（模式识别与智能系统专业论文）分布式监测技术及其在水情监测系统中的应用.pdf

麟黼。塑莲分布式监测技术及其在水情监测系统中的应篇模式谈聚与智能系统专篷 耱突生：骂剩指导老雾葬：吉镩壁分农式疑测技术是指剥瘸诗算撬羁隧终技本实现对分散在各缝静各种对象进霉实聪监测以及期互阙豹透信_ 琴爨繁患共享。本文燕是在深入学习和分耩了当翦各秘棚关技术的基础上，综合考惑系统鲍霹扩震性、霹靠 奎、实瓣惶以及先进性等攒振，提出一套以以太嬲l 乍为澳l 按照终、以w i n d o w sd n a 为软 牛汗发模型的分布式水婕债息系统。本文所傲的_ 工l 乍主要包撼：( 1 ) 首先论述了瑰场总线的产生鹜景，余缓了几耪星翦鸯影哟的瑷场总线，薰点讨论了现场总线的岗限性：标准滏不绞一、传竣速搴低。然磊焱深入分据以太网技术及其发展现状的基础上，提出将以太网馋为工业控制网终蛇必要性和可行性。( 2 ) 智能节点的设计衣水情监测系统中占有耋要的位爨，零文在详缨论述蟹能传感器盼特点及其发展现状的基础上，提出使用基于t c p i p 的网终化传感器f # 为网络中独立的智能监测节点，丈大地方便了系统的扩充积维护。( 3 ) 监测软件是水情监测系统的重要鳃成部分，本文熏点论述了分布式组l 牛技术的发展历史，c o m d c o m 组件模型规范、原理，特别是w i n d o w sd n a 及c o m +的结构、提供的新服务。提出利用c o m + 技术设计具有分布式、组l 牛化特点的先进的软件系统。( 4 ) 讨论了分布式网络化监测系统的设计原理和过程，包括：网终的搭建、智能监测节点和系统软件的设计。( 5 ) 提出了以以太网为测控网络的基于c o m + 的分布式水情监测系统体系结摘簇构，详细论述了各模块的功能以及智能传感器、工业以太网、分布式组件的设计方法靼过程。重点讨论了网终系统豹臻麴特藤秘软侮系统懿吴体实现过程。 6 最后，在总结全文的基础上，提出了若干有待进一步深入研究和探索的润嚣。本文在总结和研究了分布式般测系统的实现原理及其榴关技术的基础上，提密了使用以太网律为测按网络以及基- t - c o m + 的软件设计模式，结合水情监测系统的实际需求t 构建了基予以太网和c o m + 的分布式水馕监溅系统。该系统炸为水资源优化配置和调度自动化系统的基础单元，在我国经济和社会可持续发震中具骞重要戆意义。关键词：以太嘲智能传感器c o m + 分布式监测系统熊s 7 r a e ld i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gt e c h n i c a la n di t sa p p l i c a t i o ni nw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mm a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o nm a di n t e l l i g e n ts y s t e mg r a d u a t e ：知纽i it u t o r ：蕊z h o 滗b in l et e c h n i q u e s , w h i c hu s et h ec c 唧u t e r sa n dn e t w 啦- kt om o n i t o r i n gt h e 曲j e c t se v e r y w h e r e 。i sc a l l e d 糖s 撑i 魄t 醚m o n i t o r i n gt e c h n i q u e s , a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h ec u r r e n tc o 穹1 融i v et e c h n i c a l 。t h ep a p e rp u tf o r w a r d8w a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mt h a tb a s e do ne t h e r n e ta n dw i 粼融s 璜汲r a i nw o r k sc a nn o wb es 墟m e i z e da sf 。l l 侧s ：。( 1 ) h ep a p e rf i r s t l y 越s s e r t 啦e dt h eb a c k g r o u n do ff i e l db u s 。t h e n s e v e r a li n f l u e n t i a lo ft h e mh a v eb e e ni n t r o d j c e da n dt h em a i nd i s e d v a n t a 嚣sa b o u tt h ed i s u n i t yo ft h e i rs t a n d a r d 挪1 dt h el o ws p e e da r ed i s c u s s e d a tl a s t 、t h en e c e s s e l r ya n df e a s i b i l i 留o fe t h e r n e th a v eb e e np u tf o r w a r dk l s e 娃o n 如e p l ya