（机械电子工程专业论文）设备监控系统中若干问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 一；= = ；= = = = ；= = ；= ；目= = ；= = = # 摘要 在现代工业制造企业中，监控系统应用得越来越多。设备的网络化监控既可以提 高生产的安全性，又可以对管理层提供现场生产信息，从而实现整个企业的信息集成。 这对提高企业的生产效率，增强竞争力都有很大的作用。本文深入研究了设备的监控 系统，并提出了监控信息网络化的解决方案。k 本文首先从设备的s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ，数据采集与 监视控制) 系统构成入手，分析了系统的结构、特点以及存在的问题，并提出了相应的 解决方案。在详细介绍了混合机s c a d a 系统的网络结构后，分析了h m i 和p l c 、 p l c 和上位机的网络通信结构，并通过对f i x 3 2 组态软件中的i o 驱动器的配置，解 决了p l c 和上位机之间通过e t h e m e t 进行通信的问题。在分析了c s 和b s 模式结构 特点后，针对混合机监控系统存在的信息孤岛问题，分别提出了基于c s 和b s 模式 的监控信息网络化解决方案。通过比较c s 和b s 模式的各自优缺点，提出结合c s 和b s 模式对企业进行信息化建设的方案。 针对x y 运动实验平台的软硬件特点，提出了基于d c o m ( d i s t r i b u t e d c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ，分布式组件对象模型) 技术的监控系统设计方案，并深入分析了平台 网络远程监控基于d c o m 技术的功能结构。【在详细设计了构成应用系统的关键功能 组件后，完成了c s 模式下的x y 运动实验平台的网络化监控系统的设计。j 对目前我国制造企业普遍存在的监控信息孤岛的状况进行了分析，从网络集成和 数据库的集成等方面来解决监控信息孤岛的问题，并分析和研究了基于i n t r a n e t 的监 j 控信息集成平台，找到了解决监控信息集成的一些方法。从软件和硬件两个方面分析 了监控网络和i n t r a n e t 企业信息网的集成问题，并提出了应用c o r b a ( c o m m o no b j e c t r e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理结构) 技术来解决企业监控系统与其 、 他系统之间存在的数据库异构问题。4 关键词：监控系统j 网络化：d c o 嫩i n t m e i ，信息集成 华中科技大学硕士学位论文 = = 一一一：= = = = ；= = = = = = ；= = ；= = = = = a b s t r a c t n o w a d a y st h em o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mi s m o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nm o d e mm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s t h en e t w o r k e dm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e sc a nn o to n l yi m p r o v e t h es e c u r i t yo fm a n u f a c t u r e ，b u ta l s op r o v i d et h em a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nf o rm a n a g e r s ，s oa st o r e a l i z ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni nt h ew h o l ee n t e r p r i s e t h i sd o e sg r e a th e l pt oi m p r o v et h ep r o d u c i n g e f f i c i e n c ya n de n h a n c et h ec o m p e t e n c eo fa l le n t e r p r i s e b a s e do nt h es t u d yo fm o n i t o r i n gc o n t r o l s y s t e mo ff a c i l i t i e s ，1p r e s e n ts o m ep r o j e c tt or e s o l v et h en e t w o r k e da p p l i c a t i o no fm o n i t o r i n gc o n t r o l i n f o r m a t i o n f i r s t l y , ii