（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网的过程控制系统远程监控技术研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 随着计算机网络技术的普及，世界范围内的产业结构发生了根本性的变革， 促进了全球信息化的发展，在工业控制领域，控制网络技术已经成为自动化技 术研究的热点。 传统的控制方案已无法满足现代化工业生产的要求，且极大地阻碍了发展 的速度。所以，随着i n t e r n e t 技术和控制技术的相互结合，基于i n t e r a c t 的分布 式网络控制系统作为实现现场微观控制和企业宏观决策一体化的优越模式在工 业过程控制中赢得了越来越广泛的应用。 本文以陶瓷隧道窑炉监控系统为背景，讨论了一个基于工业以太网架构的 过程控制远程监控系统，它综合利用了数据采集技术、计算机网络技术、通信 技术及面向对象的编程技术，充分运用了b r o w s e r s e r v e r 模式和c l i e n t s e r v e r 模式各自的优点，采用了层次化、模块化的设计手段。同时，监控系统运用以 太网的优势，克服现有的现场总线的劣势，用o p c 技术实现了信息网络与控制 网络的实时数据交互。 论文的重点放在监控系统的通信上，在分析比较了b s 与c s 后，综合利 用二者各自的优势，组建了混合模式的监控系统，利用w i n s o c k e t 技术、面向 对象的编程技术实现了服务器端和客户端相关的系统通信、监控信息显示、报 警及用户管理等功能模块。该监控系统给过程控制系统远程监控提供了一种新 的思路，假以时日，远程监控技术必将运用工业乃至民用监控领域中。 关键词：工业以太网，远程监控，o p c ，w i n s o c k e t ，陶瓷窑炉 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h en e t w o r kt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r , t h e f u n d a m e n t a lc h a n g eh a st a k e np l a c ei nt h ew o r l d w i d ei n d u s t r i a ls t r u c t u r e i t p r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fg l o b a li n f o r m a t i o n i z a t i o n i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r o l ，c o n t l d in e t w o r kt e c h n o l o g yh a sa l r e a d yb e c o m et h ef o c u so fa u t o m a t i c t e c h n i c a lr e s e a r c h t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls c h e m eh a sb e e na k e a d yn n a b l et om e e tt h ed e m a n df o r m o d e r n i z e di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a n dh a sh i n d e r e dt h es p e e do fd e v e l o p m e n tg r e a t l y s o ，w i t ht h e i n t e rc o m b i n a t i o no fi n t e r a c tt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r kt h a tb a s e do ni n t e m e th a v eg a i n e do fm o r ea n dm o r e e x t e n s i v ea p p f i c a f i o ni ni n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o is y s t e m 。w h i c hc a nb ea sas u p e r i o r m o d eo fi n t e g r a t i o no fs c e n em i c r o c o n t r o la n de n t e r p r i s em a c r o s c o p i c a ld e c i s i o a s t h i sp a p e rt o o kl o i nm o n i t o r i n gs y s t e mo fc e r a m i ct u n n e la st h eb a c k g r o u d ， d i s c u s s e dt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hb u i l tu po nt h eb a s i so fi n d u s t r y 。