（机械设计及理论专业论文）包装生产线的远程监控和故障诊断专家系统的研究.pdf

摘要 远程监控是指技术管理人员在异地通过计算机网络、异地拨号或双方都 接入i n t e r a c t 等手段，远程连接被控计算机，将被控计算机的信息呈现在本地 机上，同时通过本地机对被控机进行配置、程序执行、远程交流、维护和管 理等控制。它可以应用在远程办公、远程技术支持、远程交流、远程维护和 管理等很多方面，具有很好的应用前景。故障诊断专家系统与监控系统相结 合，由监控系统驱动故障诊断专家系统的自动运行，这是企业现代化发展的 必然方向。 本文的主要设计思想是构建包装生产线的远程监控和故障诊断系统，主 要分析了主控端与被控端之间数据通信；以及被控端与p l c 之间数据通信的 情况；以及故障诊断专家系统的设计方案和实现方法。 本文的内容安排如下： 第一章首先介绍了远程监控的概念、原理和发展方向，以及常见远程监 控软件和所实现的功能，然后提出了本课题的研究背景、目的和意义，并且 对课题的可行性进行了分析； 第二章首先讨论了采用总线网络拓扑结构和p r i f i b u s 现场总线的原因， 然后对p r i f i b u s 现场总线进行了详细的介绍。 第三章首先介绍了t c p i p 协议和c s 模式，然后介绍了监控系统的网络 通讯接口s o c k e t 、w i n s o e k 和c + + b l l i l d e r 中的s o c k e t 控件。 第四章首先介绍了被控端和p l c 间的通信以及软件实现，然后介绍了主 控端和被控端间的通信和软件的实现。 第五章首先介绍了故障诊断专家系统的模型及框架，认真分析了诊断专 家系统各部分的功能以及诊断专家系统的开发工具，最后介绍了专家系统实 现的人机交互接口。 第六章介绍了系统软硬件的安装和调试过程。 本文最后对系统优缺点进行了总结，提出展望。 关键词：远程监控，c s ，故障诊断专家系统，c l i p s a b s t r a c t r e m o t ec o u t r o li 。an e w l ya p p r o a c h ，w h i c he n a b l e st h et e e h u i c a l m a n a g e rt oc o n t r o lr e m o t ec o m p u t e ri nad i f f e r e n tp l a c e i no r d e rt or e a l i z e t h ef u n c t i o n ，w em u s tf i r a tc o n n e c tt h ec o n t r o h e dc o m p u t e rb yn e t w o r k , d i a l - u pa c c o u n to ri n t e r n e t , a n dt h e nd i s p l a yt h ed e s k t o pe n v i r o n m e n to ft h e c o n t r o l l e dc o m p u t e rt ot h ei n e a ic o m p u t e r m e a n w h i l e ，t h r o u g ht h el o c a l c o m p u t e r , w ec a na c c o m p l i s hm a n yo p e r a t i o n st ot h ec o n t r o l l e dc o m p u t e r , s u c ha sc o n f i g u r a t i o n ，s o f t w a r ei n s t a i l a t i o na n de x e c u t i o n 。m a i n t e u a u c ea n d s oo n r e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yp o s s e s s e sub r i g h tf u t u r e f a u l td i a g n o s i s e x p e r ts y s t e mc o m b i n ew i t hs u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e mw h i c hd r i v e e x p e r ts y s t e mt oe x e c u t ed i a g n o s i sa u t o m a t i c a l i y w h i c hi st h ed i r e c t i o no f t e c h n i c a ld e v e l o p m e n t i nt h i st h e s i s t h em a i nd e s i g nt h o u g h ti st os e tu pt h es u p e r v i s i o na n d c o n t r o la n dd i a g n o s i ss y s t e mf o rw r a p p i n gl i n e i nt h ep a p e bw ep r i m