（检测技术与自动化装置专业论文）基于web的远程监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着网络技术的飞速发展，i n t e r n e t 技术已经渗透到日常生活和工业 生产的各个领域，这使得远程实时监控工业自动化生产成为可能。技术 人员无须亲临现场( 尤其在恶劣环境下) 就可以对现场的生产情况进行监控。 本文分析了远程监控系统的功能与结构。在深入探讨t c p i p 体系、 c s 、b s 及w e b 数据库技术的基础上，设计了基于w e b 的远程监控 系统。着重研究了控制网络与信息网络之间的集成和数据的动态交互， 并提出以a c t i v e x 控件的形式在浏览器中与现场监控系统进行数据交换 的方案。分析了影响基于w e b 监控系统实时性的若干因素，并提出了 改善系统实时性和安全性的措施和方案。结合实际项目，实现了基于 w e b 的锅炉温度远程监控系统的现场和w e b 远程数据采集、数据监视、 参数修改以及报警提示等功能， 研究并实现的w e b 监控系统不但改善了基于w e b 的监控系统带来 的监控平台异构的缺点，而且改善了完全以数据库服务器为数据源的监控 系统实时性差的缺点，通过实际应用可以看出，该系统能够满足用户的 要求。 关键词：w e b 监控a c t i v e x 网络集成 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g y , i n t e m e tt e c h n i q u eh a s a l r e a d yp e r m e a t e dt oe a c hf i e l do ft h ed a i l yl i f ea n dt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n i tm a d et h er e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h ei n d u s t r y a u t o m a t i o np r o d u c t i o np o s s i b l e t h et e c h n i c a lp e r s o n n e ln e e d n tt oa t t e n d p e r s o n a l l yo rt ob ei nb a de n v i r o n m e n tt h r o u g ht h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lm e t h o d t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fr e m o t em o n i t o r e d s y s t e ma r ea n a l y s e d w it ht c p i p , c s ，b sa n dd b m so nw e bd i s c u s s e dd e e p t h er e m o t e m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw e bi s d e s i g n e d t h ei n t e g r a t i o no ft h e i n f r a n e ta n di n t e r n e to ri n t r a n e ta n dt h ed a t ad y n a m i c e x c h a n g ea r es t u d i e d p r o m i n e n t l y ，a n dt h es c h e m et h a tt h ec l i e n tc o n n e c t sw i t ht h ef i e l d s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1s y s t e mi nt h ef o r mo fa c t i v e xc o n t r o li nt h eb r o w s e ri s p u tf o r w a r d ，s o m eo ft h ef a c t o r st h a tc a nd e b a s et h er e a lt i m eo ft h es y s t e m a r ea n a l y s e da n ds o m em e t h o d sa r ep u tf o r w a r da i m m i n ga ta m e n d i n g t h e r e a lt i m ea n ds e c u r i t yo ft h es y s t e m c o m bi n e dw i t ht h ep r a c t i c a li t e mo f t h et e m p e r a t u r eo fb o i l e rr e m o t em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，t h ef i e l da n d w e bb a s e dm o n i t o r e ds y s t e m ，w h i c hr e a l i z e st h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n ， d a t as u p e r v i s a l ，p a r a m e t e r s m o d i f i c a t i o n ，w a r n i n ga n ds oo n ，a r er e a l i z e d t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw e bs t u d i e da b o v ec a na m e n d n o to n l yt h ed i s a d v a n t a g eo fh e t e r o g e n e o u ss u p e r v i s o r yc o n t r o lp l a t f o r m c o n s i s t e di nt h es y s t e mb a s e do nt