的问题。较长时期 一直用值班的办法来监视通信设备、机房环境和电源系统的运行，工作量大，遗漏 多，常常由于电源系统故障或机房环境因素( 如交流市电消失或整流设备故障，造 成蓄电池过放电，蓄电池损坏；夏季机房空调未正常启动，机房温度过高，设备保 护而中断；机房漏雨或进水，造成设备中断甚至损坏等) 使得通信设备中断运行， 严重影响通信网的可靠畅通，甚至危及安全。但在当时也只能靠不断加强对人员 安全意识教育和工作责任心的培养来尽量解决。 8 0 年代以后，通信设备技术水平有了突飞猛进的提高，通信网逐步数字化，通 信设备自身的监控系统也越来越完善，这给通信站的无人值班创造了条件。但通 信站机房环境和电源系统这一重要环节还处在无监控的状态，它仍然是影响通 信设备和电路正常运行的重要因素。据运行统计，就四川省内由通信站电源系 第l 章绪论 统故障和环境因素引起的通信中断大约占总中断次数的7 0 左右。因此，对通 信站机房环境和电源系统的监控管理逐渐引起了各方面的重视。 1 9 9 6 年初原邮电部就率先提出“人员零增长”，“机房维护由少人值守到无 人值守”的纲要，并制定了“通信电源、机房空调集中监控管理系统”( 暂行规 定) ，开始建设通信机房环境和电源监控管理系统。通过试点获得成功后，便加快 步伐，增加覆盖面，在功能上也逐步增加和完善，对邮电公网的运行确实起到了较 好的保障作用。目前电信公网己将机房环境及供电监控系统建设纳入网络建设 当中。中国联通也积极地建设该系统，并把它作为基站建设必须的配套支撑系 统。从通信站机房环境及电源系统着手，建立“电力通信站机房环境及电源系统 远程监控管理系统”是切合实际的、有效的和必要的。至于通信设备本身的监 控系统由生产厂商去考虑，将来有条件时建设更上层统一的网管系统平台，把所 有电路设备监控系统和通信站机房环境及电源系统远程监控系统全部接入，实 现综合的网络管理。 通讯电源是通讯设备的重要组成部分。随着现代科学技术的迅速发展，各 种通讯手段和相应设备在不断地改进和更新。因此，通信设备对电源系统的可 靠性要求也越来越高。为确保通讯畅通和通讯质量，除提高通讯设备本身的可 靠性以外，还必须提高通讯电源系统的可靠性和稳定性。目前所使用的通讯电 源系统在管理和维护上，仍然存在着可靠性低和稳定性不高的缺点。当出现故 障时，不容易及时发现、定位和排除。设备和人员的安全性都存在着一定的问 题。 1 2 3 2 通信电源监控系统的描述及在我国的发展 由文献 1 1 可知，通信电源监控系统主要实现对电源系统的交、直流电压、 电流、缺相、频率和蓄电池电压、电流等数据的采集和显示。对市电的有无、 整流器的开关、蓄电池的充电浮充、熔断器的好坏等状态进行监控。一旦发 生故障，将自动报警和进行切换，以保证电源设备的正常运行。此外，监控系 北京工业大学工学硕士学位论文 统还对柴油机( 油温、油压、油机开关等) 、空调机( 开关机状态、告警信号、 遥控开关机等) 、环境( 温度、湿度、烟雾告警、机房门开关等) 进行管理。 有的系统还带有诊断功能，可实现故障点的定位，总之，通信电源监控系统已 成为通信发达国家电源设备的组成部分。在我国，随着对此系统的迫切需要， 研制工作也得到广泛的重视，并在我国开展和进行。 通信局( 站) 电源、空调及环境集中监控管理系统近几年来在全国范围内 取得了飞速的发展，据不完全统计，全国3 0 0 多个本地网之中已有1 0 0 多个本 地网建设了电源监控系统，还有一些地市的电信局正在着手建设电源监控系统。 从已经建成的这些系统的运行效果看，电源监控系统已经成为通信局( 站) 实 现无人或少人值守的必不可少的手段，起到了减轻维护人员的工作量、提高维 护质量的作用。电源监控系统经过几年的发展，已经从仅具有三遥和告警功能 的系统发展到一个具有较完备的管理功能的系统。电源监控系统不仅要能够完 成三遥和告警功能，还要能对采集的数据进行各种智能化处理和分析，而且系 统软件具有灵活的组态功能，能够满足维护人员的维护需求，提高了维护水平。 1 3 课题的开发内容 “通信动力和环境远程监控系统”的目标，主要是实现监测和控制的三层 网络化体系，提高系统的技术水平和系统开发的规范化，从而提高系统的整体 技术水平。 三级网络化监控体系是电信企业实现通信动力和环境的远程集中监控的 需要。单机控制只能解决基站在收敛点的集中监控问题，无法对各个收敛点的 数据汇总和集中监控，更无法实现远程的总监控中心的集中监控。