n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o no fs c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ) a n d a n a l y z ei t sd e f i c i e n c y , t h e n i b r i n gf o r w a r ds o m em e t h o d t of e t c hu p ，n e x t ，t h en e t w o r k i n gc o n s t r u c t i o n i si n t r o d u c e di nt h es c a d a s y s t e mo fm i x e df a c i l i t i e sa n dt h en e t w o r k i n gc o n s t r u c t i o nb e t w e e np l c a n dh m i ，p l ca n di p ci sa n a l y z e dt o o t h e nt h em e t h o do f t h el a n e r sc o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t e db y c o n f i g u r i n gi od r i v e so ns o f t w a r ef i x 3 2 i sp r e s e n t e d a f t e rs t u d y i n gt h ec sa n db sm o d e l ，1w o r ko u t t h en e t w o r k e d a p p l i c a t i o n o fm o n i t o r i n gc o n t r o li n f o r m a t i o nb a s e dc sa n db sm o d e lf o rt h e m o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m o f m i x i n g f a c i l i t i e s b yc o m p a r i n g t h er e l a t i v e m e r i t so f c s a n d b s m o d e l ，i s u m m a r i z et h e i ra p p l i c a t i o ni nd i f f e r e n ts i d e so f t h ee n t e r p r i s e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw i t h2 - a x i s ( x y ) m o t i o n ，ip u tf o r w a r da d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) - b a s e dp r o j e c to f m o n i t o r i n g c o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r e f u n c t i o ns t r u c t u r eo ft h en e t w o r k e dm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mi s a n a l y z e d w i t h i t s k e ys o f t w a r e c o m p o n e n t sb e i n gd e p i c t e di nd e t a i l ，t h en e t w o r k e dm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e dc s m o d e li s u l t i m a t e l yd e v e l o p e d i no r d e rt or e s o l v et h ei s o l a t e di s l a n do fi n f o r m a t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ，n e t w o r k i n t e g r a t i o na n dd a t a b a s ei n t e g r a t i o na r en e c e s s a r y w i t hr e s e a r c ho a t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o np l a t f o r m b a s e do ai n t r a n e t ，i g e ts o m em e t h o d st or e s o l v et h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n