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远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 中文摘要 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 中文摘要 机电设备的网络接入技术是远程机电控制得以实现的关键技术。本文首先对基于 网络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。研究了远程控制系统的总体结构和系统实现的关键技术。在此 基础上，对现有远程机电控制系统的网络接入进行了深入分析，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。规划了基于网络的 远程控制系统的组成，将接1 2 1 单元划分为数据处理模块和网络接入模块两个模块进行 设计，并阐述了这两个功能模块的作用，网络接入模块采用了以太网的接入方式。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r t l 8 0 1 9 作为网络控制器。 结合相关的芯片技术，针对以太网的接入方式进行了硬件电路设计，对t c p i p 协议 在d s p 中的软件实现进行了详细的研究。 关键词：机电一体化；机电控制：网络接入； 作者：王进华 指导教师：王传洋 英文摘要远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so fi n t e r n e t a c c e s st e c h n o l o g yi nr m c s a bs t r a c t h o wt ol i n kt h em e c h a t r o n i ce q u i p m e n t st oi n t e r n e ti st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e r e m o t ec o n t r o ls y s t e m f i r s t ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f t h er m c sb a s e do ni n t e r n e t ，a n ds t u d i e st h er e s e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o n sa n dp r o b l e m so f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l o nt h i sf o u n d a t i o n ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m c sa n dp r o g r a m st h ec o m p o s i n go ft h es y s t e m a f t e rt h a t ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h e c o m m u n i c a t i o nm e t h o d so ft h er e m o t ec o n t r o l l e rv i an e t w o r k 硒es y s t e mi n c l u d e st w o m o d u l e s ：d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n di n t e m e ta c c e s sm o d u l e t h ei n t e r n e ta c c e s sm o d u l e o ft h ec o n t r o ls y s t e mi st h ei n t e r f a c e sc o n n e c t i n gc o n t r o l l e rw i t he t h e r n e t t 1 1 i st h e s i sa l s o s t u d i e st h ek e yp r o b l e m so ft h er m c s t h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2i su s e da sm i c r o p r o c e s s o r ( m p u ) a n dt h er t l 8 0 1 9i su s e da sn e t w o r kc o n t r o l l e ri nt h er m c s t h e nt h ep a p e r d i s c u s s e dt h ek e yt e c h n o l o g yd u r i n gd e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h er e s o l u t i o n s i na d d i t i o n ， w er e s e a r c h e dt h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n t e r n e t ，i n c l u d i n gt h ep r o t o c o l sa n dt h e m o d e so ft h er e m o t ec o n t r o l ，a n dd i s c u s s e dt h ek e yf a c t o r so ft h er e m o t ec o n t r o lv i a n e t w o r k f i n a l l y , t h i st h e s i su s e st h ed s k a n dc c s ，t a k i n gt h et r a n s p o r t a t i o nl i g h ta st h e e x a m p l er e a l i z e st h ea p p l i e dl a y e rp r o t o c o lo ft h er m c s b a s e do ni n t e l l i g e n c en e t w o r k i n t e r f a c eu n i t k e yw o r d s ：m e c h a t r o n i c s ；m e c h a n i c a l - e l e c t r i c a lc o n t r o l ；i n t e r n e ta c c e s s w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： w a n gj i n h u a w a n gc h u a n y a n g 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 第一章绪论 第一章绪论帚一早三百下匕 随着电子技术特别是微电子技术及超大规模基础电路的发展，机电一体化技术日 渐成熟，并广泛应用到各种工业和生产过程，对控制效果的要求越来愈高。许多工业 对象或生产过程常常具有非线性、时变性、多结构、多层次、多因素及各种不确定性 等，难以建立精确的数学模型，即使对一些复杂对象导出数学模型，但过于复杂，既 不利于设计，也难于实现有效控制。而智能控制的不断出现和发展，为解决这些问题 提供了有效的方法。越来越多的智能控制方法在机电一体化系统中得到应用，智能控 制在机电一体化中的研究也日益受到重视，从智能机器人到手持终端的智能化，无不 体现出对智能控制的重视。 1 1 机电一体化 机电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 一词，是机械学“m e c h a n i c s 与电子学“e l e c t r o n i c s 结合而成的，字面意思为机械电子学，在我国则成为机电一体化。 9 0 年代机电一体化技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo i lm e c h a t r o n i c s ) 给出的定 义是：机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的 协同结合。1 9 9 6 年国际电气电子工程协会( i e e e ) 与美国机械工程师学会( a s m e ) 在机电一体化学报( i e e e a s m et r a n s a c t i o n so nm e c h a t r o n i c s ) 中将机电一体化定 义为：在工业产品和过程的设计和制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同 集成。 机电一体化是多种技术融合的产物。它是在信息论、控制论和系统论的基础上， 在计算机、传感器和软件技术三者的支持下发展起来的。实际上，机电一体化技术已 经不仅仅局限于机械与电子技术的有机结合，而是融合检测传感技术、信息处理技术、 自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技 术于一体的交叉学科与综合技术。其中，信息处理技术是机电一体化技术中必不可少 的部分，以微电子技术和计算机技术为龙头的信息处理技术是机电一体化产品具有自 动化、数字化和智能化的关键技术所在。 第一章绪论 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 1 1 1 机电一体化发展 机电一体化技术的发展历程，大体上可以分为三个阶段【2 】： 2 0 世纪6 0 年代以前为第一阶段，称为“萌芽阶段”。在这一时期，人们自觉或 不自觉的利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在二次世界大战期 间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，出现了许多性能相当优良的军事用途的 机电产品。这些机电结合的军事用途的技术，在战后转为民用，对战后经济的恢复和 技术的进步起到了积极的作用。 7 0 年代到8 0 年代为第二阶段。称为“蓬勃发展阶段。这一时期，人们自觉地、 主动地利用前人留下的巨大成果创造新的集体一体化产品。在这一阶段，日本在推动 机电一体化技术的发展方面起了主导作用。日本政府与1 9 7 1 年3 月颁布了特定电 子工业和特定机械工业振兴临时措施法，要求企业界“应特别注意促进机械配备电 子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能 。