s e t h e r n e tc o n t r o l s i th a su t i l i z e dt h ed a t aa c q u i s t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n do b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y s y n t h e t i c a l l y , f u l l yu s e db r o w s e r s e r v e rm o d ea n dc l i e n t s e r v e rm o d eo n e so w n a d v a n t a g e s ，a n da d o p t e dt h eh i b e r a r c h ya n dm o d u l ed e s i g nm e a n s m e a n w h i l e , t h e m o n i t o r i n gs y s t e mu s e dt h ea d v a n t a g eo fe t h e m e ta n do p ct e c h n o l o g y , o v e r c a m e t h ei n f e f i o rp o s i t i o no ft h ee x i s t i n gf i e l d b u s ，c a r r i e do u tt h er e a l t i m ed a t ao ft h e c o n t r o ln e t w o r k t h ek e yp o i n to ft h et h e s i sw a sp u ti nt h ec o m m u n i c a t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e m a f t e ra n a l y s e da n dc o m p a r e dt h eb sa n dc s ，t h ep a p e ru t i l i z e dt h et w o e a c ho n e so w na d v a n t a g e ss y n t h e t i c a l l y a n ds e tu pt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fm i x i n g t h em o d e ，u t i l i z e dw i n s o c k e tt e c h n o l o g ya n do b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g y t oa c h i e v es e r v e r s y s t e m a t i cc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s e r v e ra n d c u s t o m e re n d a n ds h o wt h ec o n t r o li n f o r m a t i o na n dr e p o r tt ot h ep o l i c ea n du s e r p e r s o nw h om a n a g ef u n c t i o nm o d u l e t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mh a so f f e r e dak i n do f h e wt h i i l l 【i n gi nr e m o t ec o n t r o ls y s t e r n a f t e rs o m et i m e ，r e m o t ec o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yw i l lb e u s e de x t e n s i v e l yi ni n d u s t r ya n d e v e ni nc i v i l l y k e y w o r d ： i n d u s t r i a le t h e r n e tr e m o t ec o n t r o lo p cw i n s o c k e t t u n n e lc e r a m i e sk i i n n 武汉理i ：人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 工业过程控制系统概况【2 1 , 2 6 , 3 0 1 过程控制通常是指石油、化工、冶金、电力、建材等工业部门生产过程的 自动化，其主要被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度和p h 值 等过程变量。过程控制系统先后经过了手工控制、组合仪表控制、计算机控制 和d c s ( 集散控制系统) 。 