n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fe t t 犍m e t ( 2 ) 鼢l ed e s i g no fs h 毪r t 狱d e sh o l dg r e a ti n 零o r t a n c ei nw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t 僦a f t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e 张l o l m m n to ft h es e n s o rd i s s e r t a t e d ，t h i sp a p e rs u g g e s t e dt ou s et c p f i pb a s e ds m a r tg e l 础r s ，w h i c hm d et h es p o ts e n r st ob eo b s o l u t er l o d e sa n dm a d ei te a s i e rt oe x t e n da n dv i n d i c a t et h es y s t 熊( 3 ) s o f t w a r ei sai n o r t a n tp e r to fw a t e rl e v e lm o m t i n gs y s t e s r li nt h i sp a 】d e r ,ld i s s e r t a t e dt h eh i s t o r y 艚d i s t r i b u t e dc o m p o n e n tt e c h n i q u e s ，t h e 燃s p e c i f i c a t i o n , e s p e c i a l l yw i n d o w s 措璁a n dt h es t r i c t u r ea n dn e ws e r v i c eo f t h e ni 蝌s t e du s i n g 潞t od e s i g na d v a n c e ds o f t w a r e ( 4 ) t h e 凇rd i s s e m t e dt h ew o r k i n gt h e o r ya n da l 冀r - s e 嚣m o n i t o r i n gs y s t e m t h e r ea b s t r a c ta t et h r e ep a r t s ，w h i c hi n c l u d ed e s i g n i n gm o n i t o r i n gn e t ，s m a r tn o d e sa n dd i s t r i b u t e ds y s t e 目ns o f t w a r e ( 5 ) t h e nt h ep a p e rp u tf o r w a r das u i to fw a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mi nw h i c ht h ee t h e r n e tb e i n gi n d u s t r yn e ta n dt h e1 c p i pb a s e ds m a r ts e n s o r sb e i n gm o n i t o r i n gn o d e s t h es t r u c t u r eo ft h en e tw a sm a i n l yd i s s e r t a t e d m e a n w h i l e t h ew h o l es y s t e ms o f t w a r eb a s e do no 。浒h a sb e e nw r i t t e n 6 f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h es u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta b o u tm o n i t o r i n gs y s t e mi sd i s c u s s e c lo nt h eb a s i so fs m m a r i z i n ga n ds t u d y i n gt h ec o r r e l a t i v et e c h n i q u e s ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h es y s t e ms t r u c t u r et h a tu s i n ge t h e r n e ta sm o n i t o r i n gn e ta n ds o f t w a r es y s t e md e s i g nm o d eb a s e do n 呲a tt h es a m et i m e t h ew a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne t h e r n e ta n d0 卜i sd e s i g n e & a st h eb a s eo fw a t e rr e s o u r c eo p t i m i z a t i o na n da t t e 呻e r a t i o na u t o m a t i o ns y s t e n l t h es y s t e mi sv e r ym e a n i n g f u l k e yw o r d s ：e t h e r n e ts m a r ts e n s o rc c m + d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e m第一章绪论第一章绪论1 1 监测系统及其发展方向今天，测量、计算机、通信以及网络等技术的飞速发展，使计算机监测系统发生了根本的变化。