这时日 本政府在机械产品中贯彻“精益求精”思想的檄文。显然，这里有商业意图。但是， 日本的企业界为了生存，竭尽全力实施了政府的这一法规。经过短短的几年努力，出 现了日本经济奇迹。这是大家都知道的事实。因此，“机电一体化”由日本创造也就 不足为奇了。 从9 0 年代后期开始为第三阶段，称为“智能化阶段”，机电一体化技术向智能化 新阶段迈进。由于人工智能技术及网络技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技 术开辟了发展的广阔天地。大量的智能化机电产品不断涌现。“模糊控制 技术已相 当普遍，甚至还出现“混沌控制 的产品，可以说，机电一体化技术将以智能化为内 核在2 1 世纪大放异彩。 1 1 2 机电一体化构成 典型的机电一体化系统见图1 1 ，由两大部分组成，即控制器和受控对象。受控 对象包括机械本体、检测元件与执行元件。控制器则由认知、信息处理和规划与控制 三部分构成： 2 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用第一章绪论 图1 - 1 典型的机电一体化系统构成 ( 1 ) 机械本体 机电一体化产品中一定有运动机械，包括传动机构和运动机械本体，采用电子技 术使运动机械实现柔性化和智能化，实现在重载条件下的微小运动和复杂运动是机电 一体化追求的目标。对机械本体的要求是：尽量采用新材料、复合材料以代替传统的 钢铁；尽量做到小型化、轻量化。要提高刚性，实现组合化、标准化和系列化。努力 提高系统的可靠性。 ( 2 ) 驱动部分 驱动部分根据信息处理部分的指令，驱动运动机械动作完成规定的机械运动。有 气动、电动和液压等不动驱动方式。 ( 3 ) 检测部分 检测部分主要功能是检测运动机械或其它需要监测的物理量，并将信息送回给信 息处理和控制部分，作为发送控制信息的依据。 ( 4 ) 信息处理与控制部分 信息处理与控制部分是进行信息处理与控制的核心，其中软件和硬件的功能对系 统的功能具有重要影响。因为在机电一体化系统中计算机进行信息处理与控制的目标 是机械运动，所以，也称为运动控制计算机。它将传感检测的信号，根据算法，对数 据和信息进行存储、变换等处理；再通过接口向执行机构发出执行指令，以完成制动 动作。 ( 5 ) 能源部分 能源部分负责为系统提供能量，实现动力功能，包括电动，气动以及液压等。 3 第一章绪论远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 1 1 3 机电一体化核心技术 机电一体化技术是多种技术的融合，其核心技术主要包括以下五个方面 4 1 1 5 1 ： ( 1 ) 计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的转换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具 主要是计算机特别是单片机技术及工业控制计算机。它不仅仅指计算机的软件技术和 硬件技术，还包括网络和通信技术，数据技术等，其中近年来蓬勃发展的现场总线技 术( f i e l db u st e c h n o l o g y ) ，不仅是一种技术，更重要的是一种思想。它不仅对过程 控制系统有重要意义，而且在单体装备上的应用也取得很大的成功。 ( 2 ) 自动控制技术 自动控制技术是近年来最活跃的技术领域。继经典控制理论之后，人工智能控制 技术的提出，对机电一体化技术产生了深远的影响。随着微型机的广泛应用，自动控 制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键 技术。 ( 3 ) 传感与检测技术 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相联并将检测到的信 息输送到信息处理部分。传感与检测装置是实现自动控制、自动调节的关键环节，它 的功能越强，系统的自动化程度就越高。传感与检测装置的关键元件是传感器，传感 器是将被检测量( 包括各种物理量、化学量和生物量等) 变换成系统可识别的、与被 测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。 ( 4 ) 机械制造技术 机械制造技术是机电一体化技术的基础。它和其他几项技术的关系，已如前面所 述，是皮和毛的关系。需要强调的是，机械制造技术在机电一体化技术的重要作用。 它不是无事可做，而是大有可为。无论机械设计、机械制造，还是机械工艺，潜力都 很大。 在机电一体化系统的制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技 术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 ( 5 ) 伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通过接口 4 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用第一章绪论 与这些传动装置相连，控制它们的运动，带动工作机械作间转、直线以及其他各种复 杂的运动。伺服传动技术是直接执行操作的技术，而伺服系统是实现电信号到机械动 作转换的装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性影响。 常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电 机等。