上个世纪9 0 年代以来，计算机技术得到了迅猛发展，尤其网络技术的广泛 应用更是引起了世界范围内产业结构的变化，全球信息化得到了空前发展，在 工业控制领域特别是过程控制系统中，控制网络技术和现场总线技术已经成为 自动化技术发展的热点。 现场总线是近年来迅速发展起来的一种数据总线，它主要用于现场的智能 化仪器仪表、控制器、执行机构、i 0 模块等现场设备间的信息传递。智能仪 表和装置之间采用现场总线技术进行数字通信，而不再用模拟信号通过电线、 电缆进行互连，使信号传递方式发生了根本性变化，这样将大大节省电线、电 缆数量，使信号传递更加可靠、经济，各个仪表及装置的互连更加方便灵活。 现场总线技术的发展和成熟，将使目前常见的d c s 面临强大冲击。采用现场总 线技术构成的f c s ( 现场总线控制系统) 功能将更加分散，系统构成将更加灵 活，系统可靠性将大大提高。 现场总线的设计要求： 利用数字通信代替了4 2 0 m a 信号； 一条总线上可以接入多台现场设备； 实现真正的可互操作； 在现场设备上实现基本的控制功能； 采用高速工业以太网作为1 0 0 m b p s 网络干线。 针对这些设计要求，现场总线具有以下的技术特点： 现场设备的智能化和功能自治性。将系统的传感测量、补偿计算、工程 武汉理丁人学硕士学位论文 处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可完成自动控制的基本功 能，并可随时诊断设备的运行状态； 系统结构的高度分散性； 对现场环境的适应性。 现场总线具有的这些技术特点使得控制系统的结构得到了大大的简化，提 高了系统的准确性和可靠性，但是现场总线技术在其发展过程中又表现出下面 的不足： 现有的总线标准过多。仅国际标准i e c 6 1 1 5 8 就包含了8 个类型，未能统 一到单一标准上来；不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无 法实现信息的无缝集成； 现场总线专有通信网络的特点注定了它的成本高； 现场总线的速度较低，支持的应用有限。 因此，很多专家学者预测以太网是网络控制系统的发展方向，以太网也以 其数字式、可互操作、开放性的特点受到越来越多关注和重视。a r c ( a u t o m a t i o n r e s e a r c hc o m p a n y ) 预测今后e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基 础协议。此外，传统的控制方案中，现场的操作员在获取生产现场的情况后通 过报表经过一定的周期之后才能上报到管理部门，这使得决策部门无法获取实 时的生产情况，而管理、工艺部门对工艺参数进行调整后的效果也不能及时直 接反馈，存在较大的时间延时，因此，基于i n t e r a c t 的分布式网络控制系统作为 实现现场微观控制和企业宏观决策一体化的优越模式受到了工业过程控制领域 研究的重视。 1 2 国内外发展现状 1 4 , 1 7 , 1 8 , 3 3 , 3 7 1 前面已经提及，不同的现场总线间的通信协议差异使f c s 的开放性、分散 性和互操作性等特点难以体现，而且给用户的使用带来了不便，但由于各方面 的利益冲突使得在最近一段时闻内难以产生一个统一的总线标准，而与此形成 鲜明对比的是以太网技术迅猛发展。目前，国内外以太网作为控制网的研究已 成理论阶段过度到丌发阶段。惠普公司应用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产嵌入式以太 网控制器，可运行f r p 、h t t p 、t c p 以及u d p 协议，应用于传感器、驱动器 等现场设备。n e t s i l i e o n 公司应用n e t 枷t m 体系，生产嵌入式e t h e r n e t i n t e r n e t 2 武汉理一i ：人学硕= ：学位论文 芯片。此外，几个主要的现场总线组织迫于压力也在开发基于以太网的现场总 线协议，例如，f f 提出的l e c 6 1 1 5 8 标准中所定义的h s e ( h i g h s p e e d e t h e m e t p r o t o c 0 1 ) ，用高速以太网作为h 2 的种替代方案，选用1 0 0 m b p s 速率的以太 网的物理层、数据链路层协议，可以使用低价位的以太网器件。在国内，上海 交通大学自动化系提出了一种改进型的以太网介质访问控制协议，在该协议中， 非实时节点遵循1 一坚持的c s m a c d 协议，实时节点遵循实时节点访问控制 协议r 嗍m a c d 。浙江大学先进控制研究所也在消化吸收f f 的h s e 标准 的基础上提出了真正实现信息管理和底层控制一体化的工业以太网标准模型， 即基于e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 的分布式网络控制系统模型。 在远程控制方面，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举办，会议主要讨论了有关远程诊断系统开 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。