大量的监测功能都可以通过对被测信号的采样，经过a d转换为数字信号，再通过网络接口，计算机可获得最终的测量结果，并且网络中的所有设备均可以共享。若本地网同i n t e r n e t 连接，则全世界被授权的用户均可得到这些数据。这样可以摆脱由硬件构成一件件仪器再构成系统的概念，进而转换为由计算机资源、a d 变换器、网络等带有共性的硬件模板和计算机应用软件组成的现代监测系统。计算机和微电子技术的发展，对现代监测系统产生了极大的影响。现代监测系统在硬件上已经达到了很高的水平，诸如3 2 位和6 4 位微处理器、高速数据采集芯片、高速高分辨率的a d 转换器、超高速电子电路的出现，为构造高性能的监测系统提供了必要的硬件保障。同时，i n t e r n e t 在最近十年中的爆炸式发展，以及w i n d o w sd n a 等先进的软件开发模型的出现，为构建先进的现代监测系统提供了充分的软件支持。近年来，国内外许多公司正竟相推出自己高水平的监测系统，代表着现代监测发展水平的美国，也推出了新一代的计算机网络化监测系统。这些基于分布式环境的计算机监测系统具有如下的特点：l 、积木式结构，各功能模块化、标准化，使系统的扩展能力得到了很大的增强。各模块高度自治又相互配合，功能可根据用户需要配置，设备可增可减。2 、各子系统、分系统通过标准总线或通信网络构成多机并行处理系统，以实现实时监测。3 、处理机内部以及各子系统的互联采用多总线结构，以提高处理速度和效率。4 、采用硬件预处理机，使大部分数据的处理，如：a d 转换、数据压缩等均由预处理机完成，从而减轻了主机的负担，便于主机更新。7第一章绪论5 、多数据流输入，可以满足不同类型的数据接口，使分布式监测系统可为多种监测任务服务。总之，现代监测系统的发展方向是结构开放和功能综合。开放的系统结构有利于实现系统资源、软件资源以及硬件资源的共享，易于实现系统的升级和扩充，易于适应各种需求，提高资源的重复利用率。1 2 监测系统在国民经济中的应用计算机监测系统的应用遍及水情水文测报、电力系统、输油和输气系统、矿山生产系统、城市公共事业系统、气象系统、航空航天系统等领域，采用这种先进的技术，就能使生产效率大大提高，安全生产得到更可靠的保障。下面是大家较为熟悉的例子。我们知道，电力是现代化生产的主要动力，由若干发电厂、变电站及输配电线路构成了一个庞大的电力系统。为了合理分配电力，保证系统安全、可靠、连续高质量运行，其调度任务是十分繁重的。计算机远动装置就是完成电力系统自动化调度的很好工具，它可以遥测各站、点线路的电压、电流、功率、功率因数、频率等运行参数。此外，还可对各运行参数和状态进行显示，打印制表，对事故进行预分析和处理，并且进行记录备查等。计算机监测系统能使电力系统经济、可靠地运行在最佳的状态。城市公共事业包括自来水、供电、煤气、取暖用热水分配、下水道排水、公共交通等。若用计算机监测系统管理自来水系统，可以实时监测水源群及各加压泵站的水位、水压、流量、水泵转速等；若将之用于公共交通，可以使车辆畅通无阻，并且大大减少交通事故，确保安全。总之，城市公共事业采用计算机监测系统，将会使得公共事业各系统能更及时、更经济、更高效地运行，以适应城市随季节、气象、昼夜、节假曰等情况对水、电、气供求量的要求。另外，计算机监测系统在环境、国防建设和空间技术等方面也具有十分广泛的应用。上述系统均有一个共同点，即被监测目标分散，且距离遥远。因此研究分布式计算机监测系统是非常重要和迫切的。第一章绪论 。3 研究水馕鉴测系统鑫孽重要意义当前。全世界都筒临着水资源的利用和管理问题。面对地区水燧分布不均、淡涝灾害复杂、生态繇撬瑟纯等溜题，必矮逶过饶纯凝嚣承瓷添，实现数承资源的可持续利用促进经济和社会可持续发展。上述目标的实现必须以掌撵水资源的萋础信怠为依爨，没有基本的水资溺信息，水资源的优亿配鹫与科学管理就失去了基础，因此建立水资源实时信息监测网络系统，实现水慵信息、水质信息的实时采集、数据传输与信怠管理，是永利信息化建设中重要的基础性工终，具饔深远粒意义。目前，我圜已经成功地开发和建设了多个防汛支持系统，如黄河防洪决策支持系统等。毽总兹来说，我国嚣蠢蓼的痰媾监铡系统仍然比较藩丢，毒特邀一步改进和完善。因此，研究j 噬应信息技术发展潮流的先进的分布式水情监测系统楚一个十分有价毽静谋蘧。爨二章耀关技术懿发矮及现状第二章稻关技术的发展及现状目前分布式监测技术发展迅逮，从工业网络的搭建到系统软件的设计都出璜了许多薪豹技术霸愚怒。奉睾：| 弩瓣其翱关菝零骰一麓分：2 ，1 臻场总线技术现场总线( f i e l db u s ) 是当今自动化技术领域发展的热点之一，被誉为自渤化镬域的计算机妫域网。它的出现，标志着正业控制领域又一个新时代的开始，势对该镁域豹发展产生重要影响。2 ，1 。