a f t e rr e s o l v i n gt h e p r o b l e m so f n e t w o r ki n t e g r a t i o nb e t w e e nc o n t r o ln e t w o r ka n di n t r a n e tf r o ms o f t w a r et oh a r d w a r eim a k e u s eo f c o r b at os e r l et h ei s o m e r i z a t i o ni nd i 艉r e n td a t a b a s e k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m n e t w o r k e dd c o mi n t r a n e t i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n 1 】 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本学位论文来自如下科研项目： f 1 ) 华中科技大学和三江集团某化工厂共同承担的大型混合机网络化监控系统 f 2 ) 华中科技大学实验教学基地建设项目“网络化制造实验体系和教学设施建设”。 1 1 2 课题的提出及研究内容 随着工业自动化的发展，数控机床、步进电机、伺服电机、嵌入式设备等越来 越多地应用到生产中，生产过程自动化程度越来越高。功能越来越强大的p l c 为这 一发展提供了革命性的动力。某些企业由于生产过程的特殊性，生产现场要求实现无 人值守这就需要通过网络对生产过程进行控制和监视。如今网络化分散控制的趋势 加强了各系统部件之间的通讯需求，从而带来了工业网络的迅速发展。由于工业局域 网系统是专有而封闭的，同时工业网络和信息网络存在协议上的鸿沟，工业领域中信 息孤岛的状况并没有得到根本的改善。新的信息技术( h ) 和通讯技术的发展为解决 这种状况提供了可能。工业以太网技术的飞速发展，使得越来越多的企业应用该技术 进行企业网络化改造，并采用基于t c p i p 的通讯、w e b 模式的网络应用和面向对象 的编程等方法来解决工业领域中存在的信息孤岛f j j 。运用这些基本方法对监控系统的 网络化功能进行改造，使监控系统适合各个工厂( 公司) 的实际情况，充分进行信息 共享，并与m e s ( 制造执行系统) 和e r p ( 企业资源计划) 等集成起来，是现代监控系 统中需要研究的问题。具体的研究内容主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 从s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集与监视控制) 系统的构成与功能入手，对s c a d a 系统在应用中存在的一些问题进行了分析，并提 出了相应的解决方案。 f 2 ) 分析了混合机s c a d a 系统的网络结构，对s c a d a 系统中p l c 与上位机采 用的网络通信方式、网络协议等进行了分析，解决了在f i x 3 2 组态软件中如何通过对 驱动程序的配置来实现p l c 和上位机之间通过以太网进行通信的问题。并研究了在 不同的环境下监控信息共享的方法。主要是基于t c p i p 协议的c s ( c l i e n t s e r v e r ， 客户服务器) 模式的网络化信息共享和基于h t t p 协议的b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏 览器，服务器) 模式的w e b 信息共享。 ( 3 ) 在w i n d o w s 环境下，运用d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ， 1 华中科技大学硕士学位论文 分布式组件对象模型) 技术对监控系统进行网络化改造，使得该系统可以通过网络来 进行监控。 ( 4 ) 在i n t r a n e t 集成平台下，研究了监控信息与其他信息之间的集成问题，主要 解决了监控网络与信息网络的集成以及异构数据库之间的集成问题。 通过对以上问题的研究，解决了工业自动化中存在的信息孤岛问题，并成功的完 成了控制系统网络化改造。 1 1 3 课题的研究目的和意义 本课题研究的主要目的与意义在于：为工业生产企业生产过程网络化监控系统的 应用提供基本的设计方法与具体实现技术，并实现监控信息在企业内部的共享与集 成，从而推动工业企业向着网络化、信息化和集成化的方向发展，提高企业的生产效 率和管理水平，使得企业能够及时适应市场的变化，提高企业在同行业中的竞争能力。 1 2 文献综述 1 2 1 监控系统的发展 大型设备监控系统的发展是随着控制系统的发展而发展的【2 】。在应用计算机控制 之前，对设备的监视是采用常规仪表来完成的。在此阶段，出现了气动、电动系列的 单元组合式仪表，可以把生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往监控室。这样 操作人员可以在监控室了解生产过程中各种参数的变化情况，及时了解设备的运行状 态。