由于变频技术的发展，交流伺服驱动技术取得突破性进展，为机电一体化系统 提供了高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电一体化技术的发展。 1 2 课题的提出及意义 我国工控设备市场竞争激烈，同时国内工控设备厂家直接面临美、日、欧各国公 司的竞争。而工控设备市场稳步增长，传统工业技术改造、工厂自动化、企业信息化 需要大量的工控系统，潜在市场巨大。因此，大力研究和发展基于嵌入式系统的工控 设备，是提高我国工业的核心竞争力，振兴国产工控工业、占据工控市场的一个重要 契机。 计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展空间。从国 内外相关技术发展的方向可以推测出，越来越多的工业设备迅速的向网络化、智能化、 小型化发展。传统的工业控制以工控机为开发和运行平台，实时采集现场数据，对工 业现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、动态和实时地监视，并为 生产、调度和管理提供必要的数据。随着工业生产节奏的加快，工业现场环境变得越 来越复杂，生产过程中产生的数据量也越来越大，机电一体化技术的不断发展，交换 信息的内容从简单的字符信息到图形图像、声音、视频等多媒体信息，传统控制系统 的不足之处也日益显露出来： 稳定性差。传统控制系统的开发和运行平台基于工控计算机。机电一体化使 用的操作系统多为微软公司早期的w i n d o w s 操作系统或者是d o s 操作系统。早期 的w i n d o w s 操作系统稳定性能较差，不适合作为对稳定性要求极高的工业现场使 用；d o s 操作系统也有着操作界面复杂和用户界面单调的固有缺陷。 接口功能单调。早期的工控计算机主要以串行口和并行口进行数据通信和传 输。面对日益网络化和智能化的各种现场工业设备，这些接口明显显得过于简单而且 数据传输率相对比较低，不能完全满足对大量数据的传输。而在工控机上每增加一个 接口，又要付出不菲的价格购买单独的接口卡。 5 第一章绪论远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 通用性较差。传统控制系统的开发和运行平台都是基于特定的硬件环境设计， 对硬件的依赖程度较高，可移植性较差。大多数厂家都是针对自己的工控设备开发一 套专用的机电一体化系统，这样做无疑会增加成本，提高开发难度。 推广应用较为困难。传统的人机图形交互界面都是基于p c 的，而如果采用 p c 机或工控机作为终端，受现场工作环境的限制，在许多场所，特别是在环境复杂 的工厂车间环境中存在功能冗余、操作困难、抗干扰性差等问题，使得p c 机不适 合用于工控领域，因而难于推广应用。 上述缺点使得传统的工业控制控制系统逐渐陷入困境。随着嵌入式系统的发展， 人们开始使用嵌入式系统来解决以上的这些问题，这就使得嵌入式控制系统越来越受 到市场重视。特别是在出现l i n u x 系统之后，由于l i n u x 系统是开放源代码的，所 以就实现了操作系统的可裁剪与可定制，使得轻量级的可定制功能的嵌入式工业控制 系统可以得以实现，从而嵌入式系统在工业控制领域中的使用越来越广泛。目前随着 嵌入式系统底层技术的逐步成熟，嵌入式控制系统已逐步成为嵌入式系统的开发重 点，目前已有许多嵌入式机电一体化开发的应用程序被广泛应用于各类监视、调度、 工业控制系统，以及各类手持设备上，完成数据处理、显示、实时控制以及数据库客 户端复杂的查询操作等功f l 皂t 4 1 。 本文探索开发嵌入式系统上的控制的相关关键技术，掌握机电一体化开发的关键 技术，开发适应不同工业现场的控制系统，将大大简化工业现场监控的复杂度，降低 工业成本，提高生产效率，也有助于推进国内的嵌入式系统技术和机电一体化开发技 术的发展，为民族工业发展添砖加瓦。 在工业自动化领域，传统的远程控制一般采用专线方式实现，即用户自己架设数 据通信网络或向电信部门租用某条线路作为远程控制的通信线路，系统通信设备与协 议都要专门制定，使得用户的运营成本很高，也造成了系统的通用性很差，无法有效 地与其它网络互联。 进入新的千年以来，i n t e m e t 网络技术已经深入人心，而且势不可挡，特别是下 一代互联网l p v 6 近期也进入实质性实施阶段，届时可以提供更加充足的p 地址和更 加可靠的网络传输，“使得地球上每粒沙子都可以拥有自己的m 地址 ；同时信息技 术的发展使得i n t e r n e t 网络的安全性和实时性也得到了显著的提高。因此，人们自然 而然地将i n t e m e t 网络技术引入到机电控制领域来。 6 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 第一章绪论 基于i n t e m e t 的远程机电控制就是将传统的机电控制系统与互联网结合起来，使 用公共i n t e r n e t 作为控制信息交互的通道，不需要为整个系统专门架设数据通信网络， 就可以实现无地域和空间限制的真正意义上的远程控制。该技术最早见于1 9 9 1 年 t r o y a n 将一台照相机联入i n t e m e t ，随后的时间里，各国的研究人员都在不遗余力地 进行该领域的研究 6 i t y i t l 3 1 。 在自动化领域，特别是在以工控机和通用p c 机作为主控单元的机电控制系统中， 只要插入一块标准网络适配器( 俗称网卡) ，再配合桌面操作系统( 以w i n d o w s 和 l i n u x 为主) 中有关网络协议的设置，就可以使得控制系统接入i n t e r n e t 实现远程控 制【羽。