a r i l y a n a l y z et h es i t u a t i o n ，i nw h i c ht h ec o n t r o lc o m p u t e rc o m m u n i c a t ew i t ht h e c o n t r o l l e dc o m p u t e ra n dc o m p u t e rc o m m u n i c a t ew i t hp l c w ea l s od i s c u s s t h ed e s i g ns c h e m ea n dm e t h o do ff a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m t h i st h e s i s 虹o r g a n i z e da sf o i l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r t h eb a s i cc o n c e p t , t h et h e o r ya n dd e v e l o p i n g s i t u a t i o no ft h et e c h n o l o g ya r ef i r s t l yi n t r o d u c e d a n dt h e n ，w ei n t r o d u e et h e t y p i c a lr o m o t ec o n t r o ls o f t w a r ea n di t sm a i nf u u c t i n u s a n dt h e n ，w ea n a l y z e t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t a r g e t ，s i g n i f i c a n c ea n df e a s i b i l i t yo ft h et h e s i s i nt h es e c o n d c h a p t e r a tf i r s t w ed i s c u s st h ef i e l d b u sn e t w o r k c o n s t r u e t i o na n dt h er e a s o no fs e l e c t i n gt h ep r o f i b u s a n dt h e n w e i n t r o d u c et h ep r o m u si nd e t a i b i nt h et h i r dc h a p t e r , a tf i r s tw ei n t r o d u c et h et c p ，i pa n dc s a n dt h e n w ei n t r o d u e et h es o c k e t ，w i n s o e ka n ds o c k e tc o m p o n e n ti nc + + b u i l d e r , w h i e hs u p p o r tt h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g hn e t w o r k i nt h ef o r t hc h a p t e ba tf i r s tw ei n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o no f c o m p u t e ra n dp l ca n ds o f t w a r ed e v e l o p i n g a n dt b e u ，w ei n t r o d u c et h e e o m m u n i c a t i n no f c o m p u t e r sa n ds o f t w a r ed e v e l o p i n g i nt h ef i f t hc h a p t e r , a tf i r a tw ei n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o na n dm o d e lo f f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m a n dt h e n ，w ee a r n e s t t ya n a t y z et h ef u n c t i o na n d d e v e l o pt o o lo f e x p e r ts y s t e m a tl a s tw e i n t r o d u e et h ei n t e r f a c eo f t h e s y s t e m i nt h es i x t hc h a p t e r w ei n t r o d u c et h ep r o c e s so fi n s t u l h i t i o na n d d e b u g g i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i