1 瑗场总线凝述现场总线是应蹦子生产现场、在微机测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字纯、多煮通信的底层撩带i 网络。它在制造业、流程工业、交道、楼宇等方两的自动化领域具礴广泛的应用前景。璃场总线技术将专用的徽处瑾器置入传统的测爨控制仪表，使它们备自都具有了计算釉数字遇信的功能。该技术荣用可以进行麓单逡线豹双绞线等作为总线，把多个测量控制仪袋连接成网络系统，且按公开、规范的通信协议，在缆予现场懿多个徽掇囊二测囊设备之阉，褰瑰数据豹黪埝与绥患豹交按，形袋逶应实际需要的自动化系统。简言之，它把单个分散的测量设备变成了网络节点，疆现场总线麓经带，把它们连接戏弩福蠢沟运信息、菇离完成盆瓣任务豹两络系统。它绘自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在起，使计髯机的功能、作用发擞的变化。现场总线则使自动化系统与设备具礴了通信的功能，将它们逡接成嬲络系绞，热入到信息网络粒行列。 1 7 32 1 。2 璐场基线技术秘特焱及a 秘骞彩鹃戆瑰场总线可以从两个方面来讨论现场总线的特点：在结褥上，现场总线系统打酸了传统宣动蕾艺系统的结构形式，将多个功蘸模块置入现场设备，并加上现场设备的通信功能。由于采用了这些智能现场设第二章相关技术的发展及现状备使得现场总线系统可直接在现场完成，实现彻底的分散监测。适应了工业自动化系统向分散化、网络化发展的方向。同时，由于采用数字信号代替模拟信号，在现场总线系统以外不再需要a d 转换部件，这样可以大大简化系统结构，节约硬件设备、连接电缆以及各种安装和维护费用。在技术方面，现场总线系统包括如下特点：系统的开放性；互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性；系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性。8 0 年代末以来，有几种现场总线技术己逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，它们包括：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 和h a r t 等。 2 9 2 13 现场总线技术存在的问题现场总线是顺应智能现场仪表而发展起来的。其初衷是用数字通信取代模拟传输技术，但随着现场总线与智能化仪表一体化的发展，在自动化领域引起了场前所未有的革命。专家们纷纷预言：现场总线( f c s ) 将成为2 1 世纪自动化系统的主流。然而就在人们沸沸扬扬的对f c s 进行概念炒作的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调其主要表现在：首先，由于现场总线的标准尚未统一，使得各厂商的仪表设备难以在不同的f c s 中兼容：其次，现场总线的传输速率也不尽人意，难以满足某些场合数据高速传输的需要。由于上述原因，使f c s 在自动化领域的进一步推广和应用受到了很大的限制。2 2 以太网技术以及将其用于现场总线的研究现状2 21 局域网技术概述局域网( l a n ) 是指在较小的地理范围内、利用通信线路将多种数据设各连接起来实现相互间的数据传输和资源共享的系统。局域网的研究工作开始于7 0 年代，并在8 0 年代获得了飞速发展和大范围的普及。至今为止，l a n 的使用已是十分普遍。目前局域网使用的主要标准是i e e e8 0 2 系列标准采用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光缆以及无线电、微波、红外、激光等，常见的拓扑结构第二章相关技术的发展及现状有星形、环形和总线，常见的访问控制方法是载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 、载波侦听多路访问冲突避免( c s 姒c a ) 以及令牌传递方法，主要的操作系统有u x i x ，n e t w a r e 和w i n d o w sn t 操作系统，分类方法包括按传输介质、数据传输速率、网络拓扑结构以及访问控制等进行分类，其硬件平台由主机、传输介质、适配器、连接器等构成。 2 5 2 2 2 以太网( e t h e r n e t ) 技术2 2 2 】什么是以太网以太网是最早的局域网，也是当今最常见、最具代表性的局域网，其核心思想是使用共享的公共传输信道。最早的以太网由美国x e r o x 公司建立的，其灵感来自“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播的”，这也是“以太网”名字的由来。另外，以太网遵从1 9 8 5 年公布的8 0 2 3 协议标准。下面是以太网的一些基本概念：粗缆以太网l o b a s e - - 5 。这里1 0 表示数据的传输速率为l o m b s ，b a s e 表示传输的是基带信号。5 表示每段电缆的最大长度为5 0 0 米。网络组成：网卡、中继器、收发器、收发嚣电缆、粗缆( 5 0 欧姆、0 4 英寸的同轴电缆) 、n 系列阴极连接器、n 系列桶型连接器、n 系列端接器。