另外，许多的国际组织，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 no p e n s y s t e m ) 、m f h ( s o c i e t y f o r m a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt 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 o 等也纷纷通过网 络进行了设备诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换的格式和标准。 国内的清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等高等院校也先后推出了各 具特色的监控系统，将以太网与t c p i p 技术应用到自动化系统中，连接并控制 所有设备，将i n t e m e t 技术引入到控制领域，通过连接不同的网络，形成一致的 网络结构可以十分自然地将网络规范应用于控制领域，实现信息的完全共享。 远程监控技术的应用，极大地提高了对复杂生产过程的检测、监督和控制功能， 实现了分散集中式的监控，实现了资源的共享，提高了系统的利用率。 1 3 本课题研究的意义 现代化的陶瓷窑炉中烧制陶瓷产品要求有很严格的烧成制度，这就要求生 产过程有很高的稳定性和协调性，必须采用集教控制系统。在整个控制系统中， 共有设备级、现场监控级、管理级以及远程监控级。 设备级位于陶瓷窑炉生产过程中间或者附近，即各类传感器、变送器和执 行器，它们将生产过程采集到的物理量转换成电信号送到上一级或者接受上 级传送过来的控制信号进行动作；现场控制级有过程控制站和数据采集站构成， 各类大型的控制柜、电源柜都在这里，操作人员尽在操作站上观察生产运行情 3 武汉理+ 大学硕士学位论文 况，读出过程变量，并判断设备是否在正常运行，而工程师就负责程序的修改 来适应生产的不断变化：管理级负责整个生产线的运行情况，利用历史数据和 实时数据预测可能发生的各种情况，辅助企业管理人员进行决策；而远程监控 级就是通过i n t e m e t i n t r a n e t 监视生产系统和现场设备的运行状态和各种参数， 并给现场的控制级进行反馈，这样管理人员特别是专家不必亲临现场，可以根 据需要即使发出调度指令，节省了大量的人力物力。 本论文针对陶瓷隧道窑炉的实际情况，选择“基于工业以太网的过程控制 系统的远程监控技术”作为研究方向，结合i n t c r n e t 技术的最新进展，把以太网 技术应用到监控层的数据交换，消除各种自动化系统之间的“信息化孤岛”，将 o p c 技术、现场总线技术、工业以太网技术和i n t e r a c t 技术相融合，从现代陶 瓷隧道窑中的过程控制出发构建网络化的控制系统。系统有四个部分：数据采 集、数据通信、监控软件、远程监控。数据采集是根据现场设备的具体要求配 置。本文主要介绍数据通信与远程监控。 控制系统的构建。将多种现场总线以及p l c 、f c $ 集成在同一以太网上， 选取具有以太网接口的硬件，实现现场设备间的通信，同时，通过通信模块将 数据上传到上位机以供监视和控制。 数据通信。采用0 p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 接口规范，解决了多 总线、多设备的控制系统的兼容问题，使得上层应用软件能采用一致的方式存 取下层的设备信息。 远程监控。利用w i n s o c k e t 技术与面向对象的编程技术，利用v i s u a lc + + 编程语言实现了基于面向连接的t c p 技术的远程监控，当合法用户进入监控主 界面时，就能根据自己的权限对现场设备进行监视和控制。 本课题研究的意义表现在： 吸收了计算机网络平台的最新技术，充分体现了远程监控的功能和特点， 实现了更大范围的资源共享，有效地避免了系统的重复开发。 采用o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术这种软总线，规范了工业控制设 备与应用软件之间的数据存储，通过o p c 服务器访问过程数据，克服了异构网 络结构和接口协议之间的差异。 采用以太网这种目前应用最广泛的局域网技术，利用e t h e m e t + t c p 佃， 使得开放性和低成本成为可能。 4 武汉理下大学硕士学位论文 1 4 本文内容安排 本文以陶瓷隧道窑炉监控系统的实现为背景，主要涉及的内容有：监控系 统的总体结构，网络结构的选择，数据源和数据应用者的通信，远程访问以及 各子系统豹设计方案。论文章节安排如下： 第一章：绪论 对过程监控系统的发展概况进行了叙述，随后指出了本文研究工作的背景、 意义以及将解决的问题。 第二章：远程监控系统的总体概述 针对要解决的问题，提出控制系统的设计方案，从需求分析给出了选用工 业以太网作为控制网络的原因以及解决办法。 第三章：以太网控制系统的组建 分析了控制系统的软硬件结构后，针对以太网在工业应用需解决的问题做 出了讲解。 第四章：控制网络中数据通信研究 数据通信是整个系统连接的枢纽，针对多总线的兼容性差的问题，采用了 o p c 这种软总线对系统进行了互连。 第五章：远程系统研究 在分析了c l i e n t j s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 两种模式的优缺点后，决定采取将 两种模式结合起来组建远程监控系统。 