nt h el a s tp a r t ，w es u m m a r i z et h em e r i ta n ds h o r t c o m i n go ft h es y s t e m a n dp u tf o r w a r dt h eo u t l o o k k e y w o r d s ：r e m o t es u p e r v b i o na n dc o n t r o l 、c l i e n t s e r v e r 、d i a g n o s i se x p e r t s y s t e m 、c l i p s h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱 本学位论文属于，在二年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：钱，司芡已 o 。口牛年铲月8 日 指导教师签名终蟛致 沙彬乒年口月日 y l o l l 重霸 本人郑重声瞬：酝星交斡学位论文，是本入在导露瓣摇导下， 独立进行研究工作所取德的成果。除文中已经 空明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文酌研究做出重要贡献的个入和集体，均黾在文中以 明确方式标明。本人完全意识至i 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：镀l 毯趋 星期：名口够年妒冀撂爨 江苏大学硕士学位论文第1 章结论 第1 章绪论 1 1 远程监控的原理和发展现状 1 1 1 远程监控的原理 远程监控是在网络上由一台电脑( 主控端r e m o t e ) 远距离去监视控制别 的电脑或智能设备( 被控端h o s t ) 的技术，这里的远程不是距离的意思，而 是指通过网络的意思。当操作者使用主控端电脑监控被控端电脑时，就如同 坐在被控端电脑前一样，可以执行被控端电脑的应用程序，可以使用被控端 电脑的文件资料，甚至可以利用被控端电脑的外部设备和通信设备，就像利 用遥控器遥控电视音量、开关一样【l j 。不过，有一个概念需要明确，那就是主 控端电脑只是将键盘和鼠标的指令传送给远程被控端电脑，同时将被控端电 脑的信息如屏幕信息、系统信息等返回给主控端。 远程监控的原理：用户连接到网络上，通过本地的客户端程序发送客户 身份验证信息和连接请求到被控端，在被控端的服务器端程序验证客户身份， 如果验证通过，向用户反馈通过验证和建立连接的信息；此时，用户便可以 通过客户端程序监控远程主机了，并且服务器端程序把被控端的键盘、鼠标 和屏幕数据等传送给主控端的客户端程序，客户端程序通过相关运算把这些 信息显示给用户，使得用户就像在远程被控端电脑前工作一样。 远程监控软件一般可以分为两部分：一个客户端程序c l i e n t ，一个服务器 端程序s e r v e r ，在使用前需要将服务器端程序安装在被控端电脑上，将客户端 程序安装在主控端电脑上。它的控制过程一般是先在被控端上启动服务器端 程序，然后主控端向服务器端程序发送一个申请连接的信号，建立一个特殊 的远程服务，然后主控端使用各种远程监控功能发送监控命令，控制被控端 电脑执行各种应用程序甚至开启关闭电脑。 由于现在实用的大多数远程监控软件都支持t c p i p 协议，所以通过 i n t e m e t 对远程计算机进行远程监控显得简单易行，只要两台电脑同时在 江苏大学硕士学位论文第1 章结论 i n t e m e t 上，并分别运行着客户端和服务器端监控软件，就可以实现远程监控 了。 随着网络的高速发展，对电脑管理的远程操作及控制技术越来越引起人 们的关注，远程监控一般支持以下这些网络方式：l a n 、w a n 、拨号方式、 互联网方式，此外，有的远程监控软件还支持串口、并口、红外端口等等r e ! 。 远程监控软件一般使用n e t b e u i 、n e t b i o s 、i p x s p x 、t c p i p 等协议来实 现远程监控，不过，随着网络技术的发展，现在又出现了使用j a v a 技术通过 w e b 页面来监控电脑的远程监控软件。 1 1 2 远程监控使用的网络通讯协议1 3 1 1 ) h d l c 协议( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制协议) 是一种位式的数据链路层协议，规定了同步串行w a n 电路上的封装方 法。 2 ) l i p 协议( s e r i a ll i n ei n t e m e tp r o t o c o l ，串行线路i n t c m e t 协议) 是用 于点到点串行连接的一种老式的标准协议。 3 ) p p p 协议( p o i n tt op o i n tp r o t o c o l ，点到点协议) 是一种可以用于同步、 异步电路的封装方法。s l i p 只支持i p ，而p p p 支持i p ，i p x 和a r a ( a p p l et a l kr e m o t e a c c e s s ) 。 4 ) x 2 5 不仅是一种w a n 连接，而且还描述了数据是如何通过公共数据 网络发送的，因此它也是一种w a n 封装方法。