【3 怕是由于模拟信号的传送需要一对一的物理连接，而且模拟信号输出变化不够 灵敏，要提高计算速度和精度所需的开销大，信号传输过程中的抗干扰能力也差。因 此，人们开始寻求用数字信号来取代模拟信号，于是研究出了直接的数字控制方式。 然而由于当时的数字计算机技术还不发达且价格昂贵，人们企图用一台计算机来取代 监控室里的所有的仪表，于是就出现了集中式数字控制系统。但是由于当时的计算机 的可靠性较差，计算机一旦出现故障，就会造成所有的控制回路瘫痪、生产停产的严 重局面，这种可靠性不高的集中式控制系统结构很难满足生产过程的需求。由于大型 设备运行时对安全性、可靠性要求很高，用单一的计算机控制无法满足对控制的要求。 随着计算机可靠性的提高和性价比的大幅提高，出现了数字调节器和可编程控制器， 使得采用通用计算机的s c a d a 系统成为可能。s c a d a 系统将先进的计算机技术、 工业控制技术、显示技术、通讯技术紧密的结合在一起，并采用先进的计算机网络体 系结构，利用先进的网络设备和网络互联技术设计而成。s c a d a 系统可以方便的用 于工业设备的生产控制和管理。在华中科技大学和三江集团某化工厂共同承担的大型 华中科技大学硕士学位论文 混合机网络化监控系统的项目中就是采用s c a d a 系统实现对大型混合设备生产过程 的监控。 1 2 2 设备远程通信以及网络化集成应用的发展 近年来，随着全球市场一体化的形成，市场竞争进一步加剧。而在另一方面，现 代科学技术如微电子技术、计算机技术、计算机网络通信技术、软件工程、检测与传 感技术以及先进的企业组织管理方法等正得到不断的发展，各先进工业国正追切地希 望将上述先进的技术与理念应用于制造企业中生产加工、组织管理及市场营销各个层 次，从而进一步提高企业的综合竞争能力和企业对市场的快速响应性【4 ，5 ，6 j 。从9 0 年代 以来，各种先进制造模式与理念，包括：计算机集成制造( c i m s ) 、精良生产( l e a n p r o d u c t i o n ) 、智能制造( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、网络化制造( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ) 等相继被 提出，它们都是从系统性与整体性的角度对先进制造企业的运行过程进行描述，为企 业实现技术改造和实施先进的生产组织管理模式提供了理论与技术基础【7 ，8 j 。 目前，国内各类制造企业也在纷纷地根据自身条件进行企业从生产制造到组织管 理各个层面的技术改造，逐步实现先进的生产组织管理与制造模式。这个过程中的关 键技术就是通过综合应用计算机数据通信以及网络技术，将企业领导层、各管理职能 部门以及生产现场设备系统的计算机系统连接起来，以实现经营决策、生产调度、故 障诊断、物资管理、统计分析、财务管理等过程中的网络资源共享，进而实现无纸办 公【7 8 】。对于生产型企业，企业中最重要的数据之一就是现场生产设备的生产状态数据， 因此，企业实现先进的生产制造模式，首先需要实现生产现场设备的远程数据通信及 网络化应用。 在现场设备远程数据通信及网络化具体技术路径方面，由于目前各制造企业的产 品生产类型、企业布局、基础通信条件各异，而且设备实现远程数据通信与网络化的 目的也各不相同，因此造成了对设备实现网络化与远程通信的技术与方法的多样性。 目前对设备系统实现远距离通信所采用的方法一般包含三种类型。一种是采用成熟通 用的计算机网络技术，比如工业以太网、m b + ( m o d b u sp l u s ) 等计算机局域网技术 与标准化的t c p i p 、m o d b u s 等网络传输控制协议。采用这种方法实现生产设备的网 络化，无论是硬件配置还是软件开发都比较方便【9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。特别是随着计算机网络技 术的高速发展，其性能价格比逐渐改善，基于其上的各种网络应用也变得越来越丰富， 越来越标准化和普及化。采用计算机网络技术实现生产设备的网络化并进一步实现整 个企业的信息集成已经是大势所趋【1 4 ” l “。第二种方法就是应用目前在工业领域中应 华中科技大学硕士学位论文 用较为广泛的各种现场总线技术，它是计算机网络技术在工业控制领域的一种特殊应 用形式，一般适合于设备间通信具有严格时间确定性的场合。另外，现场总线协议定 义了适合于工业现场控制应用的应用层与用户层协议。但由于目前的现场总线协议多 种多样，无法形成统一标准的现场总线协议，因此阻碍了它的推广与应用1 8 】。第三 种就是应用串行总线r s 2 3 2 通过电话模拟通信链路实现远程数据传输，或者应用 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等一些标准化的串行总线根据自定义数据传输控制协议实现设备的 远距离通信。 在软件模块交互与系统集成方面，面向对象技术，特别是面向对象的分布式软件 技术得到了快速发展与广泛应用，目前许多制造企业都开始将面向对象的分布式计算 技术应用于企业集成应用系统中。