而网络版监 控系统通过一种分级的网络化的监控体系，可以解决从收敛点到分监控中心、 甚至到远程总监控中心的集中监控和信息化，还可以通过网络实现远程诊断和 故障分析，实现了监控软件系统的战略升级和技术水平换代。系统开发的基本 第l 苹绪论 内容包括： 1 ) 数据库设计：为适应三层网络的需要数据库设计采用以w e b 数据库技术， 实现数据的存储、传递、处理和交互。 2 ) 监测控制：监测控制是系统的核心，负责基站设备的实时轮询，具体实 施数据监测和保存、告警数据保存和实时控制。检测控制程序驻留在前置机上。 3 ) 告警管理：告警管理主要对监测控制获得的告警进行实时处理，包括实 时告警( 实时告警确认) ，当前告警( 当前告警的处理和查询) ，历史告警( 历 史告警查询统计) 。 4 ) 实时监测：实现检测数据的实时显示查询。 5 ) 设备控制：实施进行控制操作，改变设备可控参数或状态。 6 ) 数据管理：实现近期监测数据和历史监测数据的查询、统计等处理。 7 ) 系统管理：系统管理主要完成监测系统的各种管理和配置，保证系统的 正常运转。包括配置管理，安全与人员管理，日志管理，重要事项管理，派工管理， 设备管理。 1 4 论文的任务 根据上一节具体监控项目，即通信动力和环境远程监控系统的实际需求分 析，本文论述了系统的整体设计思想和方案，对系统的网络构架进行了详细的 分析和探讨，最终通过软硬件设计与开发，比较完善的实现了系统的大部分功 能。 本人的主要工作及贡献为： 1 ) 当今世界因特网( i n t c m e t ) 是应用最为广泛，技术最为成熟的网络， 本文在深入的研究网络体系结构、技术体系的基础上，提出了一种远程监控网 络的整体结构，整个网络采用t c p ，口协议及其相应的技术，并根据具体情况， 提出了b s 与c s 相结合的监控方式。这样做的优点是技术成熟，系统易于维 北京工业大学工学硕士学位论文 护管理，有利于向新技术发展。 2 ) 针对通信动力和环境远程监控系统的总体要求，参与设计、并制定了该 系统的整体方案，对系统进行合理的功能结构划分，保证远程监控的合理实现。 确定方案既是开发该系统的首要任务，也是其重要的基础，关系到该系统最后 的总体效果和成败。 3 ) 参与设计和开发监控系统的网络构架的总体设计，及网络数据库的设计 开发。 4 ) 开发设计前置机监控软件系统，前置机与w e b 服务器之间的接口程序， 并实现w e b 服务器中设备报警信息的处理，显示。 5 ) 参与了整个项目的调试工作，深深感受到现场调试的艰辛与快乐，锻炼 了自己的动手和分析问题的能力，及与他人合作，与客户交流的能力。 6 ) 监控系统的相关资料的整理工作，并编写了该监控系统软件的使用说明 书及前置机系统软件的开发报告，以供客户操作人员和技术人员进行正确的使 用和有效的维护。 1 5 本章总结 本章首先介绍了本课题来源及研究的目的和意义，指出远程监控系统广泛应 用于电力，电信，交通，制造等多个领域，对提高整个系统和管理部门的工作 能力和工作效率，有着重要的实际意义和经济价值。接着对当前远程监控技术 的现状及发展进行了分析和探讨，并针对本课题的实际项目，着重分析当今通 讯动力设备远程监控技术的发展及现状。最后，介绍了课题具体项目的开发内 容即需求分析及本论文的主要工作。 第2 章课题涉及的技术基础 第2 章课题涉及的技术基础 2 1 远程监控系统的理论分析 2 1 1 远程监控的方式 远程设备监控包括设备的远程数据采集、设备控制系统的远程调试和配置、 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。由文献 1 2 1 5 】从控制方式上将远程监 控进行如下的分类。 ( 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。这样远程监控系统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 d + t s + t r + t c ，其中 t p 为指令执行时间，t s 为指令发送时间，t r 为反馈数据通讯时间，t e 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等。