（检测技术与自动化装置专业论文）基于web的工业远程监控系统研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的飞速发展和企业信息化的推进，将传统的监控系统与w e b 技术相结合的b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式计算机远程监控系统逐渐成为新的研究 和开发热点，构建基于w e b 的工业监控系统成为工业监控领域发展的方向之一。 本文首先回顾和介绍了监控技术的发展历史和研究现状，并对基于w e b 的 监控系统的功能、层次以及实现方案进行了较深入的研究和探讨，通过对不同 软件结构模式的比较，确立了b s 模式的远程实时监控系统方案。其次从系统 集成的角度出发，对基于w e b 的远程监控系统的若干关键技术进行了系统分析 与比较。在上述理论分析的基础上，分析了三种远程监控体系结构的解决方案， 即基于数据库技术、o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术和s o c k e t 通信技术的远 程监控方案。通过对不同技术下实现基于w e b 的远程监控方案的分析与比较， 采用了s o c k e t 实时通信技术实现工业现场控制网络与企业信息网络之间的数据 共享，设计了基于s o c k e t 技术的远程实时监控系统结构，其中s o c k e t 客户端以 a c t i v e x 控件的形式在浏览器中与现场监控站进行实时数据交换的方案，不但 实现了异构网络之间的数据共享，而且改善了传统的基于w e b 的监控方案所带 来的实时性差等缺点。论文同时分析了影响基于w e b 的监控系统实时性的若干 因素，给出了改善系统实时性和安全性的措施和方案。最后，结合实际项目， 分别实现了对某油罐区现场的远程监控，实现了远程数据采集、数据监视、参 数修改以及历史数据查询等功能，通过实验运行验证了实施基于w e b 的工业远 程监控系统的有效性。 本系统采用v i s u a lb a s i c6 0 开发人机交互a c t i v e x 控件，a s p n e t 开发 w e b 服务器页面。实现的基于w e b 的工业远程监控系统不但改善了基于组态软 件的远程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，尤其适用于监控系统点数不是特别多 但对实时性要求较高的情况。通过实际应用可以看出，本文设计的基于w e b 的 监控系统能够较好地满足用户的要求，实现对工业生产过程的监控。 关键词：w e b ，远程监控，a c t i v e x 控件，s o c k e t 技术，油罐区 a b s t r a c t w i t l lt l l er a p i dd e v e l o p m e n to ft 1 1 en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ep r o m o t i o no f e n t e r p r i s e i n f o r m a t i z a t i o n , t h ei n d u s t r ys u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m b a s e do n b s ( b r o w s e r s e r v e r ) m o d e la t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ，w h i c hc o m b i n e st h et r a d i t i o n a lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma n dw e b t e c h n o l o g y ，i so n eo f t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n so fi n d u s t r ys u p e r v i s o r yc o n t r o lf i e l d f i r s t l y , t h eh i s t o r ya n dr e s e a r c h i n gs t a t eo fs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e ml s i n t r o d u c e d ，a l s ot h ef u n c t i o n ，s t r u c t u r e a n di m p l e m e n ts c h e m e sa r es t u d i e d ， m e a n w h i l e a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts o f t w a r em o d e s ，也ep a p e r d e s i g n st h es y s t e mb a s e do nb sm o d e l i nt e r m so fm o n i t o rs y s t e mi n t e g r a t i o n ，t h e t h e s i sh a sd i s c u s s e dv a r i o u sk i n d so ft e c h n o l o g y t h e n ，t h ep a p e rg i v e st h r e e m e t h o d st or e a l i z et h er e m o t es y s t e mb a s e do nw e bt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gd a t a b a s e ， o p ca n ds o c k e t t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p r a t i o na m o n gv a r i o u sw e b - b a s e d r e m o t em o n i t o rp r o j c o t sw i t hd i f f e r e n td a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h et h e s i s h a sa d o p t e ds o c k e tr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o r e a l i z et h ed a t as h a r e b e t 、e e nl r l f r a n e ta ni n t r a n e t ，a n dd e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fw e bs u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mb a s e do ns o c k e tt e c h n o l o g y t h e nt h es c h e m et h a tt h es o c k e t c l i e n tc o n n e c t s w i t ht h ef i e l ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls 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 e b r o w s e ri sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a l l n o t o n l y r e a l i z et h ed a t as h a r eb e t w e e n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，b u ta l s oa m e n dt h er e a lt i m eo ft h et r a d i t i o n a l s c h e m eo f w e bs u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，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 l t i m eo ft h es y s t e ma r ea n a l y z e da n ds o m em e t h o d sa r ep u tf o r w a r da r m i n ga t a m e n 也ga l er e a lt i m ea n ds e c u r i t yo ft h es y s t e m 。