其实它本质并不是网 络协议，而是一种访问协议，定义如何将数据加载到数据包交换网络 上，以及需要添加什幺信息。 5 ) 帧中继是一种可变的数据包( 简称帧) 的广域连接。由于帧中继提供 更高的带宽，还提供了确保节点点之间带宽的能力，并降低了时延， 所以很快成为分组交换网络的选择。 1 1 3 远程监控软件的分类 远程监控软件从体系结构上来划分，可以分为基于c s 方式和基于b s 2 江苏大学硕士学位论文第1 章结论 方式两种；从控制方式上来划分，可以分为点到点访问控制和点到多点访问 控制；从功能上划分，可以分为办公软件、网络管理软件、远程教学软件、 黑客软件等等。 1 ) 从体系结构上分： 基于c s 方式：这种方式下的远程监控软件需要在主控端和被控端同时 安装软件，在主控端安装客户端软件，在被控端安装服务器端软件。使用前 先对服务器端软件进行设置，然后通过客户端在网络上搜索服务器并连接， 实现远程监控功能。p c a n y w h e r e 是这类软件的典型代表。 基于b s 方式：这种方式下的远程监控软件只需要在被控端安装服务器 端软件( 某些软件只需要在浏览器中下载一些插件就可以了) ，客户端使用标 准浏览器( 有些使用环境需要浏览器支持j a v aa p p l e t ) 与服务器端相连，可 以通过测览器来设置服务器。r e m o t e l y a n y w h e r e 是这类软件的典型代表。 2 ) 从控制方式上分： 点对点访问控制：指一个远程客户端的程序在同一时间内只能连接和控 制一台远程计算机。点对点的程序设计主要是以客户服务器模式，这也是远 程访问控制中最普遍的情况。点对点的访问控制主要用于对远程主机进行具 体详细的数据监控和远程功能实现中i ”。 图1 1 点对点远程监控网络拓扑图 点对多点访问控制：可以在同一时间内对一台或多台远程计算机进行控 制，但点对多点的访问控制没有点对点的访问控制功能具体和强大。点对多 点访问控制是以点对点方式为基础的，首先多台远程计算机的服务器端处于 监听状态，当客户端程序向网络中的服务器端发出连接请求，建立连接后， 客户端就可以对多台远程计算机的服务器端程序发出指令并由服务器端程序 执行指令。点对多点访问控制主要用于大面积的计算机管理进行的，如n e t s p y 是这类软件的典型代表 4 1 。 3 江苏大学硕士学位论文第1 章结论 图1 2 点对多点远程监控网络拓扑图 3 ) 从功能上划分： 办公软件：用于家庭办公和远程技术支持的情况下，方便s o h o 族或出 差的商务人员随时提取办公室或家中计算机上的数据或资料。 网络管理软件：使用远程监控技术，通过网络协议，对网络上的计算机 进行自动监控、管理的软件。 远程教学软件：主要在局域网上实现多媒体信息的传播，并同时实现网 络屏幕监控和远程监控的目的。它专门针对电脑教学网络开发，可以非常方 便地完成教学任务，使身处异地的学生和老师能实时交流。 黑客软件：这类软件使用的控制原理与一般远程监控软件相似，只不过 一般留有一些后门，容许非授权用户对远程计算机进行控制，而且它的隐蔽 性较好；同时实现的控制功能非常强大，直接威胁到系统的正常运行和数据 资料的安全；特别是它们具有的复位向功能使控制者能够借助以控制的电脑 控制网络中的其它计算机。 1 1 4 远程监控的应用现状 远程监控能够使用户突破地域的限制，在世界的任何角落让远程主机执 行特定的指令，能带给我们无比的便捷： 1 ) 远程办公：这种工作方式不仅大大缓解了城市的交通状况，免去了上 下班奔波的辛劳，更可以提高企业员工的工作效率和工作兴趣。 2 ) 远程技术支持：有了远程监控技术，技术人员可以远程监控用户的电 脑或设备，帮助用户解决现场难题，或给用户提供解决方案更快更好 4 江苏大学硕士学位论文第1 章结论 地解决问题和提供服务嗍。 3 ) 远程交流：利用远程技术，商业公司可以实现与用户的远程交流，采 用交互式的教学模式，通过实际操作来培训用户，使用户从技术支持 人员那里学到技术知识。而教师和学生之间也可以利用这种方式互相 探讨教学问题。特别是学习各种软件的使用方法，手把手的指导会把 教学质量提高到一个崭新的高度。 4 ) 远程维护和管理：这正是我们本课题的出发点，利用远程监控我们可 以集散控制多台电脑，控制多个p l c ，收集很多性能参数，便于管理便于 维护便于扩展，是现代化企业的发展方向，也是提高企业竞争力的有效手 段。 1 1 5 远程监控和诊断发展现状 基于i n t e r n e t 的远程监控和故障诊断研究工作最先是从医学领域开始的， 1 9 8 8 年开放式远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习几部分。 1 9 9 4 年9 月s y so p t i c s 公司在美国国会山庄向克林顿总统演示了一个基于 i n t e r n e t 的全国保健试验示范系统；1 9 9 5 年1 月美国俄克拉荷马州的远程医疗 系统投入使用，它把5 4 家乡村医院与州中心医院联系在起，并通过计算机 网络将c t 、x 光片等病人临床检验结果送到州中心医院诊断，这样病人在入 网的任何一家乡村小医院就诊都能得到专家级的诊断；国内上海医科大学在 上海地区也建立了一个类似的远程诊疗系统。 