图2 1 为这种方式的示意图。 ( 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。 北京工业大学工学硕士学位论文 p l g u r e2 - lr e m o t ec o n 打o l ( 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。这种控制方式用在一些特殊的行业。 ( 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 员之间的交互，设备的状态信息可随时在远程监控端采集。 2 1 2 远程监控的软硬件基础 远程设备监控是设备控制技术和通讯技术相结合的产物，远程设备的监控 一般都是在异地专家参与下进行的，所以现场的视频信息相当重要，操作人员 通过对现场设备的视频图象的监视，决定下一步采取的措施。所以视频图象在 某些远程监控应用中起很重要的作用，而图象信息量特别大，对通讯电路有一 定的要求，一般采用将视频音频信号和数据信号分开传递，他们占用不同的通 道、波段或频段。由于硫e m e t 网的可靠性和传输效率存在问题，目前远程设备 的监控主要采用点对点直接相连，如采用i s d n 方式，i s d n 的2 b 通道用来传 递视频和音频信号，d 通道用来传递数据信息。将来随着i n t e m e t 网络的带宽和 可靠性的增加，基于i n t c m e t 网的远程监控系统更具有发展前景。 探讨网络通讯不得不谈到通讯协议和通讯连接技术，目前最常用的通讯连 第2 苹 课题涉及的技术基础 接技术、协议标准和软件平台。 物理连接电话线，双绞线，d d n ，光纤，同轴电缆，微波，卫星，有线电视 底层协议以太钢( 8 0 2 系列) ，p s t n ，i s d n ，x d s l ，a t m 基本通信协议t c p 口( p p p 、p o p 3 和s l 口) ，w a j p 高级应用协议c o r b a ，d c o m 网络操作系统u n ，w 仆d o w s ，i d 讯 基于p c 机的远程控制软件发展很迅速，在进入w i n 9 8 瓜t 2 ( p 时代之 后，图形化的界面成为人机界面的主导方式。远程控制软件可在控制端的控制 窗口显示被控端的桌面，所有的操作控制都形同本机一样，所有的操作命令都 由远程控制软件传递至被控端，在被控端运行，将被控端的桌面图案实时地返 回到控制端的控制窗口中。这样的软件有许多种，如s y r n 趴t e c 公司的 p c a n 州1 e r e 3 29 o 、s t a c 公司的r e a c h o u te n t e r p r i s e8 和c o r e 公司的c o s e s s i o n 3 2 8 o 他们都支持局域网和电信网的连接，有密码保护和权限设置功能。微软的 n e t m e e t i n g 视频会议系统也增加了远程控制功能，这些软件都可直接应用在p c 机控制的设备的远程监控中。但作为一个完整统一的系统，为了方便用户的使 用，应采用软件供应商提供的组件，构建自己的统一的系统界面。 2 1 3 远程监控的设备接入技术 远程设备监控的另一个难点是如何和现场设备控制系统进行通讯? 设备的 控制系统种类繁多，不同厂家都有自己的控制方式，而且以前出厂没有联网能 力的设备仍然在大量使用。针对这种情况可采用对现场设备进行接口改造， 通过p c 机完成对现场信息的提取以及对设备的控制，然后通过p c 机联网进行 通讯。许多设备带有r s 2 3 2 接口或其他串并行接口，将这些接口和p c 机连 接，实现设备的联网。图2 2 表示了这两种方法。 远程设备监控一般采用点对点的方式，也可采用一对多或多对一的结构， 北京工业大学工学硕士学位论文 如图2 2 。如同多点视频会议系统样，多点远程设备监控增加了系统的复杂程 度，但在某些场合这样的应用又是必须的。目前采用的远程设备监控软硬件不 支持同时的多点连接，但可采用数据循环采集的思想，宏观上保持多点连接， 微观上同时只有点对点的连接，个点的采集控制完成后，再转向下一个点进 行连接。 