r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，b u ta l s o t h es h o r t c o m i n go ft i m ed e l a y i n gr e s u l t e di nd a t a b a s e a c c e s s i n g t h e a p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a ns a t i s f yt h eu s e r s r e q u e s ta n d r e a l i z et h es u p e r v i s a la n dc o n t r o lo ft h ei n d u s t r yp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：w e bs u p e r v i s o r yc o n t r o la c t i v e xn e t w o r ki n t e g r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：研吼狠 砂焉年石月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权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。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分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。 本论文属于 保密o ， 在年解密后适用本授权书。 不保密 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：铆观最 钞姑年6 月l 日 指导教师签名：文六矽钞 秒增年6 月亿日 第1 章绪论 第1 章绪论 九十年代以来，随着i n t e m e t 的广泛应用，计算机技术和网络技术 得到迅速发展，促使其相关技术也逐渐走向成熟。这些不仅对人们传统 的生活方式产生了巨大的冲击，而且对其它领域技术的发展也带来了深 刻的影响。网上图书馆、电子商务和网上虚拟医院已被大家所熟悉，而 基于w e b 的远程监控技术更引起工业界的广泛关注，并在核电站监控、 石油的输送管道远程监测、电网运行监控和机器人的远程控制等领域得 到应用【1 】。基于w e b 的远程监控系统实现了数据共享，具有信息传递快 捷和交互性强等特点，推动着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。因此，基于b s 模式的w e b 技术成为工业数据通讯 和控制网络研究的热点心，。 1 1 远程监控系统概述 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的发展，作为生产、生活中 非常重要的一项技术即监控技术的重要性正逐渐被人们所认识和重视。 监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。监控技术 大致经过了三个阶段：第一阶段是单机监控系统，主要是针对单台或单 一类型的设备进行监控，系统是封闭的，状态信息仅仅供内部使用；第 二阶段是集中式监控系统，由多台计算机组成，其中一台计算机对其它 多台计算机进行监控；第三阶段是网络范围内的远程监控系统。 i n t e r n e t i n t r a n e t 的广泛应用，为现代企业生产监控提供了一种崭 新的可能，就是把采集到的生产数据，通过i n t e r n e t i n t r a n e t 发布出 去，使得用户可以在任何地方，如公司、饭店，甚至家里，使用标准的 浏览器软件来查看工业现场的图形显示、历史曲线、报警信息，甚至根 据权限进行变量修改或设备操作。i n t e r n e t 能实现资源的共享，从而使人 们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统 武汉工程人学硕士学位论文 的发展提供了有利的条件。远程监控是本地计算机通过网络系统如 i n t e m e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态 监控及设备的诊断维护等功能，通常把能够实现远程监控的通信媒体、 计算机软件、硬件系统称为远程监控系统。远程监控系统由远程监控终 端系统、远距离数据传输系统及现场设备监测与控制系统三部分组成【3 】， 各部分分工协作，共同完成对远程设备的监控。远程监控系统模型如图 1 1 所示。 匡圆_ _ 圆i 一”t 圈 控制数据流 1 状态数据流 图1 - 1 远程监控系统模型 1 远程监控终端系统 一般是与i n t e r n e t 相连的远离设备现场的微型计算机，目的是对设 备进行远端的控制与监测。远程监控终端是用户与现场设备进行交互的 界面，其功能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它操作，其中必须包 括必要的基础数据的处理和系统管理。 2 远距离数据传输系统 远距离传输通道是i n t e r n e t 网络，包括i n t e r n e t 的一些传输协议、 应用软件以及硬件等，其目的是为了进行网上控制数据的传输。 3 现场设备监测与控制系统 实现直接对现场设备进行监测控制，其主要任务是根据远程监控终 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， 再将这些状态通过传输通道反馈到远程监控终端。 第1 1 章绪论 1 2 远程监控系统的实现方式 就控制方式而言，有四种典型的远程控制方式【4 】：保持型、完成型、 完全型及人机交互式。 1 保持型远程监控方式 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。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。 2 完成型远程监控方式 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。 3 完全型远程监控方式 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。