当前应用最广泛的两种分布式计算技术是微软的 d c o m 与国际对象管理组织的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s t b r o k e ra r c h i t e c t u r e ， 公共对象请求代理结构) 技术。d c o m 与c o r b a 技术作为分布式计算的中间构件， 主要用于处理网络集成应用过程中与底层协议相关的网络定位、传输数据格式转换、 异种协议处理、异种平台转换以及异种编程语言转换等复杂的细节问题，并通过面向 对象的编程思想与客户i l l 务器计算模式为用户提供一个抽象的、通用的网络编程规范 1 1 9 ，2 0 , 2 1 】。 d c o m 是c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 在分布式计算环境下 的自然延续，其技术基础即为c o m 技术和r g c ( r e m o t ep r o c e s sc a l l ，远程过程调 用) 技术。c o m 是微软提出的组件软件方案，它是关于如何建立组件对象以及如何 通过组件对象建立应用程序的一个规范。c o m 组件对象是可以被动态加载并且封装 性良好的一个二进制的功能软件实体【2 2 1 。r p c 标准是在开放软件基金会d c e ( d i s t r i b u t e dc o m p u t ee n v i r o n m e n t ，分布式计算环境) 规范中定义的，它使得不同机 器上的进程可以使用各种网络传输技术进行远程函数调用。r p c 使得c o m 组件成为 一个可以在网络环境下被调用的分布组件1 2 “j 。 1 2 3 基于i n t r a n e t 的监控信息集成 随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，从中派生出的i n t r a n e t ( 企业网) 技术变得越来越 成熟，在工业生产企业中应用得越来越广泛【2 ”。先进的生产模式的不断应用和企业国 际间竞争的程度越来越激烈，信息集成的地位变得越来越重要，可以说信息就是企业 的生命。在这种环境下，基于i n t r a n e t 的信息集成技术得到了很大的发展。监控信息 集成主要就是要实现各个生产车间之间的监控网络集成、数据库集成以及各个应用软 件之间的公共接口 2 6 】。由于车间的监控网络往往是独立的，这样就形成了一个个的信 华中科技大学硕士学位论文 息孤岛，实现监制网络和信息网络的集成，是解决信息孤岛的有力保障。目前它们之 间的集成主要有软件技术集成和硬件技术集成。软件集成主要是利用d d e ( d y n a m i c d a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 、w i n s o c k 、o d b c 等技术实现不n 网络之间的数据交 换与传输。硬件主要是通过协议转换，如异构网之间通过网关相连，以解决协议鸿沟 的问题。随着c o r b a 技术的发展，异构数据库集成变得相对容易。通过中间件将异 构数据库数据类型转换为统一的模式，利用a g e n t 间的互操作机制实现各a g e n t 异构 数据库间的集成等技术应用的较为广泛1 2 7 ”】。 1 3 本论文主要的研究工作 本论文在介绍了网络化监控系统结构的基础上，主要讨论监控系统的监控信息如 何克服信息孤岛而被外界所共享及控制系统的网络化集成和信息管理等几个方面的 问题。全文共有六章，内容大致如下： 第一章绪论。介绍了课题的来源、课题的提出和研究内容、课题研究的目的和 意义等，并介绍了网络化监控系统的发展、设备远程通信及网络化集成应用发展和基 于i n t r a n e t 的监控信息集成应用概况。 第二章设备监控系统与监控信息网络化应用实现方案。介绍了s c a d a 系统的 构成及功能。在分析了该系统在应用中存在的问题之后，提出了相应的解决方案。 第三章混合机监控系统网络结构与监控信息网络化解决方案。在介绍混合机监 控系统的网络结构的基础上，讨论了在不同的应用环境下实现监控信息网络化共享的 实现方案。主要是基于c s 和b s 模式的网络化设计。 第四章基于d c o m 的x y 运动控制平台监控系统。运用微软公司的d c o m 技 术，对现有的控制系统进行改造，使得该系统的控制设备可以通过网络进行监控。 第五章基于i n t r a n e t 的监控信息集成。在网络化生产过程中，实现监控信息与其 他信息系统的集成。 第六章全文总结与展望。全文总结和对今后研究工作的展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 设备监控系统与监控信息网络化应用实现方案 2 1 引言 由于生产现场环境的特殊性，有些设备必须采用远程监控的方法。随着现代控 制技术和计算机技术的发展，制造企业实现设备的远程监控成为可能。目前s c a d a 系统在工业监控系统中应用得较为广泛，在三江集团某化工厂的大型混合机监控系统 就是采用这种系统结构，下面就对s c a d a 系统进行分析。 2 2s c a d a 系统的组成与功能 s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程和事物管理自动化最有效的计算机软 硬件系统之一。