设备故障诊断与人类的疾病诊断是相似的，从技术上说能实现远程医疗 诊断也就能实现远程设备诊断。远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传 输方法和异地专家会诊组织、实现形式等都可为远程设备诊断所采用和借鉴。 但由于重视程度不够和投入的科研资金少、人力不足等原因，与医疗行业已 取得的显著成果相比，工业领域的远程诊断工作进展相对较慢。1 9 9 7 年1 月， 首届基于i n t e m e t 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主 办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了远程 诊断系统连接开放式体系、诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限 制，并对未来技术发展作了展望。会上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合 5 江苏大学硕士学位论文第l 章结论 作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统，该项工作得到了制造业、计 算机业和仪表业的b o e i n g 、f o r d 、s e g i t e 、i n t e l 、s u n 和h p 等1 2 家大公司的 支持和通力合作，并很快建立了一个限于合作者间的远程诊断示范体系 t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组网，用实时j a v a 和b a y e s i a n n e t 实现远 程信息交换和诊断推理；从该项目对外开放内容和项目组1 9 9 7 年底的研究总 结报告来看，系统离实用还有很大距离，许多研究内容也还只是一个提法。 此外，密执安大学也在积极开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究 工作，并在i n t e m e t 上设立了一个宣传站点。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t o p e ns y s t e m sa l l i a n c e ) 、m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 、 v i b r a t i o ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工 作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司在他们的产品中也加入 了因特网功能，如n e n t l y 公司的计算机在线设备运行状态监测系统d a t a m a n a g e 2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 方式向远程终端发送设备 运行状态；美国n a t i o n a li n s t r u m c n t s ( n i ) 公司在其虚拟仪器开发平台l a b v i e w 中新增了因特网模块，可以通过w w w 、e - m a i l 、f t p 方式发送测试数据，实 现远程监控。 国内就目前掌握的资料来看，西安交通大学、华中理工大学、上海交通 大学和哈尔滨工业大学等都已经开始从事工业领域的远程诊断研究。华中理 工大学机械学院信息所，在国家“九五”攀登项目的资助下，建立了设备故 障远程诊断中心。这是一个网上虚拟实验室，它可以为i n t e r n e t 用户提供远程 信号采集、信号分析和设备故障诊断服务，同时也能从网上为在校学生开设 工程测试与信号分析实验。哈尔滨工业大学航天学院热能工程研究所，以大 型气轮发电机组为对象，首先在电厂内部建立分布式监测诊断系统，然后通 过i n t e m e t 将状态监测和故障诊断延伸到研究所和大学的故障诊断中心，实现 了基于i n t c r n e t 的远程故障诊断，目前运行状态良好。 从以上国内外最新发展动态可以看出，目前远程故障诊断技术的研究正 处于起步阶段，这一领域的研究主要集中在模型探索、实验或初步运用，要 6 江苏大学硕士学位论文第l 章结论 想达到实用还必须在计算机网络技术、故障诊断技术、专家系统、人工智能、 管理信息学等诸多领域开展广泛的协作研究工作。 同时b e n t l y 、n i 等大公司也纷纷将他们最新的网络化设备状态监测产品 推向中国市场，这对增进我国学术界和企业界的网络化设备故障诊断意识和 提高我国的设备故障诊断水平也起到了积极的促进作用。 1 2 选题的背景、目的和意义 i n t e m e t 信息网络正在把全世界的计算机系统、管理系统逐渐集成起来。 为工业分布式网络实时监控提供有利的条件，工业企业传统的控制系统能给 企业提供可靠、性能高、操作方便的控制手段，但系统的开放性差，不易于 实现信息的充分共享；底层的生产和高层管理脱钩或不能紧密结合。这些负 面的影响必然会导致企业决策时，缺乏准确、及时的原始数据和情况分析；导致 企业管理中的信息冗余、准确性差、不畅通；导致企业计划能力差，生产不均衡， 影响产品质量和能源的合理利用。