第六章：总结与展望 最后，对本系统的设计实现及所做的工作进行总结的基础上给出了系统发 展的一些展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章监控系统总体概述 2 1 本过程监制系统功能原理 如果按照网络的功能结构，一般将企业的网络系统划分为：企业资源规划 层e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 、制造执行层m e s ( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ) 以及现场控制层f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 。而若按网 络的连接结构，可将企业的网络系统划分为3 层：它以底层控制网络( i n f r a n e t ) 为基础，中间为企业的内部网( i n t r a n e t ) ，并通过它伸向外部世界的互联网 ( i n t e r n e t ) ，形成i n t e r n e t i n t r a n e t i n f r a n e t 的网络结构。i n f r a n e t 的原意为下层网，由于控制网络位于工业网络的底层。因而i n f r a n e t 已经成为 控制网络、现场总线的代名词，这种用于自动控制的下层网络，把具有通信功 能的控制设备连接起来，在工厂、农场、道路交通、建筑楼群以至社区家庭都 得到了广泛应用，形成低成本、高可靠性的分布式控制系统网络。它是企业内 部网i n t r a n e t 的特殊网段，也可以通过i n t e r n e t 形成特殊的控制系统。可以 说，i n t e r n e t - - i n t r a n e t - - l n f r a n e t 的结合相得益彰，进一步提升了企业网络 的作用，为企业实现管控一体化创造了良好的条件。 本论文提出的监控系统是在工业过程控制系统中的应用，它将控制网络 i n f r a n e t 与广义的信息网络i n t e r n e t 进行集成，实现远程的监控和维护。在 监控系统中，主要是对温度、压力和气粉流量等过程变量进行监视，相应的传 感器采集到数据后，通过工业以太网组建的底层控制网络i n f r a n e t ，集中由控 制系统进行管理与通信。现场的操作工人或者工程师可以针对从下位机传送来 的数据进行相应的处理，同时，考虑到工业现场环境的恶劣以及专家诊断的成 本，可在远程对生产进行监控。整个监控系统具有用户管理、数据显示、图形 显示、远程通信、控制命令选择、信息查询、紧急事故处理以及报警等功能。 2 2 监控系统体系结构简介 基于工业以太网的过程控制远程监控系统是以工业以太网构建的监控系 统，在系统中充分地利用浏览器服务器和客户机月臣务器两种模式各自的优势， 采取了将两种模式混合的远程监控平台。如图所示。 武汉理j l ：_ 人学硕十学位论文 控 制 层 图2 1监控系统体系结构图 在现场监控层，设置了数据库服务器，将下位机采集到数据存储在数据库 中并同时供现场和远程监控工控机实时访问。 本生产过场过程中大部分控制量是对电机的启停和阀门的丌启，且整个流 程中有许多执行元件( 控制阀门的开关等) 和检测元件，比较适合p l c 控制。 p l c 中程序所实现的功能分为：通信初始化部分，采用p l c 的以太网模块。需 对p l c 的i p 地址进行配置，还有连接时间、端口号、通讯协议等参数；工艺 过程部分，相关的工艺设计师进行工艺过程的编程设计，主要是对系统中阀门、 传送带、电机等的协调控制；故障处理部分，p l c 程序中应对一些常见的故障 进行冗余设计。为了达到集中监控的目的，还需将p l c 采集到的信息集中显示 到上位机中，可以在上位机中采用组态软件，完成了上位机和下位机之间的数 据连接，实时数据的显示、趋势显示，以及监控画面的制作，对现场故障的提 示，打印相关报表等功能。 2 2 1 控制网络的设计 现场设备采用工业以太网为主的总线技术，将多个设备组成一个局部控制 网络进行控制管理。通过比较现有的各种现场总线，本文准备采用工业以太网 作为现场设备的底层通信网络，选取具有以太网接口的硬件，实现现场设备问 武汉理i ：人学硕十学位论文 的通信，同时，通过通信模块将数据上传到上位机以供监视和控制。 工业以太网是以t c p i p 为传输协议进行传输的，随着以太网速度以及相 关技术的应用，以太网控制系统已经基本上解决了实时性的问题。此外，采用 可屏蔽双绞线或者光纤通信，稳定性和抗干扰的问题也可以得到控制。 2 2 2 控制网络通信设计 系统的集成主要解决的是通信的兼容问题，多种现场总线共存的控制系统 中集成了多种p l c 、d c s 等异构网络，因丽要实现整个系统的集成是最关键的问 题。在基于以太网的控制系统中，每一个控制节点都挂接一些外部控制设备， 获取这些控制设备的配置和运行数据是数据库系统的重要任务。由于控制设备 的多样性，提供的信息格式、数量差别较大，如何屏蔽这些差异，使上层应用 软件能采用一致的方式存取下层的设备信息，目前主要有两种方式解决，一种 是在通讯程序中进行数据格式转换处理形成软网关，另一种是采用o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 接口规范。本论中的设计方案采用o p c 技术。 