该系统一般由r t u ( 远程终端) 、通讯网络、主控站和h m i ( 人机接 口) 组成。其中主控站通过各种电缆或微波网络与r t u 相连，操作人员通过与主控 站设备相联的h m i 来观察和控制整个s c a d a 系统【2 9 】。在下一章将对该系统的网络 结构进行具体的分析。s c a d a 系统主要具有以下一些功能： f 1 ) 从下位机( 如p l c ) 中实时采集设备的各种状态参数和发送控制信息。 ( 2 ) 采用图形、图像、动画、声音等各种方式来表示设备运行状态参数并有效的 处理设备的报警。 ( 3 ) 生成历史数据并实现历史数据的查询与趋势分析。 ( 4 ) 具有自动生成报表的功能。 由于s c a d a 系统功能比较强大，已经广泛的应用电力、给水、石油、化工等领 域，并取得了良好的效果。 目前市场上应用较多的s c a d a 系统上位机的组态软件有w o n d w a r e 的i n t o u c h 、 西门子公司的w i n c c 、美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 、国内亚控公司的组态王等。 2 3s c a d a 系统的缺陷 s c a d a 系统因其功能强大，正广泛的应用到中小规模的监控系统中，但也存在 以下的一些缺陷： ( 1 ) s c a d a 的通讯网络是专用的，如m b + 网和各种现场总线，与企业信息网络 存在协议上的鸿沟，相互之间不能进行信息交流，容易造成信息孤岛。 ( 2 ) 构建s c a d a 系统的费用和用于上位机的组态软件的价格都较高，对于小型 监控系统来说，有许多功能用不上，容易造成资源的浪费。 ( 3 ) 组态软件的核心一实时数据库不具有网络功能，现场实时数据不能被外界所 用。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 2 自= = 目目 g = ；l ；= = = = = ；= = = = = = = # ；= # 现针对上面的问题，提出了一些相应的解决方案。 2 4c s 和b s 模式在监控信息网络化中的应用 组态软件的实时数据库虽然不具有网络功能，但是一般都支持d d e ，而一些编 程软件也支持d d e ，如微软的v b 。应用这一联系，可以用v b 开发一个基于c s 模式的应用程序，实现监控数据的网络传输。其中服务端程序装在上位机上，通过 d d e 从组态软件的实时数据库获得监控数据，然后通过网络传输到发出数据请求的 客户端。 图2 1c s 模式下的监控信息网络化软件功能结构 有些组态软件如f i x 提供有实时数据库和一些常用的数据库之间的编程接口，通 过编程建立实时数据库和一般数据库之间的连接，再利用一般数据库如微软的s q l s e r v e r 的强大的网络功能，向外界提供监控数据。这样就可以采用b s 模式来进行 w e b 的信息共享。b s 模式的监控信息网络化应用结构如图2 2 所示，其中把上位机 作为数据库服务器，用一个专用服务器作w e b 服务器较好。这样把上位机和w 曲服 务器连入企业局域网中，在企业的任何地方都可以通过浏览器来查看生产现场的各种 数据。 浏览器 w e b 服务器数据库服务器 显 请求 事务 请捉 数据 一 处理 处理 趣 刀 逻逻辑逻辑 辑 响应响应 图2 2b s 模式系统结构图 华中科技大学硕士学位论文 2 5d c o m 技术在设备监控系统中的应用 s c a d a 系统的构建，从硬件到软件费用都是很昂贵的，而且对于不同的监控系 统，即使差别很小在软件上也很难重用，这就造成了大量的财力和人力的浪费。因此， 应用一些开发工具针对设备的特点开发一套监控系统既经济又实用口。如果采用微软 颁布的d c o m 技术规范就可以实现这种效果。基于c o m ，d c o m 基础上的通信完全 不用考虑各个监控系统之闻和不同应用程序之间的通信协议的差异，可以直接进行通 信以实现资源共享，避免重复开发和投资。而且对于监控系统的用户或操作人员来说， 他们可以充分利用c o m d c o m 规范来独立开发不同的应用组件，并可以选用不同的 操作系统和自己熟悉的编程语言来进行开发，然后在服务器或主机中调用即可。此外 还可以把不同开发者开发的组件通过简单编程组合在一起，以便生产更大的应用程序 来进行应用p ”。基于c o m d o c m 的监控系统软件结构如图2 3 所示。 图2 3 基于c o m d c o m 的监控系统软件结构图 2 6i n t r a n e t 技术在监控信息集成中的应用 i n t r a n e t 和i n t e r n e t 既有联系又有区别，i n t r a n e t 可以连入i n t e m e t 成为其中的一部 分，又可以独立组网，自成体系。i n t r a n e t 也是基于w w w 技术的，既具有协议和标 准的公开性，又可以跨平台组建。w w w 的基本模式就是b s 的组合，可以实现信息 双向的流动。随着j a 、，a 技术的发展，w w w 技术进入了一个可以提供动态、交互式 的信息服务的崭新阶段。目前i n t r a n e t 技术正朝着一个统一的分布式计算环境，支持 信息集成平台以及建立于平台之上的集成应用系统的方向发展。