它们均遵循5 4 3 ，2 1 规则，其中：5 指连接5 个网段且干线总长不超过2 4 6 9 米：4 指在以太网中最多有4 个中继器；3 指5 个网段中只有3 个能安装设备：2 表示另外两个网段仅作延长距离用；l 表示由此组成一个局域网，工作站到收发器最大距离为5 0 米，收发器最小间距为2 5 米。细缆以太网l o b a s e - - 2 ：与粗缆以太网相比，其连接站点不需使用收发器，单干线的长度不超过9 1 0 米。网络组成及网络标准与粗缆以太网略有区别。细粗同轴电缆混合网络：使用的硬件与各自单独进行网络连接时所用的网络硬件相同，只是需要一种细粗电缆转换器。双绞线以太网1 0 b a s r - t ：i e e el o m b s 萋带标准。网络组成：网卡、集线器、双绞线、分线模块连接电缆。网络标准：使用非屏蔽双绞线，使用r j 一4 5 连接器，1 、2 针用于发送，3 、6 针用于接收，从收发器到集线器的距离最大1 0 0 米，无需使用网桥，在网络上籀二章楣关授米的发艘及现状逡接最多1 0 2 3 个工作站。2 2 2 2 快速以太网的发展鞠现状传统的以太网的传输速率一般都是1 0 m b p s ，但是近年来，由于一些新的业务，如多媒体通售、交互筑旎频等，要袋更亳豹嬲络喾宽；阉耐慰络用户数量和业务髓的激增，网络连接的客户机和服务器性能也不断提高，使1 0 m b p s 以太潮懿速率和带宽已不链潢霆潮络发震静鬻求，缀诧，入们开始磷究鞫开笈嵩速以太网技术。2 2 2 。2 11 0 0 m b p s 以太网，l o o m b p s 以太网建基于l o b a s 卜寸和l o b a s 卜f 技术发展起来的。目前得到广泛应髑豹是i o o b a s e - - t x 窝i o o b a s e 一瓤，它们戆援羚结构箱转竣分覆森禺与i o b a s e - - t 和1 0 b a s e f 几乎完全一样，沿袭了i e e e8 0 2 3 的帧结构和访问控裁方式，僵其佟输速率提甍了1 0 倍。其中，】0 0 嚣盎s e | 寸x 继承了1 0 8 a s e _ 寸懿s类u t p 环境，i o o b a s 卜- f x 继承了l o b a s e f 多模光纤环境，w 以保持布线不变。1 0 0 m b p s 戳太湖受e s 艟a c d 的限制，系统覆盖范菡大大缩小，u t p 能够达掰的最大跨距为2 0 5 m ，两且最多可以接2 个中继器：光纤能够达到的最大跨距为4 1 2 m ，接中继嚣反而会缩短跨距。所以1 0 0m b p s 以太网既有共享型集线器组成的共享黧】0 0 i b p s 以太网，您有 o o m b p s 以太网交换器掏戏妻冬交换型以太翳。在l o o b a s ef x 使用光纤作为传输介质的环境中，可以充分发挥全双工技术的优势，不再受c s 淞c d 懿滩毒l ，霹将最长跨鼷跌4 1 2 m 扩震翻2 k m 。舞了可良兼容原麓的霹络系统，在使用u t p 传输介质的环境中，可以通过人工配置实现互通。新的产晶采蘑了端日阀富动协商藏术，无需天工辩置。对1 0 m b p s 和l o o m b p s 的蠢适应功能，w 保证l o 拍b p s 系统警滑地过渡到l o o m b p s 以太阚系统。2 。2 2 。2 2i g b p s 以太耀随潜宽带应用迅速发展和l o o m b p s 以太网的广泛威用，i g b p s 以太网成为基- 3 ：l o o m b p s 叛太弼 g 8 熬s 下x ) 投本懿蠡然逡纯。宅鸯 o o m b p s 戳太礴豹主要区别在予p h y ( 物理) 膳中包括了编码译码、收发器以及传输介质簿3 个模块。蒡二苹辐关技零的发震及现数巍纤逶道采蘑鼯l o b 懿线路编戳。m a c ( 媒体存敬控露1 ) 子嫠帮p t s 垂连接豹逻辑“与传输介质无关的接口”。i g b p s 以太网的性能优势有：容易升级，不会影响现有阚络的结构和应用：成本低，设备购买费用和技术支持费爝褶对较低：典有支持新的网络应用和数据类型的能力：网络设计灵活。i g b p s 以太网采用的关键技术主要有：组网跨距；帧扩展技术；帧突发技术。i g b p s 以太网产晶已在1 9 9 9 年接出，謦翦熙终已投入搜髑，但技术尚未完全成熟，寿特如现正式毂实现方案。2 2 2 ，2 ，3 交换式以太网由于以太网采用c s 凇c d 碰攘检灞方式，各个站点共事一条通道，磁撞域内固定带宽，每个站点可以使用的平均带宽为i n 。当站点数n 很大对，平均带煮就很小，网络效率急剧下降，丽且不利于多缢系统共享一段传输介质。为了麟决这个问题出现了班太网交换型集线器，即以太阏交换器；以太鄹交换器燎交换式以太飚系统的核心设备。交换器端口之间可以同时形成多个数据通道，蠛墨之间帧的羧入窝辍出不再受e s 漱e d 的约束。以太网交换器的基本功能是地址自学习、帧转发和过滤、生成树计算等。由于支持多个端口。可以掇系统潮分为多个独立的两毅，壤鸯妥了系统带宽。以太两交羧器常掰的鳍构有3 种：链阵交换结构；总线交换结构；共享存储器交换结构。交换斌以太网采用全双工技术。全双工模式的连接只存在于点对点链路。如站点与中继器之阃通过t x或默点对点逐接。帧鑫每传输在完全不同的嚣条路经上进季亍，不会发生磁攮。全双工链路的优点是发送流稷简单，无需侦听传输介质。点对点连接的站点可同孵发送，不是懿享单一戆1 0 0m b p s 俦赣分爱，嚣是务壤霜一个i 0 0m b p s 的通路，实际带宽为2 0 0 m b p s 。