o p c 是由o p c 基金会( 0 p cf o u n d a t i o n ) 制定的一系列基于c o m d c o m 技术 的软件接口协议，用来规范工业过程控制中自动控制、现场设备与商业办公软 件之间的接口。o p c 利用c s 结构，可以连接多个客户，其它客户可以不通过 o d b c ，而直接通过o p c 服务器来采集实时的数据和历史数据。 2 2 3 监控软件的设计 在本文中采用的基于工业以太网的监控系统中，远程有p c 机可以访问，为 了防止非法用户对监控后台的操作，系统应该配置用户管理功能，在合法用户 进入监控主界面时才能根据自己的权限对现场设备进行监视和控制。在配置下 位机通信前，服务器必须有一个固定i p 或者固定域名，此时各个下位机才能通 过w i n s o c k e t 与远方服务器进行通信。 2 3 监控系统的特点 本文利用了工业以太网技术、o p c 技术、w i n s o c k e t 技术及面向对象的软件 编程技术实现了基于工业以太网的过程控制远程监控系统，该系统的主要特点 表现在： 武汉理i ：大学硕十学位论文 配置灵活。用户可根据设备的实际情况选取各个应用模块，灵活组成适合 本系统需求的监控系统。 组网方便。系统终端采用总线型的拓扑结构，可扩充监控设备，增加系统 的容量。 技术先进。针对过程控制系统的复杂性，采用了混合模式的通信方式，综 合了两种模式的优点，操作灵活简单。 2 4 本章小结 本章主要是简单的介绍了基于工业以太网的过程控制远程监控系统的结 构，主要从控制网络的设计、控制网络与信息网络间的通信设计、监控软件的 设计三个部分进行了概述，简要的介绍了工业以太网、o p c 以及面向对象的软 件编程技术，为下面章节的详细论述作了铺垫。 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 第3 章以太网控制系统设计与组建 由于不同现场总线之间的技术特点与设计特征不同，基于不同现场总线的 产品之间不能实现透明信息互访。从理论上讲，通过网络互连设备和网关可以 将不同现场总线产品连接起来、实现它们之间信息的互相访闯，但这样做无疑 是增加了信息传送的复杂性，而且由于不同的现场总线网络在错误检查、配置 等方面都有它们专有的技术规范，信息在不同总线之间传输时经常会丢失，而 以太网技术可以很从容的克服这些问题。 3 1控制网络系统的方案 工业以太网是将以太网应用到工业控制和管理的局域网技术。根据以太网 的特点和现有的工业控制网络的要求，有以下设计方案。 专用的工业以太控制网络。采用一些和普通以太网不同的专有技术，用以 太网的结构实现现场总线所具备的所有控制功能，实现办公自动化与工业自动 化的无缝结合。如采用专门的以太网集线器技术，以集线器作为网络的仲裁器； 把现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，改 造出 图3 1 专用工业以太网控制系统结构方框图及拓扑结构图 与其它控制网络结合的以太网控制系统。以太网正逐步向现场设备级深入 1 0 武汉理： 人学硕士学位论文 发展，并尽可能和其它网络形式融合。目前，基于e t h e r n e t + t c p i p 的传感 器、变送器可以直接成为网络的节点，其控制参数和控制状态可以直接在企业 信息髓络内部传输和共享，从而避免了f c s 因存在多种协议而难以集成的局面。 但以太网和t c p i p 协议原本不是面向控制领域的，在体系结构、协议规则、物 理介质、数据、软件和使用环境等方面与成熟的自动化解决方案相比还是有着 很多需要我们去研究并加以解决的课题，因此，其它控制形式与以太网保留各 自的优点并互为补充，是目前以太网进入控制领域最常见的应用方案。其结构 方框图如下。 图3 2e t h e r n e t f c s 网络结构 与其他控制网络结合使用的工业以太网为现代化工业企业提供了很大的选 择余地，更好的利用现有的工业网络，减少企业的投资，降低成本。在理想的 工业以太网大范围的应用之前，这种混合模式是将来一段时间的发展方向。 3 2 控制网络的组建 3 2 1 控制网络系统的硬件结构 从上面分析得知，现有的现场总线目前是不可能完全为工业以太网所取代 的，但后者发展的巨大潜力我们决不能忽视。针对我国工业发展的现状，将现 场总线与工业以太网结合起来更有现实意义。因此，本文提出将以太网技术、 数据库技术、o p c 技术以及面向对象技术，编程实现了将多种现场总线以及p l c 、 f c s 集成在同一以太网上，同时通过i n t e r n e t 进行远程监控的网络控制系统。 武汉理：_ 人学硕士学位论文 嘎 蟪u ) 南豳一函6 图3 3 控制系统结构图 控制系统由现场各种仪器仪表、嵌入式控制器、p l c 、工控机、工作站、数 据库服务器、网关设备、交换式以太网等组成，可分为过程监控层和工业现场 设备层。其中过程监控层网络是系统的主干网络，用于连接工程师站、操作站、 数据库服务器、制造执行系统设备等，而在工业现场设备层，带以太网接口的 p l c 直接挂接到交换式集线器上，嵌入式控制器可以通过自带的以太网接口接 入到控制网络中，现场的监控工作站实现工业监控组态、设备组态监控和网络 管理。远程的监控工作站则可以利用编程进行远程的时数据调用、参数修改等 功能，以达到远程监控的功能。智能仪表和先进控制技术可以在实时数据库平 台上集成，并通过企业信息网与e r p 系统连接，提供生产实时数据，最大限度 的增加企业管理和生产调度的能力。 