这种技术目前已被广泛采用，例如，银行以及高速公路收费站的网络视频监控 系统，大多采用的是这种实现方式。 然而，在工业控制领域的嵌入式系统应用场合，例如数控机床、自动售货机、智 能水电表、医疗监护设备、智能工具、工业机器人等设备，由于这些机电设备都是针 对某些特定功能的，一般不具有通用计算机庞大的软件和硬件资源，其硬件资源和软 件功能都是量身定做的，不可能像p c 机一样插入一块网卡再配置相应的t c p i p 协 议就能接入i n t e r n e t 那么简单，因此极大地制约了嵌入式系统的远程控制功能。若能 给出一种高性价比、具有i n t e r n e t 接入功能的嵌入式系统的软硬件方案，无疑将具有 重要的理论意义和实用价值，这也是当前嵌入式系统及远程控制的一个研究热点。 1 3 国内外研究现状 近年来，由于计算机的迅速普及和广泛应用，计算机网络技术蓬勃发展，计算机 网络在人们的生产生活中越来越普及，影响日益广泛和重大。而将计算机网络技术全 面引入控制系统则带来了控制系统的一系列变革。他们所描述的控制系统具有相似 性，即网络化的结构、智能化的现场设备和现场化的控制功能等【i 叫。 网络控制系统又称为网络化控制系统，是指在网络环境下实现的控制系统，分为 广义的网络控制系统和狭义的网络控制系统。广义的网络控制系统包括狭义的网络控 制系统，还包括通过企业信息网络以及i n t e r n e t i n t r a n e t 实现对工厂车间、生产线甚 至现场设备的监控调度、优化等。狭义的网络控制系统是指在某个区域内一些现场监 测、控制及操作设备和通信线路的集成，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内 不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。 7 第一章绪论 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 网络控制系统是计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物，分布控制 系统( d c s ) 、工业以太网和现场总线控制系统从某种意义上都属于网络控制系统， 它体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势，并将在工业 控制领域、楼宇自动化、家庭自动化等方面得到了应用，网络控制系统成为控制界研 究的一个热点【1 4 】。 随着相关的网络协议( 如t c p i p 、u d p ) 以及千兆以太网的出现等网络技术的 不断完善，基于i n t e r n e t 的远程控制应用于机电控制领域已经成为可能。首先，足够 的带宽可以承受更大的负荷，加之可用交换机，使接入网络的节点各自独占一条线路， 从而可以解决信息传输时间的随机性；另外，采用屏蔽双绞线或光纤通信，提高了抗 干扰能力，提高了稳定性。解决了实时性、稳定性和抗干扰能力，i n t e r n e t 远程控制 的优越性将日益突出，因此如今人们把目光的焦点越来越多的投入到该领域【2 】。目前， 在国内外相关的研究领域，机电控制系统接入i n t e m e t 的方式主要有以下几种方案： ( 1 ) 串口转t c p i p 网络接口 在传统的安全防护领域，机房监控领域，工业控制领域，医疗设备领域，智能楼 宇领域当中，有成千上万的感应器，p l c ，控制器，监测器，读卡器等r s - 2 3 2 4 8 5 4 2 2 串口设备，都是通过r s - 2 3 2 串1 2 通信或者r s - 4 8 5 4 2 总线通信与p c 进行数据通信， 数据交换和数据管理的。随着社会需求的发展，从而要求更大的系统，更加稳定的系 统，更大的数据流量的系统。使得现有的r s - 2 3 2 串口通信，r s - 4 8 5 4 2 2 总线通信不 能满足社会的需求。随着t c p i p 网络的快速普及，从而使得t c p i p 网络得到了极大 的丰富，t c p i p 网络已经延伸到社会的各个角落。与r s - 3 2 串口通信，r s - 4 8 5 4 2 2 总线通信相比较，t c p i p 网络具有通信距离远，只要联接互联网，通信距离可以无 限延长。而r s - 2 3 2 串口通信的距离就只有1 5 m ，而r s - 4 8 5 4 2 2 通信距离就只有 1 2 0 0 m ( 可以通过4 8 5 中继器延长通信距离，但是最多延长6 0 0 0 m ，而且还要视外部 环境而定) 。t c p i p 网络通信质量稳定，由于t c p i p 网络是基于复杂环境设计的， 具有自动纠错功能，所以通信质量非常稳定，不受外部环境干扰。而r s - 2 3 2 串口通 信，r s - 4 8 5 4 2 2 总线通信则抗干扰能力比较差，容易出错。随着t c p i p 网络的发展， 其通信流量不断的提高，现在t c p i p 网络1 0 0 m 已经成为了标准配置，而且1 0 0 0 m 数据接口也正在普及当中。而r s - 2 3 2 串口通信，r s - 4 8 5 4 2 2 总线通信的速率一般最 大只可以达到1 0 0 k 左右，而且随着速率的提高，其稳定性，通信距离都会成反比的 窖 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用第一章绪论 相应发生变化。