在这种方式下，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。+ 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，由本地操作人员对设备进行控制和维护。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。 根据通信网络的不同，主要研究的远程监控方式有两种【5 】： 1 基于g s m 网络的s m s 方式的远程监控方式 数字式移动通信网络近年来发展迅速，覆盖的范围日益扩大，以及 武汉工程人学硕士学位论文 手机应用资费的下调，为远程监控提供了一个新的手段。g s m 系统提供 的s m s 业务，具有双向通信、一定的交互能力，占用g s m 网络的信令通 道等特点，利用手机的短信功能模块和接收终端可以实现远程监控。 2 基于i n t e r n e t 的远程监控方式 随着i n t e r n e t 技术的发展，使得传统的远程监控技术发生了质的飞 跃，使远程监控终端的位置更加灵活，真正可以做到随时随地远程监控。 基于w e b 的远程监控是目前研究的热点。 1 3 远程监控系统的国内外研究现状 随着互联网技术的飞速发展，基于w e b 的远程监控技术将成为新一 代的监控模式。远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积 极的研究【6 j 【刀。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议 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。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断 信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展 望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下一代远程监 控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表 业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配 合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用 嵌入式w r e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e m e t 范围 内的信息监控和诊断推理。另外，许多国际组织，如m i m o s a 、s m f p t 、 c o m a d e m 等，也纷纷通过网络进行设备监控与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。许多大公司也在其产品中 加入了i n t e m e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统 d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远 程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它 的产品l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因 而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。 法国“a l a r m 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研 第1 章绪论 究，并在多个项目中进行了应用【6 1 。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中 科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的 研究成果，如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及 故障诊断系统r m m d 、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系 统k b g m d ”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专 家系统m m m d e s ”等。 随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单 机监控过渡到现在的网络监控，但目前还存在着一些问题。例如网络通 信技术不足的问题、网络通信中多种结构并存的问题等 7 1 。 现在嵌入式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术迟 早必将用于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一【7 】。 1 4 本课题的研究背景和意义 本课题为湖北省农业厅信息网络系统升级改造课题的一部分，主要 是进行基于w e b 技术的远程监控系统实现方法的研究。目前的企业信息 网络一般通过把现场控制网络、企业内部局域网络( i n t r a n e t ) 和i n t e r n e t 、 三网合一，使分布于各局部现场、独立完成特定功能的计算机或控制器 等现场设备互联起来。它适应企业生产与经营功能分布与地域分布的特 点，是实现资源共享、协同工作、远程监控、远程管理等为目的的分布 式网络系统。基于w e b 技术的远程监控系统在工业综合自动化中有很好 的应用前景，能够实现真正的开放实时监控。以w e b 浏览的方式实现工 业生产过程的远程监控，比传统的以应用程序的方式实现远程监控有明 显的优势。 1 5 本论文的内容安排 本论文的内容安排如下：第1 章为绪论，介绍了远程监控系统的原 理、实现方式和研究现状；第2 章分析了远程监控系统的功能和结构， 武汉- t 程大学硕士学位论文 并介绍了控制网络技术，详细研究t c p i p 、b s 、c s 模式及w e b 数据库 等相关技术；第3 章设计了基于w e b 的远程监控系统，详细介绍了网络 系统的结构、控制网络与信息网络的集成技术、数据的动态交互等，并 研究了监控系统的安全性与实时性问题；第4 章介绍了基于w e b 的锅炉 温度远程监控系统的具体实现；第5 章为总结和展望。 