i 摄像头 = 习 ， 近 苎竺型塑f 程 困 监 控 固臌网 管 理 r 翮串行接口 l 阪台l 图2 2 设备的现场接入 f i g l l r e2 2 f i e l dl i i l ko f d e v i c e s 一对多的连接方式通常用在异地制造中对设备状态的监控，处在不同地方 的设备由负责制造协调的盟员进行调度，安排加工任务，并监测执行的状态。 多对一的方式一般用在专家会诊，对设备故障的排除，要求设备方的远程监控 管理能够协调远程设备监控主要的应用于设备的远程调试和配置：设备到位 后，需要安装调试。如果建立远程设备监控系统，制造商或供应商就可通过视 频图象，对现场的安装和调试工作进行指导，进一步可和现场设备连接，直接 对设备进行系统数据配置、调试操作，通过对现场设备运行数据的采集，通过 通讯网络连接到制造商或供应商专有仪器上，由专家进行会诊和判断，得出系 统的优化参数，然后对设备进行优化配置，保证设备正常进入生产环节。设 第2 章课题涉及的技术基础 备的远程数据采集和控制：通过对现场设备的视频和运行状态信息的采集，得 到设备的实际状态，远程监控系统就可对现场设备进行控制。设备的远程诊 断和维修。 一对多 多对一 图2 3 远程监控的连接方式 f i g u r e2 3c o 蚰e c t i n gm o d e o f r e m o t ec o n 仃0 1 2 2 面向对象技术 2 2 1 结构化方法与面向对象方法的比较 结构化方法强调过程抽象和模块化，这种方法将现实世界映射为数据流 和操作，操作之间通过数据流进行通信，数据作为被动的实体被主动的操作 所加工，是以操作为中心来构造系统和设计程序的。 面向对象方法把世界看成独立的对象集合，对象将数据和操作封装在一 起，提供有限的外部接口，其内部的实现细节、数据结构及对他们的操作都 是外部不可见的，对象之间是通过消息相互通信，当一个对象为完成其功能 需要请求另一个对象的服务时，前者就向后者发出一条信息，后者在接收到 这条信息后，识别该信息并按照自身的适当方式予以响应。 面向对象方法和结构化方法相比，具有以下一些特点： 回 暑卤里羞 日 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 面向对象方法强调把问题域的概念直接映射到对象以及对象之间的 接口，符合人们通常的思维方法，减少了结构化方法从问题域到分析阶段的 映射误差。 ( 2 ) 面向对象方法从分析到设计再到编码采用一致的模型表示，后一阶段 可以直接复用前一阶段的工作成果，弥合了结构化方法从数据流图到模块结 构图转换的鸿沟，减少了工作量和映射的误差。 ( 3 ) 在客观世界以及作为它的映射的软件系统中，实体的结构是相对稳定 的。面向对象方法通过把属性和服务封装在“对象”中，当外部功能发生变 化时，保持了对象结构的相对稳定，使改动局限于一个对象的内部，减少了 改动所引起的系统波动效应。所以，按照面向对象方法开发的软件，具有易 于扩充、修改和维护的特性。 ( 4 ) 面向对象方法具有的继承性和封装性支持软件复用，并易于扩充，能 较好的适应大的复杂系统不断发展变化的要求。 2 2 2 面向对象方法的特点 所谓对象就是一个或一组数据及处理这些数据的方法或过程的集合。 由文献 1 6 1 7 面向对象程序设计的主要特点是抽象性、封装性、继承性和 多态性。抽象性允许忽略实施细节，而从更高的等级上考虑一个实体。对过程 的抽象形成对象的方法，对数据的抽象形成对象的属性；封装性实质把数据和 处理这些数据的方法和过程集中到一个相对封闭的集合中，只有通过对象自身 的函数才可能访问数据；继承性是在类、予类和对象之间自动共享函数和数据 的一种机制，使程序可以在已有对象的基础上发展出新的功能更强的新对象； 多态性指对于同一个过程，可以在不同的地方、不同的对象等级中，使用不同 的代码实现，允许相关的对象对同一消息做出不同但适宜的反应。这些特性增 强了代码的可重用性并使其易于维护，更能适应变化的商业需要。 弟2 章 课题涉及的技术基础 2 2 3 课题中面向对象方法的应用 本监控系统主要有现场的数据采集和控制单元，上位机服务器控制系统， 连接上下位机的通讯系统，以及发布信息的w e b 服务器系统。上位机通过通信 系统连接到现场的数据采集和控制单元完成对设备的轮询、单检、设置等主要 功能。运行于前置计算机的监控模块通过计算机串口与各设备进行数据通信， 把采集回来的设备参数进行处理以后存入数据服务器，以供别的模块使用。 