因此，我们有必要在现有的工业网络基础 上，利用计算机及网络技术对生产现场进行分布式网络监控，充分发掘企业 活力，使企业向着现代化企业的方向迈进。 对生产现场进行远程监控有以下好处： 一、能随时随地对运行设备的工作状况实时监测和控制； 二、能及时发现异常报警信号，便于及时维修，实现设备的智能维护( s m a r t m a i n t e n a n c e ) ； 三、能把生产信息及时准确地反馈给企业管理层，使企业对生产情况做出 迅速反应； 四、可拓宽网络设备的服务范围，提高工作效率，并能节省大量的人力物力。 而且传统的生产过程监控系统往往与故障诊断专家系统分离，各司其职； 随着智能化和自动化技术的发展，这样的模式越来越不适应现代化生产的需 要。为了实现整个生产过程的信息集成，即把生产过程、计划、决策、调度、 监控与故障诊断紧密联系在一起，我们有必要实现监控系统和故障诊断专家 系统的集成，这样不仅能提高制造过程以及设备控制的准确性和有效性，而 且还能及时发现和预见系统可能出现的异常和故障。 7 汪荔大学疆士学霞论文 第1 章络沦 谯包装生产线上，p l c 进行底艨生产的控制已经成熟，但随糟信息技术 和企簸管溪横式的不断发震，我稍答样把企娩熬生产管瑶稻企鼗藏俸静傣患 管理紧密联系在一起，实现现代企业的管控一体化，提高企业的臀理水平和 竞争实力? 本文围绕包装生产线的分布式网络监控和放障诊断迸稀了多方面 戆搽瓣。 1 ，3 选题的可行性分析 1 ) 楚控系统由客户端软彳牛_ 靼服务器端软谗组成，客户端软件在燕控端电随 上运行，服务器端软件在被控端电脑上运行，两者通过局域网连接，邋过s o c k e t 进孬遴售，瓣终延嚣较少，簿含生产监控黔鬟要。 2 ) 使用专家系统的故障诊断技术能在采用先进的传感技术和信号处瑕技 术鹃麓疆土将现钱辩学技术戆优势露矮域专家丰鬻熬经验与愚绦方式撵结 合，实现故障监测、故障分析和故障决策，较好地解决了由于领域专家不在 现场等致生产无法藏常迸幸亍的难题，同时穗减轻了维修按术人员静发现、解 决故障的时间，其生产和社会效益鼹好。 3 ) 监控系统与故障诊断专家系统的结合楚企业擞产、管理现代化的需要， 由于数据库技术、鼷络技拳瓣发展，监控系绞完全胃以给救障诊断专家系统 提供准确及时的故障攀实依据，由故障诊断专家系统进行故障分析。 1 4 小结 本章首先介绍了远程监控的概念和原燃、所使用的网络协议以及远稷监 控豹分类，缨合实醛壤嚣夯缨了远程监控豹美努豹应爰翦秉窝应溺优势，然 后提出了本课题提出的背景、目的和意义，并且对课题的可行性j 行了分析。 3 江苏大学硕士论文第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 2 1 现场网络通信方式的选择 在包装生产线的远程监控系统中，被控端和设备的监控点之间构成一个 生产现场局域网，在这个局域网中监控点的数目是可变的，监控点的数目为 2 4 0 个，它们之间采用点对多点的通信方式，即被控端可以和各个监控点进 行相互通信，各个监控点之间不能互相通信，只能和被控端进行通信。被控 端对各个监控点进行数据采集，实时监控，当然这种局域网必须要有较高的 通信速率和纠错能力，并且由于靠近生产现场，所以还要有较高的抗干扰能 力。 2 1 1 现场网络拓扑结构的选择 一般局域网( l a n ) 常采用星型、环型、总线型、树型和混合型拓扑结 构 s j 。在星型结构中，以一台处理机为中心组成网络，这种拓扑结构构造简 单，但处理机负荷太重，并且扩充困难。环型拓扑结构通过转发器把每个设 备接入网络，借助转发器来进行相邻设备间的通信，这种方式实时性高，但 当一个设备出现故障时可能会引起全网的通信中断，可靠性差，并且网络的 扩充较为复杂。总线型拓扑结构，它将所有设备通过分接头接在一条载波传 输线上，这样通信信道利用率高，扩充方便，但传输距离受限制。 由于在包装生产线监控系统中，被控端和设备的监控点之间采用点对多 点的通信方式，而且各监控点的数量是不定的，所以应当采用组网比较方便 的拓扑结构，并且网络中某个监控点发生故障不应当引起整个网络和其它监 控点之间的通信，所以采用总线型的拓扑结构。 2 1 2 现场总线技术的选择 现场总线技术( f c s ) 是在8 0 年代末9 0 年代初随着计算机、通信技术、 9 江苏大学硕士论文第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 集成电路技术及智能传感器技术的发展而出现一种工业现场监控技术，从本 质上说，它是一种数字通信协议，是一种应用于生产现场、智能化设备之间 实行双向、多节点通信的数字通信协议，是一种开放的、数字化的、多点通 信的底层控制网络。 现场总线经过了2 0 多年的发展，共产生了6 0 多种通信标准，其中比较 有影响力的总线技术有：基金会现场总线f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、 s w i f t n e t 、b i t b u s 等等1 6 1 ，这些现场总线技术各有特色、各有其发展背景， 因此各有其专攻市场和拥护者，受集团利益的限制，至今也无法形成一个统 一的国际标准。 