s c a d a 系统和其他 的监控系统一样，在监控网络和企业i n t r a n e t 网络之间存在协议上的鸿沟。相互之间 不能直接进行通信。通过采用d d e 、s o c k e t 、数据库等技术进行软件编程或通过特定 的网关进行协议转换就可以使得监控网络连入i n t r a n e t ，从而实现监控信息的集成。 因为i n t r a n e t 是来自于成熟的i n t e m e t 技术，作为企业内部信息集成平台具有如下 华中科技大学硕士学位论文 的些优势： ( 1 ) 开放性。对内，i n t r a n e t 可将企业内部各自封闭的l a n 信息孤岛联成一体，实现 企业级的信息交流和资源共享；对外，可方便地接入i n t e m e t ，使企业内部网成为全球信 息网的成员，实现世界级信息交流。 ( 2 ) 通用性。i n t r a n e t 可以方便的利用图、文、声、像等各类信息，实现企业内、外 部的事务处理、行政办公、经营销售和信息发布等企业所需的各种业务管理和信息交 换。 ( 3 ) 简易性。i n t r a n e t 采用了诸如t c p i p ，h t m l ，w w w 等一系列标准的协议、 技术，以及统一的用户界面，致使系统可增量式地构造和扩展，低成本地开发和运营，操 作简单、培训容易、维护更新方便。 2 7 本章小结 本章在分析了s c a d a 系统的基本结构和功能的基础上，指出了s c a d a 系统在 设备监控系统应用中存在的一些问题，并提出了解决这些问题的系统构建模式和软件 功能结构。主要研究的内容与取得的成果如下： ( 1 ) 对s c a d a 系统的结构和组成进行了研究，并分析了系统存在的缺陷。 ( 2 ) 研究了c s 和b s 模式下的监控信息网络化的软件结构。 ( 3 ) 在分析了d c o m 技术的基础上，对基于d c o m 的设备监控系统的实现结构 进行了研究。 ( 4 ) 分析了i n t r a n e t 作为监控信息集成平台的优势，并提出了解决监控网络与 i n t r a n e t 之间存在协议鸿沟的一些方法。 9 华中科技大学硕士学位论文 3 混合机监控系统网络结构与监控信息网络化解决方案 3 1 混合机监控系统的构成 在三江集团江河化工厂的混合机监控系统设计中采用了s c a d a 系统结构，取得 了良好的效果。现对该系统具体的通讯网络结构进行分析。 系统的网络结构如图3 1 所示，以p l c 为控制核心，通过m b + 网和远程i o 链路 进行联接构成p l c 控制网络。整个p l c 控制网络系统包括主备p l c 、控制室r i o ( 远 程1 0 ) 分站、现场r i o 分站等组成。为了提高系统的可靠性，p l c 采用双机热备，一 旦主p l c 发生故障系统自动切换到备p l c 。由于系统的不同层实现的功能和承担的 任务性质不一样，因而对通信的要求也不一样，整个系统采用多层网络结构。在控制 层传输的主要是一些过程数据和实时性要求较高的控制命令，因而在p l c 和h m i 之 间采用m b + 网，p l c 、控制室r 1 0 分站和现场r i o 分站采用远程i 0 链路通信；p l c 和上位机之间采用以太网。上位机装有f i x 组态软件，负责对整个的生产过程进行监 视，h m i 负责向p l c 发送控制信息。对重要的生产设备装有摄像头进行监视，并将 现场图像数据传输到监控室的监视计算机上。该计算机上的视频监视软件对各个摄像 头拍摄的录像进行现场直播并进行存盘。如发生生产事故，对事故进行分析时这些图 像资料将具有十分重要的参考价值。摄像头带有镜头变焦控制装置和云台，在该计算 机上通过对镜头的推拉和云台的运动进行操作，可以清晰的看到现场的情况。 作为上位机的工控机上装有f i x 组态软件，利用该软件开发出的监控系统主要由 如下几个部分组成：加料系统、水系统、锅升降系统、液压系统、主机系统、气动系 统、参数显示、历史数据曲线等部分。各个部分分别对相应生产过程进行监视，如发 生意外，可以报警。f i x 组态软件还可以对生产过程中的历史数据进行存储，并以历 史数据曲线的形式显示出来，非常直观地显示了系统运行过程中各个参数的变化，可 以帮助我们分析过程趋势、归档过程数据、监控生产效率、维护设备和分析过去的过 程数据。 实时数据库是f i x 监控软件的核心，但是该数据库只能在装有f i x 组态软件的 上位机上运用，不能为外界所用。为了摆脱这种监控信息的孤岛状况，现利用f i x 支 持实时o d b cs q l 数据库的功能，在实时数据库和微软的s q ls e r v e r 数据库之间 作一个接口，使得实时数据库的数据为s q ls e r v e r 数据库所有。由于s q ls e r v e r 数据库具有强大的网络功能，这样监控信息就可以通过网络为外界所共享。该系统采 用b s 模式，把上位机同时作为w e b 服务器，把显示各种监控信息的画面做成网页 的形势直接放到服务器上，并对该网页进行每一段时间的自动更新设置，这样通过浏 华中科技大学硕士学位论文 览器看到的就是在实时信息的基础上有一定延时的监控信息【3 2 3 3 1 。 