覆盖范嗣不受c s m a c d 碰撞域的限制，而仅受信号有效健输距离懿影魂。瞧没有必要将掰有连接都改换为全双工方式，比如 毪端豹工作站、打印机等设备的连接就没有必癸用全双工。两高端的服务器采用全双工方式谶接，可以提商嚼络的性能，获得较大的收益。2 2 3 以太网作为现场总线的必要性和可行性2 2 3 ，l 以太弱技术应鼹于工业现场总线筑必要经第二章相关技术的发展及现状企业信息化的发展，迫切需要一个开放的、统一的、有效的、且具有较强可持续发展能力的网络通信平台来支持。目前，企业决策管理层网络基本已被商用以太网所垄断，在工业自动化领域以太网的应用也越来越广泛。然而现场设备级的通信网络主要是八十年代中期发展起来的现场总线网络。虽然现场总线具有一定的优势，但它的诸如协议难以统一等局限性使现场总线之间，以及基于现场总线的现场设备与基于以太网的管理层网络之间不能实现互操作，无法实现真正的全开放。与工业现场总线技术相反，以太网技术在近年来发展非常迅速，技术也日渐成熟。与各种现场总线相比，以太网作为现场总线具有如下的优势：1 、应用广泛、以太网是目前应用最为广泛的计算机网络，受到了广泛的技术支持。如今，几乎所有的编程语言都支持e t h e r n e t 的应用开发，若采用以太网作为现场总线，用户可以选择自己最为熟悉的开发工具和开发环境。2 、具有很强的资源共享能力随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的迅猛发展，以太网已经渗透到全世界的每一个角落，网络上的用户可以在任何地方使用网络中的多种资源。以太网的这种强大的资源共享能力是目前任何一种现场总线都无法办到的。3 、成本低廉目前，有多种硬件产品供以太网用户选择，且价格也七分低廉。据调查，现在的以太网网卡价格一般不到p r o f i b u s 、f f 等现场总线价格的十分之一。同时，因以太网已应用多年，人们对以太网技术较为熟悉。大量的软件资源和设计经验可以大大减少开发和培训费用，从而显著降低系统的整体成本。2 2 3 2 以太网技术应用于工业现场总线的可行性f 2 0 过去，许多人认为，以太网是为i t 领域开发的，在工业自动化领域只能得到有限的应用，这是由于：1 、以太网采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时、网络的确定性( d e t e r m i n i s m ) 不能满足工业控制的实时要求：2 、以太网所用的揍插件( c o n n e c o , r ) 、集线嚣( h u b ) 、交换机( s w i t c h e s ) 和第二荤籀关接术静发黢及现状龟缆( c a b l e ) 等是为办公室瘟趸聪设诗豹，不 孝含工数理繇瑟劣郅境豹簧隶；3 、在工厂环境中，以太网抗干扰t 生能较麓。若朋于危险场合以太闼不吴备本痰安全後能：4 、以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。夜过去的几年中，以太网标准，特别是穗确定住、速度和优先法则方面有了很大提高。当以太翘发膨到今天豹交换式以太潮对，这些闯题已娌到解决：1 、蹋交换机，接入网络的节点各自独占一条线路，避免了冲突：2 、髑高速鹜攫交援辍，璃应对超是确定兹。掘a r c 公司鹣分援，1 2 6 个节点的i o o m 交换式以太网的响应时间是2 3 m s ，几乎可以满足各种控制系统静簧求；c a r o 说：“1 0 l o o m b a s e t 全磺工交换戮太两就燕确定馁懿。威用交换器可以消除冲突，而且现在它的价格也越来越便宜。” 1 5 3 、现代戬太网采糟非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 2 0 l f l a 模拟佟输线棚当，如果嚣簧更强的技于揽能力，可以采用群蔽双绞线或光纤通讯。4 、往速度方面，现在的以太网速度已经得剐了很大的提离，可以满足大量僖患惹瀵铸羧鹃蔫隶。与现场总线相比，以太网具有明显的优势。其性能比较见2 - 1 表【2 0 ：第二章相关技术的发展及现状矿广是簦以太网传统现场总线窭时确定性是是性响应时间小于等于4 m s小于等于5 m s报文大，j 、所有规格有陨向上兼容性嵩低可移开放性高低檀牲互操作性离低标准l e e b 8 0 2 3e n 5 0 17 0 f i e l d b u sf o u n d a t l o n网络安全性高高协议t c f l i p专有协议控制商业屠选用不适用屡次控制层、设备层适用适用二进制传感器网荚连接适用物理传输介质光纤、痢轴电缆、无线铜线、光纤避接最多节点数6 4 0 0 05 0 0每段结点数l 一2 5 64 8节点间距离最大4 0 k m最大2 0 k m嘲络即插即用支持不支持案理拓扑结掏总线、基摧、环形总绫、星型、环形h t t p w w w支持不支持对i s o 层次豹支l ，2 。3 ，4 ，5 ，6 ，7i 、2 、7 、用户层持s n m p支持不支持馕艉速度j 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 m b p sl 1 2 m b p s升级能力高由表2 - i 以太网和现场总线性能比较袭第二章榍关技术的发展及现状综上所述，以太两完全能够黢任工鼗现场环境对贫对性、可靠住、抗干扰性等的严格要求：把以太网用作现场总线将是束来构建现场囱动化网络的最佳选择。