该控制网络系统的特点是，系统的通信建立在e t h e r n e t + t c p i p 协议基础 上。通过网关把各种现场总线集成。当上位机向现场设备发送查询或者控制指 令时，它首先通过e t h e r n e t 和t c p i p 协议将相应的信息发送给网关，然后由 网关根据现场总线协议发送给响应的现场设备或智能仪表。此外，在这里使用 了o p c ( 0 l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 接口规范与应用程序实时交换数据。反过 来，当现场的智能仪表有信息发送给上位机时，需要网关作为代理，将信息发 送给相应的上位机。考虑到现场环境恶劣，操作人员和工程师无法或者无需到 1 2 武汉理i ：人学硕士学位论文 现场时，就可以通过i n t e r n e t 进行远程访问和控制。 3 2 2 控制网络系统的软件结构 本系统考虑到工业现场复杂的环境，现场和远程计算机全部采用工控机， 操作系统采用w i n d o w s 2 0 0 0 n t ，它可提供安全、可靠、简单的t c p i p 网络配 置，支持客户服务器机制以及采用面向对象的编程方式，能胜任以太网控制系 统。 本系统要完成的任务是将现场的实时信息数据集成到实时数据库中，基于 这个实时数据库和操作系统平台，在现场工控机上运行组态软件和其它应用软 件，软件设计时遵循o p c 的接口规范，这样上层的软件就可以不依赖具体的设 备。同时，通过i n t e r n e t 或者e t h e r n e t ，远程工作站监控整个系统的运行状 况。 开启服务 器程序 五 创建数据库 相关数 据处理 数据交换区 现场设备l i 通信模块 开启监控程序 厂赢 数据 处理 控制算法模块 数据 显示 数据 存储 存储数据库 i 垩堡竺苎塑坌卜簧瓴逸也兰竺型 图3 4 控制系统软件功能模块图 整个系统以实时数据库为中心，主要由数据库系统、通讯系统和监控组态 系统组成。其中数据库包括实时数据库和历史数据库，实时数据库作为系统的 服务器。单独的存放在一台工控机中，可存储从各种仪表和设备系统接口中的 获取时间序列的实时数据，并供远程客户端访问，实时数据库实现了过程数据 和管理数据的集成和共享。监控组态软件的设计主要分为三个模块，即初始化 模块、数据处理程序模块和多线程事件处理模块。其中，初始化功能模块实现 1 3 武汉理一l 人学硕士学位论文 的功能有读取组态好的系统配鬣文件并初始化系统配氯硬件、读驳组念数据库 的组态变量记录信息创建实时数据库、读取流程图组态文件创建图形显示画面。 系统完成初始化后，将调用数据通讯程序与下位机进行通信，启动多线程任务 处理程序，实现图形显示、刷新、报警、历史数据存盘、实时报表打印等。 3 3 以太网技术 显而易见，以太网具有很多的优势，但如何利用c o t s ( c o m m e r c i a lo f f - t h e s h e l f 商用现货，即采用成熟的商用货架产品及集成技术，以实现更快的研制周 期、更低的研制成本等) 来满足工业控制需要，是目前迫切需要解决的问题， 这些问题包括通信实时性、现场设备的总线供电、本质安全、远距离通信、可 互操作性等，它们直接影响以太网在现场设备中的应用。 3 3 1 以太网技术概述 以太网技术最早是由x e r o x 开发，后经数字设备公司( d i g i t a te q u i p l m e r i t c o r p ) 、i n t e r 公司联合扩展，并于1 9 8 2 年公布了基于以太网规范的i e e e 8 0 2 3 。 按i s o 开放系统互联参考模型的分层结构，考虑到一些因素，以太网规范只取 了通信模型中的物理层和数据链路层。而现在人们所指的以太网技术，不仅包 含了物理层和数据链路层的以太网规范，还包括了t c p i p 协议组，即包含了网 络层的网际互连协议i p 、传输层的传输控制协议t c p 、用户数据报协议u d p 等，有时甚至把应用层的简单邮件传输协议s m t p 、域名服务d n s 、文件传输 协议f t i 、超文本链接h t i t 、动态网页技术等都与以太网技术捆绑在一起。 以太网与o s i 互连参考模型的对照关系如图。 应用协议 t c p j ，u d p d 以太网m a c 以太网物理层 图3 4 工业以太网与o s f i s o 参考模型的分层对照 从图中可以看到，以太网的物理层与数据链路层采用了i e e e s 0 2 3 规范， 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 网络层与传输层采用了t c p i p 协议组。以太网由于其开放性好、应用广泛以及 价格低廉等特点，不但基本垄断了商业领域的网络市场，而且在工业控制领域 ( 以前主要集中在企业管理层) 也得到了大规模的应用。“以太网作为开放式的、 非专有的、企业标准局域的发明，也许比以太网技术本身的发明更重要。” 目前，以太网技术有着以下的优势。 应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，几乎所有的编 程语言都支持以太网的应用开发，如j a v a 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等等。