要让r s - 2 3 2 4 8 5 4 2 2 串口设备转化成具有t c p i p 网络界面的网络外 设，需要研发和整合c p u ，d s p ，t c p i p 协议等各种软硬件，需要投入巨大人力资 源和时间成本。而使用深圳市东方数码技术有限公司提供的r s - 2 3 2 3 4 8 5 4 2 2 串口转 t c p f l p 网络的解决方案，可方便快捷的实现2 3 2 转t c p i p ，4 8 5 转t c p i p 的功能。此 类转换模块中，较成功的是台湾一家公司的n e - 4 1 1 0 系列产品。这种解决方案，优 点是实现方法比较简单，只需要在设备的串口上附加一个体积很小的转换模块，对设 备来说，只需对串口进行操作即可【1 6 】【1 7 1 。 ( 2 ) 单片机或d s p 扩展网络芯片 除通用的p l c 外，以单片机和d s p 为主控制器的设备曾经占据着嵌入式系统半 数以上的市场份额。开发人员可以对原系统进行改造，在原来的基础上，通过单片机 或d s p 的数据总线和地址总线与以太网络协议芯片相连，再开发出复杂的t c p i p 网 络协议等软件，也可以使得该设备接入i n t e r n e t 。 在这种方案中，单片机或d s p 既充当设备的主控制器，同时还要处理大量的网 络数据，需要开发者编写有关t c p i p 协议等大量的程序。由于以太网对运行速度要 求较高，单片机受到运行速度以及存储器容量等方面的限制，很难做到既兼顾网络， 又要控制设备正常运行。d s p 虽然速度较快，但对于机电系统接口的控制功能相对较 弱，主要适于作为数字信号处理，例如图像和视频处理等方面1 9 l 。更重要的是，单片 机和d s p 的软件一般都是用汇编或c 语言程序作为开发工具，对于编写网络协议等 较复杂的程序来说，是一项非常复杂繁重的开发工作。 目前，针对单片机和d s p 系统的特点，也有一些控制系统为了兼顾控制功能和 网络速度，使用双处理器来实现的，一块处理器作为现场的主控制器直接控制被控设 备，另一块处理器专门用于以太网控制，两块处理器通过双口r a m 或者其它并行总 线交换数据，显然，这种方案的开发成本以及开发难度都是很大的。 ( 3 ) 嵌入式3 2 位微处理器扩充网络接口 由于微电子技术的迅猛发展，许多高性能、低功耗以及低成本的3 2 位微处理器 应运而生，而且针对不同的应用场合，这类微处理器有的还内置了诸如音频接口、l c d 接口以及网络接1 2 等丰富的功能，为系统的开发提供了更为有利的条件 8 1 。 s a m s u n g 公司的a r m 芯片5 3 c 4 5 1 0 b 和i b m 公司的p o w e r p c 4 0 5 g p 就是典型的 内置以太网接1 2 的微处理器【2 1 。以5 3 c 4 5 1 8 0 为例，它是一款基于a r m 7 t d m i 的3 2 9 第一章绪论远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 位嵌入式处理器，c u p 内核为国际上广泛使用的a r m 处理器，内部运行频率最高可 达2 0 0 m h z ，芯片集成了一个1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 以太网控制器，非常适合嵌入式网络 控制和通信领域应用【1 】【3 】。更重要的是，选用a r m 处理器后，还可以方便地移植l i n u x 等嵌入式操作系统，由于该操作系统带有完备的t c p i p 协议栈，对于用户开发基于 网络的应用软件提供了更为便利的条件【1 9 1 2 0 f 2 2 。这是当前嵌入式系统设计的一个热 点，也是本文拟采用的设计方案。 1 0 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用第二章基于i n t e m e t 的远程控制 第二章基于i n t e r n e t 的远程控制 i n t e r n e t ( 国际互联网络) 是世界上最大的计算机网络通信系统。它是一个全球性的 公共信息资源网络，使用户广泛运用。互联网已经成为众多信息资源的总称，它是一 种无级网络，而不是作为一个单独的或控制的组织，每个人都可以参与，人人都可以 网上信息交流和共享资源。互联网为人们开展科研、商业活动、社会生活等提供信息 共享的重要手段。互联网已成为人类智慧的大海，珍惜知识的房子，它允许人们从包 罗万象的全球信息世界中获得受益。 互联网正在向下一代互联网( n g i ：n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 过渡。中国也已经开始 建设下一代互联网。中国的第一个下一代互联网c e r n e t 2 的已正式开通。与第一代 互联网相比，下一代互联网更快，更大，更安全，更及时，更方便。更快，下一代互 联网网络比目前的网络传输速度提升了1 , 0 0 0 至1 0 ，0 0 0 倍。更大：是下一代互联网将 逐渐放弃的i p v 4 ，启用i p v 6 地址协议，这样，原来有限的i p 地址将变得无限丰富， 大到足以让每一个地球上的沙给予一个i p 地址，所以，每个家电，工厂中的每个仪 器、机械，都可以分配一个l p 地址，将进入网络世界，一切都可以通过网络监管调 用。互联网对人类面言，不只是一种改变，而是全新的本质变化。