2 2 3 3 以太网技术用于现场总线的研究现状麸鞫辩的撩提来麓，嚣静慰戳太阚倦梵瑗场罄线豹磷究愁款理论酚段过渡到开发阶段，例如，惠普公司应用i e e e 4 5 1 2 标准生产的嵌入式以太网控制器，美有 o b a s e t 戳太丽接口，运行h p 阱p t c p u 静锛议，应淆于传感器和驱动嚣等现场设备：n e t s i l i c o n 公司推出了嵌入式的e t h e r n e t i n t e r n e t 芯片等。同时，传统的d c s 生产厂商也推如了相成的以太网产晶，只不过更多是具有尝试性质。另外，凡个蔓要的现场总线组织也在开发基于以太网的现场总线协议，更有一终公司融在开发具有以太网接口的仪表。现场总线基金会制定了一个h s e诗剡( i 曲s p e 鲥t b e r n e t p r o g r 鑫1 1 1 ) ，用寒遴敦太跨作势h 2 熬静选撵，惫翻已组织了来自2 0 个厂家，4 0 多人组成的庞大工作组，开发现场总线与以太网的连接产晶。随着盼的h s e 开发成功。e t h e r n e t 将广泛应麓于过穰自动化领域。f 6 j毫无疑问，高速e t h e r n e t 完金适用于工业自动化系统的监测阕绍。从羼内的情况看，8 0 年代后期，有些公司从国外引进的基于以太网的计算机控制系统，璺三产效攀碍到了较大的提寒；9 0 年代以来，一些单位开始构建基于以太网的监控系统，并取得了一定的成效。这些都表明e t h e r n e t 角作工业测控翅络不但可纷，恧器具有很大兹潜力。2 ，3 传藏器技术2 31 传感器技术的发晨历史作为现代信息技术三大核心技术之一的传惑器技术，从诞生到现在，已经经历了“聋髓传感嚣”国u m ps e n s o r ) 、“蟹能传感器”( s m a r ts e r s o r ) 、“网络化传感器”( n e t w o r k e ds e d s o r ) 的发展历程。 3 6 传统兹传感器是援羧纹嚣仪表菠模瓠计算机酵代豹声物。它豹设计指等晷想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。它输出幅值小，灵敏度低，而且臻链单一，因而被入钓稔为“聋哑传感器”。第二章相关技术的发展及现状2 0 世纪7 0 年代以来，计算机技术、微电子技术、光电子技术获得迅猛发展，加工工艺逐步成熟新型的敏感材料不断被丌发，在高新技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，人们把微处理器和传感器相结合，开发了具备一定的数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器一智能传感器。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。8 0 年代以来，网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术( m m t ) 的飞速发展给现代加工工艺注入了新的活力，人们把网络接口芯片与智能传感器集成起来并把通信协议固化到智能传感器的r o m 中，导致了网络传感器的产生。网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进行通信，因而在现场总线控制系统( f c s ) 中得到了广泛的应用，成为f c s 中现场级数字化传感器。2 32 智能传感器的研究和应用现状智能传感器系统的实现是在传感器技术、计算机技术、信号处理、网络控制等技术的基础上发展起来的，并随这些技术的发展而发展，但不是这些技术的简单合成。智能传感器设计的关键技术包括：系统构成：信号处理方法；外部接口；软件工具的开发。由于传统的传感器完全是由硬件所组成，其研究的对象主要局限在传感机理、材料、结构、工艺等物理方面。而智能传感器的智能性则是在硬件的基础上通过软件实现其价值的，软件在智能传感器中占据了主要的成分。而且智能化的程度是与软件的开发水平成正比的，相信在不久的将来，基于计算机平台完全通过软件开发的虚拟传感器会有十分广泛的应用。软件开发工具包括设计、管理和通讯管理等不同方面。目前这类工具已经开始出现，一般c ，a c t i v e x 等工具软件都可以完成。软件的功能是与软件的开发水平成正比的，用以实现传感器模型的建立、标定参数建立、最佳标定模型选择等。由于在过程测量控制领域中系统的设计寿命一般都有几十年，而传统使用的测量控制系统主要是模拟量传输的。过去这类系统功能的扩展比较困难，近第二牵相关拄术的发展及现状死霉i e e e l 4 5 i 。4 标准王佟经殴经开鹣着手邋行罄键傣感捺与嚣终之溺懿模叛健输接口标准。相信在不久的将来这些系统功能的扩展将变得更加简单。酲前，世界各国者在研制与开发各种餐能传感器。铡如美豳h o n e y w e l l 公司研制的d s t j 一3 0 0 0 智能压茇压力传感器等。随着智能传感器的发展，它们将在工蛾、科技、国防等各个部门得到更加广泛的应爝。2 4 分布式缀俘技术及英痰零现状分布戏软件系统是物理上分布磁网络上的不同节点的软件组件通过分布式缀律技术形成逶辑上统静软件系统。丽掰谓软件组伟楚指构成分布式软件组件的每个缀件，它是基于组件技术构建的。2 。4 1 分零式组体技术熬发展臆史计算机应用软件模式在体系结构上经历了三个重要的阶段，即集中式计算模式、窖户溉务嚣诤篓横式秘魏蘩发擞逐速辫分毒式诗算模式。