因 此，使用以太网可以保证有多种开发工具、开发环境可供选择。此外，以太网 作为一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联，这种特性正好解决 了现场总线控制系统中设备间互操作性的问题。 成本低廉。以太网应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重 视与广泛支持，已有多种硬件产品可供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。 通讯速率高。目前l o o m b s 的快速以太网己开始广泛应用，1 0 0 0 m b s 以太 网技术也逐渐成熟，l o g b s 以太网也正在研究中，通讯速率比现场总线快很多。 软硬件资源丰富。由于以太网已经应用多年，人们对以太网的设计、应用 有着很多的开发经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以 显著的降低系统的开发和培训费用，从而显著的减少系统的整体费用，并大大 加快系统的开发和推广速度。 资源共享能力强。随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的发展，以太网已经渗透到各个角 落，网络上的用户，无论处于什么地方，也无论资源的物理位罨在哪里，都能 使用网络中的程序、设备和数据，也就是说，用户使用千里之外的数据就像使 用本地数据一样，它解除了资源“地理位置上的束缚”。 可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的 重视和大量的技术投入；并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展 将很大程度上依赖一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发 展将更加迅速，也更加成熟，出此保证了以太网不断地持续向前发展。 由上可见，如果采用e t h e m e t 作为工业控制网络，可以避免现场总线技术 游离于计算机网络技术之外，从而实现现场总线技术和一般网络技术互相促进， 共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入， 这一点是任何现有现场总线技术所无法比拟的。 以太网与传统现场总线的性能比较。 武汉理一i ：人学硕士学位论文 、蓥线种类 以太网传统现场总线 比较类别、 实 确定性 否( 但趋向于确定) 是 时响应时间小于等于4 m s小于等于5 m s 性 报文大小所有规格有限 向上兼容性 高低 可开放性高低 移 互操作性高低 植 标准 l e e b b 0 2 3 e n 5 0 1 7 0 f f 性 网络安全性高( 但面临许多急需解决的问题) 高 上层协议t c p i p专有协议 传输介质 光纤、同轴电缆、双绞线、无线铜线、光纤 物连接设备控制器、远程i o 控制器、远程l o 理 最多节点数6 4 0 5 0 0 连 每段节点数1 2 5 6 4 8 接 接点闻距离虽大4 0 l i n最大2 0 k m 远距离中继器支持 支持 即插即用支持不支持 网 拓扑结构总线、星型、环型总线、星型、环型 络 i - r l t p i w w w支持不支持 管 l s o 层次1 01 、2 、7 、用户层 理 s n m p 支持不支持 性 速率 最高1 0 0 0 m b p s 1 2 m b p s 能 升级能力 高一般 费 连接费用 低高 维护费用低高 用 厂商多盥一 控管理信息层适用不适用 制控制层 适用 适用 层 设备层适用适用 次 二进制传感器网关连接适用 表3 1工业以太网在控制领域的研究和应用 3 3 2 以太网技术在工业控制网络中的应用2 6 2 8 剐 要将工业以太网应用于工业控制，必须解决网络硬件的可靠性问题。为此， 各种制造商正在研究适应于工业环境的以太网产品、控制器，并开始提供以太 网接口。目前，已有一些厂家封装传统的以太网电缆和接插件，推出基于p c 1 6 武汉理1 ：大学硕十学位论文 和o p c h i p 设备解决方案，如r o c k w e l l 公司推出一个基于e t h e m e t i p 的工业解 决方案，即第三套a l l e n b r a d l e y 产品，首先在以太网上实现了实时控制功能， 可在c o n t r o ll o g i x ，p r o c e s sl o g i x ，f i e xf o 和p a n e l v i e w 总线上提高l o o m b s 的传输速度；w o o d h e a dc o n n e c t i v i t y 提供了一种基于微型化r j - 4 5 技术的特殊 封装的抗污染、抗震动、舫止误接的工业以太网接插件r j l n x xi p6 7 ，它兼容 l o b a s e t 系统并能与商用r j 4 5 和其它工业以太网产品一起使用，采用5 类型 l u m b e r gi n c 改进了传统的用于传感器的针式m 1 2 接插件使之适用于工业以太 网，称为“e t h e r m a t ei n t e r c o n n e c t i o ns y s t e m ”，主要产品包括r j 4 5 m 1 2 防水插 座，i c