在这幺多现场总线技术中，我们选择使用p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 总线技术，原因是： 1 ) 装生产线底层主要采用多个p l c 来进行设备的监控，而p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 总线技术在这个应用范围内比其它总线技术更 加成熟可靠； 2 ) r o f i b u s 总线技术只需一条双绞线就即可传送信息又可向现场设备 供电，这样就不需要很多绝缘装置和隔离装置，设备即使在操作过程 中进行维修、接通或断开也不会影响其它节点点； 3 ) p r o f i b u s 广泛应用于加工制造、过程和自动化中，它的网络协议是 基于i s o 标准七层参考模型的，所以该技术适应性强，此外它的三种 模块( f m s 、d p 和p a ) 可以适应不同的应用对象和满足通信速率方 面的要求，而且彼此可以相互集成，开放性和实用性好。 综合上述原因，我们决定在包装生产线底层采用p r o f i b u s 总线技术。 2 2p r o f i b u s 现场总线 2 2 1 简介 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 总线技术是1 9 8 7 年西门子公司开发的一 个工业控制现场总线的标准，主要用于过程控制和制造业的分布式控制。1 9 8 9 年立项为德国标准d i n1 9 2 4 5 ，从1 9 9 1 1 9 9 5 年先后批准实施p a t t i 4 ，1 9 9 6 江苏大学硕士论文 第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 年3 月被批准为欧洲标准e n5 0 1 7 0v 2 ，和其它得到广泛应用的现场总线技 术一样，能够覆盖大多数工业领域，可用于有严格时间要求和高速数据传输 的场合，也可用于大范围复杂通信场合。p r o f i b l j s 包括三种兼容版本【7 1 ： p r o f i b u s d p ：用于设备级自动控制系统与分散的外围设备间的通信连 接。d p 为d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y 的缩写，意即“分散化外围设备”，它对应 的德国标准为d i n1 9 2 4 5p a r o ，1 9 9 3 。 p r o f i b u s f m s ：用于车间级的监控网络及大范围和复杂的通信系统。 f m s 为f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n 的缩写，意即“现场总线报文规范”， 它对应的德国标准为d i n1 9 2 4 5p a t t i 2 ，1 9 9 1 。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化控制而设计，可以用在本征安全领域， 并通过总线向现场设备供电，p a 为p r o c e s sa u t o m a t i o n 的缩写，意即“过程 自动化”，它对应的德国标准为d i n1 9 2 4 5p a r t 4 ，1 9 9 5 。 在本课题中我们采用p r o f i b u s - d p 来分散控制外围设备间的通信， p r o f i b u s d p 应用场合为现场层，响应时间从几百微秒到几百毫秒，广阔的 数据传输波特率从9 6 k b p s 到1 2 0 0 0 k b p s 。在响应时间和通信速率方面都很好 地满足了我们的要求。 p r o f i b u s d p 系统可以由以下三种类型的设备组成： 1 类主节点：控制器，它在预定的信息周期中与分散的从节点交换信息； 2 类主节点：编程器、组态设备或操作面板等，完成组态、监控等操作； 从节点：传感器、执行部件、信息采集和发送设备等。 p r o f i b u s d p 系统可以是单主节点系统，也可以是多主节点系统。本课 题采用多主节点系统，图2 1 表示了所有的节点( 主节点和从节点) 通过一条 线形总线电缆实现物理上的互连及各节点与总线的连接。 图2 1 中主节点与从节点之间双向箭头的虚直线表示主节点与相应的从 节点之间的逻辑连接，它们构成独立的予系统。图2 1 中主节点之间单向箭头 的虚线连接表示各主节点之间的逻辑连接，逻辑上是令牌环网。虚线表示逻 辑上的连接，物理上的连接是用实线表示的总线结构。 江苏大学硕士论文 第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 ? 一： ii 广 主站间逻辑令牌环厂 鼎i 主节点1 i 。 i 主节点2l 。山 、总线电缆j 山j。 、彤i 彤7 图2 1 多主多从的p r o f i b u s 系统 系统配置的描述包括：节点数目、节点地址、输入输出地址、输入输出 数据格式、诊断信息格式和总线参数等。 主节点轮流取得( 通过令牌传递) 总线控制权，周期性地与其它主节点 交换信息，和向它对应的从节点发送信息以及读取它对应的从节点输出信息， 此外还提供非周期性通信，用以组态、诊断和故障处理。 2 2 2 协议结构 过去的现场总线都是互不兼容的专用系统，而现在的现场总线都采用了 开放式标准系统。