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 第2 章基于w e b 的远程监控系统分析 远程监控技术是计算机技术与通信技术的发展的产物，远程监控的 连接方式分为点对点的连接和基于网络的连接方式。基于网络的远程监 控技术是企业未来的自动化结构变革的一个重要目标，是实现企业管、 控一体化的基础。本文研究的基于w e b 的远程监控技术正是在分析企业 的运作模式和综合自动化的基础上提出。 2 1 远程监控系统的功能与结构 2 1 1 远程监控系统的功能 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而 是将数据采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的 现场监控没有多大的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其 它部分则和现场监控系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存。 远程控制所实现的功能如下1 5 】： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、 采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和 电视等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生 产情况。 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出 的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别 作为实时数据和历史数据加以存储。 管理功能：利用已有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、 故障诊断、险情预测，并以声、光、电的形式对故障和突发事件报警。 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策 略形成控制输出，直接作用于生产过程。 基于w e b 的远程实时监控系统不仅可以实现异地控制和大范围的 资源共享，而且改善了传统监控系统的性能，增强了系统的分散性、开 武汉工程大学硕士学位论文 放性。 2 1 2 基于w e b 的远程监控系统的分层结构 基于w e b 的远程监控系统一般可以分为三层：现场智能设备层、 s c a d a 层、远程监控层【8 】【9 】。 1 现场智能设备层 现场智能设备层的核心是现场总线，现场设备则是以网络节点的形 式挂接在现场总线上。依照现场总线的协议标准，底层智能设备采用了功 能块的结构，通过组态设计，从而完成数据采集、a d 转换、数字滤波、 温度压力补偿、p i d 控制以及阀位补偿等。 2 s c a d a 监控层 网络监控系统的第二层结构是s c a d a ( 数据采集和监控) 监控层，这 一层从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋 势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功能一般由 上位计算机完成，一般它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调 网络节点之间的数据通信；或者通过专门的现场总线接口( 转换器) 实现现 场总线网段与以太网段的连接，这种连接方式使系统配置更加灵活。监控 层处于以太网中，因此它的关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接 口部分，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确 解释和传输。监控层除了上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化 提供支撑环境。 3 远程监控层 远程监控层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程 监控系统。首先要将中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库 中，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的 工作状况，对生产过程进行实时的远程监控。用户被赋予一定的权限后， 还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域网范围内实现底层 测控信息的实时传递。目前，远程监控实现的途径就是通过i n t c m e t ，主 要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产过程， 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥 管理等。 2 2 控制网络技术 在计算机网络技术的推动下，控制系统向开放性、智能化与网络化方 向发展，产生了由过程控制对象( 如生产过程检测、控制等智能单元) 形成 的网络，简称l n f r 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 ) ，它又被称为工厂底层网络。 目前在工业控制领域广泛应用的控制网络主要有：现场总线和工业以太 网。 2 2 1 现场总线控制网络 1 现场总线的特点 现场总线本质上是一种控制网络，控制网络直接面向生产过程，因此 要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，一 般只包括i s o o s l 7 层模型中的3 层：物理层、数据链路层和应用层。另 外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。综合自动 化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制 网络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程 1 0 10 现场总线是工厂底层信息与数据传递的主体，在整个工厂的信：息网络 中，现场总线处于重要的基础地位。