更安全：现在是由 大量的计算机网络安全风险的困扰给网络生活制造了麻烦，而在下一代互联网将有 效、合理地得到控制，而不是像现在这样无助。我们的未来将是全面的互联网时代， 这是使现代生活更加便捷，高效的生产。我们可以深刻地体会到机械和电子设备的 i n t e r n e t 技术的交融，将进一步推动人们的日常生活和工作，和压倒一切的效率。 2 1 基于i n t e m e t 远程控制的概念与特点 跨入二十一世纪，随着网络技术的飞速发展，i n t e r n e t 把世界上的计算机系统、 通信系统集成起来，形成信息高速公路和公共数据网络通讯系统。再加上工业控制技 术的不断更新，正在改变其信息控制系统的结构朝着网络化的方向前进，这样也就形 成了对人类生产和生活有重要影响的其他网络、控制网络设备，即现场底层设备控制 网络i n f f 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。在这一点上，适应新兴的现 l l 第二章基于i n t e m e t 的远程控制远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 场总线控制系统技术的智能化，网络化，分散化的趋势，显示出强大的生命力，得到 了迅速发展，成为控制技术的热点领域。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，要总揽现场控制信息和生产状况，或要实现对分散在各工厂和 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、曲线总揽，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。 远程控制是通过本地的计算机网络系统，实现远程控制系统的监测和控制，我们 将能够远程控制统称为远程控制系统的所有硬件和软件系统。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锘i j ( 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( 远程控制系统) 。 与传统的机电控制系统相比，基于i n t e r a c t 远程控制系统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i n t c m e t 的远程机电控制还有以下的特点： 1 ) 更高的通信带宽 随着工业自动化的改善，需要实现越来越多的远程控制设备，控制信息，包括不 仅大量的数据，也有音频和视频信号传输，这就要求控制网络，以提供更高的带宽。 据不完全估计，在未来四年中，d c s 控制生成的信息将增加2 0 3 0 倍，p l c 从外地和 设施收集的信息，预计将增加1 0 2 0 倍【1 团。目前，现场总线一般1 2 m b p s 的，缺乏 升级到n 兆速率的传输速率，以支持数千台设备。互联网使用的是成熟，快捷的网络 协议，1 0 1 0 0 m b p s 的数据传输速率，新一代互联网更快的传输速率，高达1 g b p s 的， 企业范围内的骨干网，以满足日益增长的数据通信需求。 2 ) 现场设备层实现无缝连接和企业管理，互联网已经成为企业管理网络。现场 控制网络，企业信息集成网络和控制网络使用互联网设备的第一选择，并促进信息技 术业务整合。通过通用的浏览器和身份验证后，企业决策、生产管理、设备维护，甚 1 2 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用第二章基于i n t e m e t 的远程控制 至独立用户可以很容易地了解现场设备的工作状态信息。此外，通过建立数据库设备 的运行文件，该设备可以实现从制造，安装和操作的全生命周期管理。 3 ) 控制系统的成本降低 这主要表现在两个方面：首先，互联网通信网络，可以支持更多的设备，设备成 本相对较低；二是：熟悉与更多的用户互联网网络操作系统，整个系统的培训和维护 都比较容易。因此，与以前的控制系统相比，基于互联网的控制系统成本可以大大降 低。 2 2 基于i n t e r n e t 远程控制研究涉及的问题 基于互联网的远程控制系统是机电控制技术、计算机软硬件技术、网络技术、数 据库技术等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 然而，我们的目标和出发点是机械和电气设备的远程控制，传统的机械和电气控 制系统仍是远远比我们预计基于i n t e r n e t 上的远程控制系统实现的条件，使机械和电 气控制技术进一步发展的研究是必要的，并进一步提高了自动化控制水平，适合互联 网研究远程控制的机械和电气控制系统的基础上，为网络应用创造条件。 2 ) 计算机网络 网络技术的远程机械和电气控制驱动源。网络环境下，数据传输的需要，符合相 关的传输协议，可以使用的网络接口功能，分布式组件技术，网络套接字( s o c k e t ) 网络环境下的数据传输技术。而且，在网络环境下，客户端和服务器软件，以改善设 计的遥控器的可用性和实用性具有重要的意义。 3 ) 网络数据库 由于互联网的机械和电气控制主要采用远程动态w e b 应用程序的形式，动态w e b 和数据库技术的实现是不划分，并被控与机电设备的数据采集，传输和数据库技术密 切相关。 4 ) 远程控制 在i n t e r n e t 网络环境下的远程控制和控制的特殊性，主要是在网络传输延迟和延 迟时间的大小目前的不确定性。