3 2 系统数据通信的实现 图3 1 系统结构网络图 3 2 1 系统通信网络结构 s c a d a 系统上位机与p l c 、h m i 和p l c 之间的正常通信是整个监控系统的关 键。p l c 和h m i 通过m o d b u sp l u s 总线互联、p l c 和上位机通过以太网互联构成局 域网络，他们的通信网络结构分别见图3 _ 2 和3 3 。该系统选用的p l c 为m o d i c o n 公司 的产品，它支持m o d b u sp l u s 和以太网的通信。p l c 通过m o d i c o n 公司的m o d i c o n q u a n t u m e t h e m e t t c p i p 模块连入以太网。上位机作为网络中的一个节点，通过以太 网网卡连入网络，可以方便的与网络上的其他节点交换信息和数据。 m o d b u sp l u s 是一种在工业控制中应用非常广泛的局域网系统，由美国m o d i c o n 公司研究并开发。通过m o d b u sp l u s ，不仅可以将m o d i c o n 公司生产的可编程控制器， 网络转接卡，分布式i o 模块等设备连接起来，进行相互通讯，而且还可以连接许多 其他厂家的相关产品。此外，m o d i c o n 公司提供的不同的网桥可以用来将多个m o d b u s p l u s 网络进行互连，或将m o d b u sp l u s 与其他的网络，如：e t h e m e t 连接起来，从而 华中科技大学硕士学位论文 使得m o d b u sp i u s 网络的扩展性能和工业控制的能力大大增强。 h m i m 。d b u sp l u s 工 jl 1r p l c 图3 2p l c 和h m i 通信结构图 图3 3p l c 和上位机通信结构图 在实际应用中，可以使用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 4 2 2 、m o d e m 加电话线、甚至t c p i p 来联网。所以，m o d b u s 的传输介质种类较多，可以根据传输距离来选择。 采用带冲突检测的载波监听多路访n ( c s m a c d ) 技术的以太网是近2 0 年来最为 成功的局域网技术。1 9 7 8 年数字设备公司( d e c ) 和英特尔公( i n t e l ) 联合施乐公司 ( x e r o x ) 定义了1 0 m b p s 以太网标准，这个标准后来成为i e e e 标准8 0 2 3 的基础。8 0 2 3 额外定义了更广泛的以太网能在其上运行的物理介质集合，并扩展到包括1 0 0 m b p s 的快速以太网和1 0 0 0 m b p s 的吉比特以太网的版本上。 华中科技大学硕士学位论文 图3 4 m b e 驱动器配置图 将以太网应用到工业自动化领域的目的是形成一个真正的开放式协议，真正实现 不同厂家的以太网产品的互连。但正如现场总线标准制定过程中出现的情况一样，不 同厂家制定了不同的工业以太网应用标准，这些标准的底层都是一样的，由于应用层 的不同而不一致。这就说明连接到同一个厂房以太网的不同设备可以物理上共存而不 能实现互操作，这不利于实现开放式解决方案的多选化。所以，目前不同厂家的以太 网产品还不能实现互连。为了在不同的以太网设备中实现互操作，公共的应用层是必 不可少的。当前多个组织正在为工业自动化领域的t c 驯口定义公共的应用层协议。 3 2 2 计算机与p l c 之间的通信实现 近年来，p l c 及其网络发展迅速，在工业控制领域用的越来越广泛。本系统选用 的p l c 为m o d i c o n 公司的产品，它支持m o d b u sp l u s 和以太网的通信。p l c 通过 m o d i c o n 公司的m o d i c o n q u a n t u m e t h e m e t t c p i p 模块连入以太网。在组态软件f i x 3 2 华中科技大学硕士学位论文 中实现与p l c 之间的通信，可以根据p l c 的型号和网络类型来选用不同的驱动器创 建驱动器映象表来完成，在本系统中选用m b e ( m o d b u se t h e m e o 驱动器。这种m b e i o 驱动器提供了f i x 3 2 组态软件和p l c 之间的软件接口和通信协议。 图3 5 通道的通信设置 驱动器映象表的生成是通过对m b e 驱动器进行配置来完成的。m b e 驱动器配置 表中定义了通道、设备、起始地址等一些参数。通过配置这些参数使得p l c 和上位 图3 6i p 地址和主机名映射文件 机上的组态软件f i x 3 2 建立起数据传输的通道。具体的m b e 驱动器配置见图3 4 所 示。在对m b e 驱动器进行配置时，首先要对通道进行设置。通道的设置见图3 5 所 示。所谓的通道就是i o 驱动器和现场设备、系统之间的逻辑通道。该通道的设置主 要是对上位机的i p 地址进行设置。如上位机的i p 为1 9 2 1 6 8 0 1 6 8 ，则在h o s ti p 地 址栏填入相应的i p 地址即可。对设备进行配置时，要配置设备名和设备的i p 地址及 端口号。本系统中的设备就是指p