现场总线与传统的d c s 相比，它突 破了d c s 相对封闭的限制，它将测控任务分散到现场设备中，上位计算 机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。目前比较有影响的 现场总线标准，如：基金会现场总线( f f , f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) l o n w o r k 总 线、p r o f i b u s 、c a n 控制局域网、m o d b u s 等。 现场总线系统( f c s ) 与传统的集散控制系统( ( d c s ) 相比，有以下特点： ( 1 ) 总线式结构 一对传输线( 总线) 挂接了多台现场设备，双向传输多个数字信号。这 武汉工程大学硕士学位论文 种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简 便。 ( 2 ) 开放互操作性 现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明 的，而在传统的d c s 中，不同厂家的设备是不能相互访问的。f c s 采用 统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一 控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成。 ( 3 ) 彻底的分散控制 现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中， 做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻 了控制站c p u 的计算负担。 ( 4 ) 信息综合、组态灵活 通过数字化传输现场数据，f c s 能获取现场仪表的各种状态、诊断信 息，实现实时的系统监控和管理。此外，f c s 引入了功能块的概念，通过 统一的组态方法，使系统组态简单灵活，不同现场设备中的功能块可以构 成完整的控制回路。 ( 5 ) 多种传输媒介和拓扑结构 f c s 采用了数字通讯方式，因此可以用多种传输介质进行通信。根据 控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种传输介 质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便。 2 现场总线控制网络的不足 现场总线控制网络的体系结构虽然克服了传统的d c s 的技术瓶颈， 但也存在不足之处。 ( 1 ) 随着控制要求的提高，很多场合将要求传输现场设备的图像和视 频信息，而现场总线属于低速总线，通信带宽比较窄，传输数据量比较有 限，因此系统的实时性将无法得到保障。 ( 2 ) 在理论上，现有的本安防爆理论严重制约着现场总线的广泛应 用，它限制了总线电缆长度和总线上负载的数量，在这种限制下，现场总 线的大部分优点都消失了。 ( 3 ) 在数据链路介质访问控制子层上，由于每种介质访问控制方法有 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 自身的缺陷，使得总线的数据传输确定性和迟延在轻载和重载时有很大差 别，系统的鲁棒性较差，稳定性不好。 ( 4 ) d c s 和f c s 相互之间不能进行直接的通信，只能在管理层面上 进行信息集成。 2 2 2 以太网( e t h e r n e t ) 技术 以太网络出现于1 9 7 5 年，经3 c o m ，d e c 和i n t e l 等公司的联合开 发，使以太网的使用成为一个多供应商标准，并于1 9 8 2 年制定成为 i e e e 8 0 2 3 标准的第一版本。1 9 9 0 年2 月该标准被国际标准化组织所采纳， 正式成为国际标准。在这期间，以太网从最初l o m b s 以太网过渡到 l o o m b s 快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网和光 纤以太网。以太网的传输介质非常广泛，可以采用铜缆、双绞线和光纤等。， 以太网的网络机理也从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，网卡工作 方式从单工发展到全双工等。 工业以太网是以t c p i p 为传输协议。以太网应用于现场设备间通信 的关键技术主要包括实时通信技术、总线供电技术、远距离传输技术、网 络安全技术和可靠性技术等【1 0 1 。 ( 1 ) - v 业以太网协议 对应于i s o o s i 七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物 理层和数据链路层：而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p i p 协议为主( 已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准) 。而对较 高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前商用计算机 设备之间是通过f t p ( 文件传送协议) 、t e l n e t ( 远程登录协议) 、s m t p ( 简 单邮件传送协议) 、哪( www 协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 等应 用层协议进行信息透明访问的，它们如今在互联网上发挥了非常重要的作 用。但这些协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程控制领域 现场设备之间的实时通信。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在e t h e r n e t + t c p i p 协议 之上，建立完整的、有效的通信服务模型。为此，各现场总线组织纷纷将 武汉工程大学硕七学位论文 以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和t c p i p 技术， 以及原有的低速现场总线应用层协议，从而构成了所谓的工业以太网协 议，如h s e 、p r o f i n e t 、e t h e m e t i p 等。 ( 2 ) 以太网通信的确定性与实时性 工业以太网从通信技术的角度实现实时性的机制有：采用交换式集线 器、使用全双工( f u l l d u p l e x ) ：i l 遁_ 信模式、采用虚拟局域网( ( 。a 技术、引 入质量服务( o o s ) 、r t p s 实时通信等。 由于e t h e r n e t 采用c s m a c d 碰撞检测方式，一直被视为非确定性的 网络。然而，快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以太网的非 确定性问题带来了新的契机，使这一应用成为可能。采用交换式集线器和 全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在( 全双工通信) ，或碰撞机率大 大降低( 半双工) ，因此使e t h e r n e t 通信确定性和实时性大大提高。 ( 3 ) 以太网通信的稳定性与可靠性 为了解决e t h e m e t 在不间断的工业应用领域，在极端条件下，网络也 能稳定工作的问题，美国s y n e r g e t i c 微系统公司和德国h i r s c h m a n n ，j e t t e r a g 等公司专门开发和生产了导轨式集线器、交换机产品，在实际应用中， 主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要 的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的抗干扰能力和可靠性。 由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设 备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案，工业以 太网已成为现场总线中的主流技术。d i c kj o h n s o n 认为，目前，在工业领 域虽然以太网和其它协议一起协同工作，但以太网独自承担自动化控制领 域通信的时代正在来临。采用以太网的连接方式如图2 1 。 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 图2 1 以太网连接图 目前，控制系统的设计明显受到计算机网络技术的影响，用网络化、 分散化、开放性等概念改造传统控制的集中模式。从信息网络与控制网络 的体系结构发展来看，两者是相似的，一般只是控制网络的结构较为简单， 以i n t e m e t 为基础的信息网络在技术上优于控制网络，其技术上成熟的新 思想、新理论已融入控制网络，控制网络与信息网络的集成势不可挡。控 制网络与信息网络的集成，有利于管理层的决策，加强了与外部信息的交 流，节省了大量用于交通的投资与人力【1 1 1 。 2 3t o p ip 数据通信协议 2 3 1t c p ip 协议 t c p i p 网络体系结构和协议标准是近年来计算机网络研究和应用的 热点技术，以它为基础组建的i n t e r n e t 己成为目前国际上规模最大的计 算机网络系统。在我国，t c p i p 也越来越受到广泛关注，并得以多层次 推广。t c p i p 协议族n 2 1 3 3 的最主要协议如表2 1 所示。 武汉工程大学硕士学位论文 表2 - 1t c p i p 协议族的主要协议 层次主要协议 应用层h t t p 、f t p 、s m t p ，d n s ，t e l n e t ，g o p h e r 、w a i s 等 传输层 t c p 、u d p 网络层i p 、i c m p 、a r p 、r a r p 等 接口层e t h e r n e t 、设备驱动程序、网卡等 在t c p i p 的模型中，传输层有两个并列的协议：t c p ( t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用 户数据报协议) 。t c p 和u d p 共存于一个网络中，t c p 是面向连接的，提 供可靠性服务，u d p 是无连接的，提供高效率服务。高可靠性的t c p 通常 用于一次传输要交换大量报文的情形，比如文件传输、远程登录等：高效 率的u d p 一般用于一次传输交换少量报文，尤其是交易型应用，比如数 据库查询的情形，其可靠性由应用程序提供，因为交换次数不多，即便 发生传输错误，必须重传，应用程序也不会为此付出太大的代价。 2 3 2 用户数据报协议u d p 在t c p i p 协议族中，用户数据报协议u d p 建立在i p 协议之上，同i p 协议一样提供无连接的数据传输。表2 - 2 是u d p 报文格式。 表2 - 2u d p 报文格式 o1 6 3 1 u d p 端口目的端口 报文长度校验和 数据区 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 相对于i p 协议，u d p 增加了协议端口的能力，源端口和目的端口字 段包含了1 6 位的协议端口，能够区分在同一台机器上同时运行的多个进 程，以保证进程间的通信，从而提供了应用程序之间传送数据的基本机 制。为此，每个u d p 报文不仅传送用户数据，还包括发送方和接收方的 协议端口号，这使得接收方的u d p 软件能够把报文送到正确的接收进程， 而接收进程也能回送应答报文给发送进程。发送数据时，实现u d p 协议 的软件构造一个数据报，然后将它交给i p 软件，便完成所有的工作。接 收数据时，u d p 软件先要判断接收数据报的目的端口是否与当前使用的 某一进程的端口相匹配。假如是，则将数据报放入相应接收队列，否则， 抛弃该数据报。如果端口匹配，但相应端口队列己满，u d p 也要抛弃数 据报。u d p 的优势在于它的高效率【1 2 1 。 2 3 3 传输控制协议t o p 传输控制协议t c p 是传输层的另一个重要协议，它是一个完整的传 输协议的典范，提供了一个完全可靠的、面向连接的、全双工的、流传 输服务，除提供和u d p 一样的进程通信能力外，其重要特点是可靠性很 高，几乎可以解决所有的可靠性问题。t c p 的可靠性是由其提供面向连 接的流传输来实现的。面向连接对可靠性的保证首先是它在进行实际数 据传输前，必须在发送端与接收端建立一条连接，连接通过三次握手进 行。