这种远程控制信息传输的延迟，特别是信息反馈困难， 第二章基于i n t e m e t 的远程控制远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 增加了控制的困难。 5 ) 故障诊断 传统的故障诊断专家系统知识库的技术是一个封闭或部分关闭，知识结构和知识 的输入和修改需要由设计师。但良好的远程控制系统的故障诊断专家数据库，必须在 基于w e b 数据库开发系统结构，专家系统设计师只需要完成一个简单实用的专家系 统框架的，不需要设计师填补了专家系统的知识库，知识库系统的维护和用户在使用 过程中不断丰富，从提取相关知识的故障诊断的成功经验，充满。 2 3 远程控制系统总体结构 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：控制端、远距离数据传输通道、网络接口系统以及受 控端，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 1 所示，各 部分的作用与原理如下： 图2 - 1 远程控制系统模型 + 控制数据 状态数据 1 ) 控制端 控制端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 ) 远距离数据传输通道 远距离数据传输通道，用来进行各类控制数据的传输，传输系统的目的就是将现 1 4 远程机电控制中的网络接入技术研究和应用第二章基于i n t e r n e t 的远程控制 场的设备状态信息尽快的传输到控制端，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；另外还需要将控制端的控制信息传输到现场的控制主机，以便实现 对现场设备的控制，对于我们研究的基于1 n t e r n e t 的远程控制系统来说，数据传输通 道就是i n t e r n e t 。i n t e r n e t 网络是目前公用的互联网，它是远程计算机和控制单元之间 指令和信息传输的纽带，它有一套非常复杂的网络传输机制来保证数据传输的可靠性 和正确性。 3 ) 网络接口系统 网络接口系统是以处理器为中心的集现场控制、管理、数据采集为一体的控制系 统，它还可以为现场设备提供上网能力。现场设备通过它可以直接连入i n t e r n e t ，从 而与远程的控制端实现控制信息和状态数据的交换。 4 ) 受控端 受控端指的是现场机电设备，它是整个远程控制系统的受控端，是远程控制系统 的执行单元。整个远程控制系统的运行方式简单讲就是控制端p c 发送控制命令，通 过i n t e r n e t 由网络接口系统接收，单元中的处理器根据与控制端的既定协议去解析控 制命令，并执行控制命令控制的现场设备，网络接口系统同时还需要将采集现场设定 的运行状态数据传递给控制端。 2 4 基于i n t e m e t 远程控制实现的关键技术 一个远程控制系统必须要求能够快速、准确、稳定、可靠的运行。影响一个远程 控制系统正常运行的因素可能有很多，但主要有以下几个方面： 2 4 1 延时处理技术 网络的不确定性，导致不稳定的网络控制和控制的不可预知的时间。基于互联网 的远程控制，在现有条件下的影响，不能真实，及时，响应延迟的远程控制系统最关 键的问题，也是最大的困难。网络延迟是一个口数据包在网络上的平均时间延迟系 统延迟组成的数据采集和数据传输延迟传输，收集系统一般采用双缓冲，采集延时= 采集间隔+ 缓存点数。一旦采集方式确定，系统的信号延时主要由网络传输延时决定。 响应时延的大小可由下式估算： t r = t 口+ t c + ( d r + d s ) 1 v ； 第二章基于i n t e m e t 的远程控制远程机电控制中的网络接入技术研究和应用 其中t p 为设备执行指令的动作时间，t c 是通信初始化时间，其主要取决于线路 繁忙程度，d r 、d s 分别是接收、发送的数据量( k b ) ，v 为传输速率( k b p s ) 。减小响 应时延的一个最重要的方法就是提高通信线路的带宽，增大传输速率v 。由此我们自 然就会想到将一些高速网络用于远程控制系统，如t 1 、t 2 线路。另一方法就是努力 减小通信数据量d r + d s ，这可以通过自定义网络高层应用协议，对指令和结果数据进 行编码来实现。另一方面时延也与i n t e r n e t 线路的通信距，线路繁忙程度，以及数据 帧经过的节点数和每个节点的路由策略有关，但这一方面是不确定的，只能通过实验 获得平均值。对于采用介质访问控制协议的交换式以太网，来实现远程控制的网络系 统来说，有两个有效的方法来解决时延问题。首先，使用快速交换的全双工通信；第 二，降低了通信数据量。全双i ( f u l ld u p l e x ) 端口可以同时发送和接收数据，全双工 模式下，其他通讯方式，在相对优势的高吞吐量( t h r o u g h p u t ) ，一个单一的全双工通 信的吞吐量的两倍方面，以避免碰撞( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) ：没有发送接收碰撞：通信 链路的长度限制只与物理介质有关，由于没有碰撞，突破长度限制( i m p r o v e dd i s t a n c e l i m i t a t i o n ) 。目前的远程控制系统的设计的发展是分布式技术的使用，以减少数据流 型2 1 1 。因此，我们设计了一个远程电气控制系统的分布式基于c o r b a 技术，通过这 种方式来解决通信数据量的问题。 2 4 2 系统可靠性 系统可靠