p r o f i b u s d p 协议结构符合国际标准化组织开放系统互连 参考模型( o s i ) ，定义了第一层( 物理层) 协议和第二层( 数据链路层) 协 议，没有定义第三层到第七层协议主要是为了达到必要的工作要求，此外还 定义了用户接口，用户接口定义了用户系统和各种设备可以调用的基本功能 以及详细说明了各种p r o f i b u s d p 设备的行为。p r o f i b u s d p 协议结构见 图2 2 ： 江苏大学硕士论文第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 2 2 3 访问控制方式 刨 d 1 0 基本功能 未使用 现场总线数据链路层 r s 4 8 5 ，光纤 图2 2p r o f i b u s d p 协议结构 2 2 3 1 总线令牌方式 p r o f m u s 现场总线采用总线逻辑令牌环协议，网络上所有节点组成一 个虚拟环，令牌在虚拟环中从一个节点传向其逻辑邻居节点，只有持有令牌 的节点才能访问网络。令牌总线网的优点是：在实时性方面是可确定的，因 为容易计算出最坏情况下节点等待令牌的时间，因此在流量很大的情况下， 依然具有稳定的吞吐能力。 p r o f i b u s 为多主多从结构 7 1 ，即可有多个主节点( 如p l c ) 和多个从 节点( 简单的1 0 设备) 方便地构成集中式、集散式和分布式控制系统。它采 用混合媒体访问方式，即主节点问按令牌方式，主节点和从节点间按轮询方 式工作。令牌在主节点之间按照地址的升序传递，得到令牌的主节点可在一 定的时间内与网上的任何个主节点或从节点通信。这种方式保证了在任一 时刻只能有一个节点点发送数据，并且任一个主节点在特定的时间片内都可 以得到总线操作权，这就完全避免了冲突。 2 2 3 2 轮询方式 p r o f i b u s 总线结构中主节点和从节点间按轮询方式工作。所谓“轮询 接 层 路 删 鳓 嬲 鳊 数 物 江苏大学硕士论文第2 章工业现场网络通信方式和总线技术 方式”是指一个主节点( 如p l c ) 作为主节点来定期轮询各个节点，以便显 式分配从节点访问共享介质的权力。这类协议的特点是； 1 ) 单实用，软硬件开销小，特别是从节点的要求相对低； 2 ) 轮询法实质上属于令牌协议，只是由主节点来负责发放令牌，因此具 有传播时延确定的特点，且可靠性高； 3 ) 轮询过程占用一定的网络带宽，增加了网络负担； 4 ) 风险完全集中在主节点上，为避免因主节点失效而导致整个网络瘫痪， 有时需要设置多个主节点来提高系统的健壮性； 2 3 小结 本章首先解释了现场通信网络采用总线拓扑结构和p r o f i b u s 总线技术 的原因，然后对包装生产线现场所采用的p r i f i b u s 现场总线技术的概念、网 络协议结构进行了分析，对它所使用的媒体访问控制方式也做了研究。针对 工业控制的确定性、实时性、高可靠性的要求，p r o f i b u s 现场总线简化了 通信协议，使用令牌和轮询技术，多主多从技术，完全适合本包装生产线现 场状况，为进一步扩展网络功能创造了有利的条件；值得说明的是，由于 p r o f i b u s 特殊的访问控制方式，我们在设计底层总线拓扑结构时采用逻辑 上的令牌环拓扑结构，物理上的总线拓扑结构。 1 4 江苏大学硕士论文 第3 章基予t c p i p 协议的网络通讯 第3 章基于t c p lp 协议的网络通讯 通道阏络实现远程数据传输和檄税撩制，蔻阏络技零( i n t e r a c t 或裁域弼) 在远程监控和数搬传输上的应用，包装艇产线远程监控系统需要通过网络实 现主控端和被控端之间的数据交飘。 3 1 基乎t c p i p 的网络通讯 两络的目的之一就是提供遵讯的手段。现代计算杭潮络的设计是按高度的 结构化方式来组织的，即按层或级的方筑处理的。鼹终发展起来以后，这种 层戚级就标准化了，o s i 参考模溅就产擞了，慕于o s l 参考模挺的各种协议 也裁随之产生了。t c p 搿捺议惫予o s i 攘型秀发，不宠全簿含o s l 据猴，毽 确是当前最为流行的一种协议，而且是目前i n t e r a c t 网络的基础。 3 1 1t c p i p 协议 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 是传输控制协议网 嚣渗谈熬缡写，箕嚣熬在子戆筐器耱冬捞豹谤冀撬都京弱一个瘸络嚣凌下运 行f 射。 大致说来t c p 对应o s i 模型的传输层，瑾对应o s i 模型的网络层，但目 藏熬t c p i p 协议跫超出? 这令穰念，t c p i p 协议已成为一个宠整斡协议族， 已成为一个网络体系结构，该协议除了作为传输控制协议的t c p 和网际协议 磅之羚，还毽撂多耱其它协滚。 t c p i p 协议现在非常受到重视，这怒因为： 第一，t c p i p 协议裔强大静联弼黥力帮对多耱应耀环境静适应畿力。现 在a _ r p a b e t ，m i l n e t 和美国黼家科学基金会n s f n e t 作为艇干网 的基铡i 上，已形成了闱t c p i p 协议联接的馓界各嗣、各部门、各 瓿椽羚冀爨掰络戆数攥逶售瓣i n t e r n e t t g l 。