在三次握手的第一次中，a 机向b 机发出连接请求( c o n n e c tr e q u e s t ) ， 其中包含a 机端的初始报文号( 比如x ) ；第二次b 机收到c r 后，发回连 接确认( c c ) ，其中包含b 机端的初始报文号( 比如y ) ，以及b 机对a 机 初始序号x 的确认；第三次a 机向b 机发送x 序号数据，其中包含对b 机初始序号y 的确认。三次握手连接建立如果没有成功，则发送端不会 向接收端发送数据。其次，面向连接传输的每一个报文都需接收端确认， 未确认报文被认为是出错报文【1 3 1 。 t c p 采用的最基本的可靠性技术是：确认与超时重传。客户发出一 个请求的同时，启动一个定时器，不管请求或者响应丢失，定时器总会 超时溢出，一旦定时器超时，客户将重新发请求，直到成功建立连接。 武汉工程大学硕士学位论文 另外，t c p 为保证可靠性还要进行滑动窗口流量控制和拥塞控制等。所 以，t c p 比u d p 的可靠性要高，但效率要低。表2 3 为t c p 和u d p 协 议的比较。 表2 - 3t c p 和u d p 协议的比较 内容t c pu d p 连接建立过程需要不需要 传输方式分组传输总是避免分组 报文总是以发送的顺序 报文以它们到达的顺序 报文分组顺序到达主机，并得到接收者 到达主机 的确认，以确保投递成功 采用超时重发、三次握几乎不提供可靠性，须由 传输可靠性手、滑动窗口等保证可应用层来完成可靠性操 靠传输作 2 4 远程监控系统的实现方案研究 i n t e r n e t 网上应用系统经历了传统的两层c s 模式、三层c s 模式、 b s 模式。 2 4 1 两层c s 结构 两层c s 结构形式是最早信息系统开发研究的基础模式，是一种传统 的计算模型。它随着数据库技术的发展而兴起。这种机构的优点在于系统 结构简单，功能单一。在规模小时，效率较高，而且网络传输量少。因为 客户端的操作对象一般都直接面向数据库表，这样客户可以直接修改维护 数据库信息，不需要中间附加环节。客户端集成了较复杂的处理运算功能， 而数据库服务器的功能只是进行数据存储。客户端与数据的通讯通常都是 处理后的有效数据。图2 2 为两层c s 数据库系统的结构图。 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 服务器 图2 - 2 两层c s 结构图 但是，随着计算机技术的发展，信息系统的应用规模和范围不断发展 扩大，而网络技术的发展也为更快和更广的数据传输提供了技术基础，在 这种情况下，就反映出了两层c s 结果所具有的缺点： ( 1 ) 系统硬件资源的浪费。随着软件复杂度增加和客户端规模的扩大， 为了保证客户机都能运行全部的软件功能，不得不对所有的客户机都进行 硬件升级。 ( 2 ) 缺乏灵活性。客户机服务器需要对每一应用独立地开发应用程序， 消耗了大量的资源，而且在向广域网扩充( 如i n t e m e t ) 的过程中，由于信 息量的迅速增大，专用的客户端已无法满足多功能的需求。 ( 3 ) 客户端和服务器的直接连接，服务器将消耗部分系统资源用于处 理与客户端的连接工作。每当同时存在大量客户端数据请求时，服务器有 限的系统资源将被用于频繁应付与客户端之间的连接，从而无法及时响应 数据请求。客户端数据请求堆积的直接后果将导致系统整体运行的失败。 2 4 2 三层c s 结构 为克服传统c s 模式的不足，软件厂商大都转向三层c s 结构。在三 层结构下，应用系统的三个逻辑部分一用户界面表示、业务逻辑和数据各 自独立，分别放置在客户机、服务器和数据库服务器三个实体上，客户应 用程序只负责提供用户界面，当需要进行数据访问和复杂计算时，客户应 用程序向服务器发出请求【1 4 】。 武汉工程大学硕士学位论文 服务器响应客户应用程序的请求，完成复杂计算，或者向数据库服务 器发送请求以完成数据操作，并将计算或操作结果逐级返回给客户应用程 序，通常不会出现客户应用程序同数据库服务器之间的直接通信。三层 c s 结构如图2 3 所示： 臣塑亟圈、 巨、目 巳堕固疆豳7 7 三层c s 结构具有以下特点：客户应用程序，三层结构的客户应用 程序与两层结构比较，它去除了数据处理部分，其功能是为用户提供商业 服务界面。服务器，三层结构中新的一层就是服务器。服务器提供客户 应用程序和数据服务之间的联系。该层主要完成执行数据处理功能并把结 果表达给客户应用程序。服务器使得客户应用程序从复杂的原始数据服务 中分离出来。由于系统中最常发生变化的是商业规则，当规则发生变化时， 只需要修改这一层，而不需要修改前端客户应用程序和后端数据库。第 三层由数据库服务器组成。最常见的数据库服务器就是关系数据库管理系 统如s y b a s e 、o r a c l e 、s q ls e r v e r 等。不能将数据服务器简单地等 同于关系数据库服务器，它们可以是：文件服务器、图像服务器等。这样 三层c s 模式相对传统c s 模式就具有以下优点： ( 1 ) 可维护性好，由于对结构进行了新的分层处理，因此一个服务中的 变化不会影响到其它服务。当商业规则变化时，只需要更新服务器上的商 业规则组件，所有连接在该服务器上的客户应用程序就能及时、同步地使 用新的业务逻辑。 ( 2 ) 系统资源优化，由于客户应用程序只负责提供用户界面，不再承担 数据存取和复杂计算等工作，这些工作由服务器来承担。这样使得客户机 的负载大大降低，从而可以降低客户机的配置要求。 ( 3 ) 降低数据库服务器的负荷，在三层结构中，客户应用程序是通过服 第2 章基于w e b 的远程监控系统的分析 务器与数据库服务器相连接，减少了数据库服务器需要维持的线程数目， 这样两层结构中的同步会话就变成了异步会话，降低了数据库服务器的负 荷。 ( 4 ) 系统的反应速度快，决定系统反应速度的首要因素是网络通信量。 由于两层结构的主要处理在客户应用程序中，使客户端往往过于庞大、负 载过重，为了完成系统的各种功能，往往不得不从服务器上将大量数据传 送到客户端进行各种处理。在三层结构中，由于数据在发送到网络之前首 先由服务器进行处理，只把结果返回给客户应用程序，网络的通信量因此 会下降。 2 4 3b s 结构及其特点 所谓b s 结构就是浏览器w e b 服务器数据库服务器，它是典型的三 层c s 结构在w e b 上应用的特例。其中，表示层是w w w 浏览器，客 户端根据某资源的u r l 向w e b 服务器提出服务请求，w e b 服务器把数据 文件传送给客户，而客户端由h t m l 负责表示逻辑；服务器端是w e b 服 务器，通常它使用c g i 、i s a p i 、a s p 等技术访问数据库