上位机可扩展多个串口，而对每一个串口在上位机软件中都是一个应用对 象，如果以结构化的方法来实现程序，则对每一个串口进行读写时，都要用相 应的串口变量，这样就导致程序的调试和维护非常不便。 分析串口的特征，有许多共性，同时又有自己的特性，所以利用面相对象 的方法可以建立串口类，及其属性( 串口号，波特率，奇偶校验位，所带设备 数等) ，方法( 读操作，写操作等) ，当要对哪一个串口操作时，就建立相应的 串口对象即可，在读写完数据后，可以释放串口对象所占内存空间。在后面的 章节，将详细介绍设备轮询，串口通讯等各个模块的设计。因此，应用面相对 象方法实现了对多个串口通讯的程序设计，使程序更易修改，更易维护。 2 3 基于a s p 的数据库访问技术 由文献【1 9 2 1 开发h t e m e t 环境下的远程监控系统，首先要解决的问题是 通过w e b 应用程序访问后台数据库信息。用户通过与w 曲页的交互操作提出对 数据库的访问请求并获取访问结果，这就要求w 曲应用程序能很好地实现动态 w e b 页面。本系统采用数据库接口a d o 技术和网络系统开发a s p 技术来实现 网络数据库的浏览，修改，删除等操作。 2 3 1 数据库的开发接口 o d b c ( o p e nd a t a b 粥ec o n n c c t i v i t y ，开放数据库互连) 实际上是一个不同类 北京工业大学工学硕士学位论文 型数据库通用访问工具。可以用它所提供的应用程序接口( a p i ) 编写应用程序， 而不用直接与数据库管理系统( d b m s ) 进行操作，从而使应用程序独立于数 据库管理系统。随着近几年网络技术和数据库技术的飞速发展，现在的应用系 统对数据库集成的要求越来越高，这些数据可能分布在不同的地方，并且使用 不同的格式，因此对于一些非s q l 的数据源，如：空间数据、顺序索引文件等， o d b c 已经不能够提供个一致的数据访问接口，而微软公司推出的 u d a n i v e r a l d a t a a c c e s s ，一直数据访问技术) 则较好地解决了这些问题。u d a 包括两层软件接口：0 l e d b ( 0 b i e c t l i l l l ( i n ga n d e m b e d d i i l g d a t a b a s e ) 和a d 0 ( a c t i v e xd a t a o b j e c t k 0 l e d b 在系统级建立数据访问的一组标准c o m 接口，这组接口封装了各 种数据系统的访问操作，为数据使用方和数据提供方建立了标准。 a d o 是一组基于o l e d b 数据的应用层接口，与o l e 数据库提供的底层访 问方法相比，a d o 提供了更为高级并且容易理解的访问机制。a d 0 是数据访 问对象d a 0 ( d a t a a c c e s s o b j e c t ) 和远程数据对象r d 0 ( r 舢a o t c d a t a o b j e c t ) 的后 继产物，它扩展了d a o 和r d o 所使用的对象模型，这就使得a d o 包含较少 的对象、更多的属性、方法及事件。它的主要优点是易于使用、速度快、内存 支出少，提供了对事件的支持，可以节省很多判断和转移控制语句，更符合 w i n d o w s 事件驱动编程的习惯，简化了编程工作。此外，a d 0 既支持c s 模式 的应用程序开发，又非常适合w 曲与数据库服务器端的集成，它可以在多种程 序设计语言中使用，包括s u a lb a s i c 和a c t i v es e r v e rp a g e s 等。因此，本系统 中c s 和b s 端的数据库开发接口均使用a d 0 。 典型的a d o 应用程序配置如图2 - 4 所示。c s 和b s 端的应用程序通过 o l e d b 技术，以统一的方式访问存储在不同信息源( s q l 的数据源可采用 o d b c ，文本文件或图形等可以采用o u d b 数据源) 中的数据，为应用程序提 供最佳的功能。各类数据进行通过统一的接口a p i 进行存取，但由于0 l e d b 第2 章 课题涉及的技术基础 不符合简单化的要求，因此a d 0 就成为连接应用程序和o l e d b 的应用程序编 程接口的桥梁。这也是数据存取的个主要发展方向。 图2 4