5 0 至8 0 年代初期，以大型机为主的集中式计算模型占垄断地位，应用软件都燕荤一静，文学鍪豹，在投零上关心静楚妞帮减少存储空阊、如侮提高软件的执行速发。其结构模型见2 - 1 图所示：田2 1 集中式处理模溅一il|iili。蔓三童：塑鲞茎查墼茎壁垄銎鲨8 0 年代中期，随麓硬件、软件期网络通讯技术的发展，特别是数据库的大量应用出现了客户机l l j l i 务器结构。其结构模型见下图所示：圈2 - 2 二层0 il e n t s e r v e r 计算模型示慧图这种结构的主要恩想是密户应用与通用服务分为两犬部分。通用服务负责警瑾数据的存髓帮操锋，丽客户端撬供用户访闯的图形赛嚣和商业处理逻辑。这种模式在8 0 年代被广泛采用且运行良好。但随着软件规模的增加和网络应用的瞽及，造成前端p c 的客户应用交得肥大盥复杂以及使用效率低下，成为威用系统的性能瓶颈。当应用系绞发展剩一定娥模对，长期的维护可能就i # 碧困难；对应用的数据缩构具有很强的依赖性。同时，从面向对象的设计思想来看，数据骛理鄂分虽可重矮，健商业逻辑掇盂法冀复使用。9 0 年代中期，为了解决这些问题，提出了三层模型。其结构模型见下图所示：c l i o n n e c w o ，：k酞s l n e s ss e r v e rd 乱赵b t o es e r 审e r圈2 3 三屡c li e n t s e r v e r 计算模型第二章。糖关技术的发展及现状三瑟模型将数爨用户接日完全分离，提出了串溺疆务器的概念。帮耀层结构中的服务器被分成中间腰服务器和数据层两部分。中间朦服务嚣主要处理堑务逻瓣，数搽层一簸由数据痒构成，受责管理应用稷序数爨。窖户变褥燕热轻巧，将数据从服务器中分离出来增加了伸缩性和可维护性。分布式系统是形体上分散在两个或更多的计算机上。都为了实现一个共同的謦标露菸同工作的个软件实 本的集会。照着网络的发展，许多软 牛需要在不同厂家的网络产品、硬件平台、阀络协议异构环境下运行，应用的规模也从嚣域网发袋到广壤嚣。在这种情况下，e li e n t s e r v e r 横式静弱限瞧裁暴露爨泉了。它在解决系统的可伸缩性、异构、配置管理和网络监控等方面不能满足分衣式计算的要求，c l i e n t ；和s e r v e r 之闻的界限越来越模糊，于是中间伴斑运而生。中间件是位于操作系统和应用软件之间的通用服务，它的主要作用是明来屏蔽网络硬件平台的麓异性和操作系统与网络协议的髯构性健应用软件能眈较平滑地运行子不同平鸯上。同时，串闽件在负载乎篱、连接铤理和调度方睡起了很大的作用，使企业级应用的性能得到丈幅度的提升。但是在这个阶段，客户端是请求服务豹，擞务器端是提供骚务豹，它们懿关系是不对称的。睫整覆向对象技术的谶步发展，出现了分布式组件技术。可以说，分布式组件技术是随着网络和鬣向对象技术豹发震掰不断魄完善越来的。在分布式组件计算中，通常参与计算的计算体( 分布对蒙) 是对称的，分_ 稚对象往经又称为组件( c o m p o n e n t ) 。缝传是一些独立代码的封装体，在分布计算的环境下可以是一个简单的对象，但大多数情况下是一级相关敬对象复合体，提供一定的服务。分布环境下，组件是一些灵活的软件模块，它们可以位置透骥、语言独立秘警台独立静互糖发送游意，实瑷谤求骚务。在分布式计算环境中，更多的是互操作关系，即互相提供服务，协作完成任务要求，客户和驻务器只是在特定骚务请求中的角色。觚功能上可以将缓传分残三个层次，郎客户端、中间服务器、数据服务器。分肴i 式应掰弓 入了一个垒新的设计和扩展概念，它增加了软件产品的复杂性，瞧是带来了可观的遐投。某些应用本是就带有分布性，例如多人对援辩戏、聊哭程序以及落程会议系统等等。因此，种健壮的分布式计算框架所带来的好处是不言自鲷的。另外，设计应用髓考虑分布性能够经系统在扩展上具鸯穰第二章相关技术的发展及现状高的灵活性。24 2c o m d c o m 分布式组件技术c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) d c o m ( d i s t r ib u t e dc o m ) 是微软提出并大量使用的分布式组件标准。它不仅定义了组件之间进行交互的标准，并且也提供了组件程序运行所需的环境，在微软的w i n d o w s 系列平台中占有绝对的领导地位。24 2 1c o m 组件技术c o m 是软件组件互相通讯的一种方式，是基于对象的软件开发模型。它是一种二进制的网络标准，允许任意两个组件相互通讯，而不管它们是在什么计算机上运行，也不管各计算机运行的是什么操作系统以及该组件用什么语言编写。c o l d 定义了二进制互操作标准及结构独立的网络协议，从而支持组件互操作性、软件进化、异构环境下的分布式计算等特性。c o m 还提供了位置透明性：当你编写组件时，其它组件是进程内d l l 、本地e x e 还是位于其他计算机上的组件，对您而言都无所谓。( 当然会有性能上的区别，但是即使改变了其它组件的位置，您也不必重新编写什么，这是关键所在。) c o m 自, o 规范与实现合为一体。c o m 规范主要包括c o m 核心、持久存储、一致数据传输和智能名字等。微软早期提出的c o m模型主要是建立在单机系统之上的。随着需求的进一步发展，微软对c o l d 模型进行了扩展，增加了网络访问c o m 的功能，目- o d c o m 。目前