a tl a s t ，i nl i g h to ft h es c h e m eo f s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e ma b o v e ，t h et h e s i sd e s i g n st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mo ft i n - s e c t i o nb a s e do nw e bc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a li t e m ，w h i c hr e a l i z e s t 1 1 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 sm o d i f i c a t i o n , w a r n i n g a n ds oo n i i l 让屺e n d ，o p e r a t i n gt h er e m o t em o n i t o rs y s t e mo ft i n s e c t i o ns h o w s t h e f e a s i b i l i t yo fi m p l e m e n t i n gt h er e m o t em o n i t o rs y s t e mb a s e d o nw e b t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sv i s u a lb a s i c6 0 t od e v e l o pt h ei n t e r a c t i v ea c t i v e x i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o n t r o la n da s p n e tt od e v e l o pw e bs e r v e rp a g e s t h es y s t e mb a s e do nw e b s t u d i e da b o v ec a na m e n dn 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 y c o n t r o lp l a t f o r mc 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 ot 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 ea c c e s s i n g e s p e c i a l l y , i tc a l lb eu s e df o rt h es i t u a t i o nt h a tt h em o n i t o r i n gs p o t sa r ef e wa n dt h er e a lt i m ei s h i g h l yr e q u e s t e d t h ea 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 dr e a l i z et h es u p e r v i s ea n d c 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 b ，r e m o t em o n i t o ra n ds u p e r v i s o r yc o n t r o l ，a c t i v e xc o n t r o l ， s o c k e t ，t i n s e c t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 曼坌殛 日 关于论文使用授权的说明 期：、r 、 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：三垒望一导师( 签名) ：壮日 期垄塑：1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着自动化系统的逐步普及，许多工厂、企业都配置了各种各样的工业监 视与控制系统，它们实时地反映设备运行状况，为现场设备自动化运行提供了 有力的手段。但多数工业监控系统采用传统的监控模式，监控系统反映现场运 行情况的画面、参数和报表大部分只能够在本地操作室中进行，生产的高层管 理决策者无法随时随地掌握现场的生产状况【1 】【2 】。 从企业生产管理的角度来看，为了使企业经营、决策者不必亲临工业现场 就可以及时了解工厂、企业现场设备运行情况，对生产现场进行全局的把握， 开发基于w e b 的工业监控系统已成为一种必然的趋势。基于w e b 的工业监控系 统使得生产过程监控系统与企业生产管理系统融为一体，使得生产管理者不需 要掌握专门的技术，在远程客户机上不需要安装任何复杂的软件，只需要通过 浏览器就可以了解生产现场设备的运行数据信息和相应的图形、曲线信息，及 时了解生产状况，并将这些信息作为决策的参考依据，提高管理质量及把握全 局的能力。 基于w e b 的系统开放平台使得信息的交互领域从工厂的现场设备层到控 制、管理的各个层次，覆盖从车间、工厂、企业乃至世界各地的市场，为实现 控制系统的网络化和体系的开放性创造了必要的条件。基于w e b 的远程监控技 术可以提高企业的劳动生产率，加强企业竞争力；可以对各监控对象进行全天 候，全方位监控，及时发现甚至提前预测设备问题，保证企业生产安全；基于 w e b 的远程监控技术的实现也意味着各种异地资源通过网络连接的方式，实现 了资源共享【3 】。总之，远程监控向人们提供了一个更高效、更全面、更安全、 更快捷的服务模式，改变了传统的监控模式。 随着网络技术的飞速发展和企业信息化的推进，将w e b 技术与传统的工业 监控系统相结合，构建基于w 曲的工业信息监控系统是工业监控领域发展的方 向之一。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 远程监控系统概述 1 2 1 远程监控原理 远程监控就是指利用计算机通过网络系统实现对远程工业生产过程控制系 统的监视和控制。能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。 工业生产过程的监控信息接入i n t e r n e t ，在一定条件下就可以通过i 玎t 啪e t 监视 并控制生产过程和现场设备的运行状态和各种参数，控制者不必亲临现场，这 可以节省大量人力物力。管理人员可以监视远程生产运行情况，根据需要及时 发出调度指令，研究机构可以方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进 行高级过程控制等。 远程监控系统可以划分为远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现场 设备监测与控制系统三部分【4 1 。各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制。 远程监控系统模型如图1 1 所示。 = = 冷控制数据流 0 ：拣态萄l 撬港莨 图1 1 远程监控系统模型 工业远程监控系统必须要在工控网络和信息网络集成环境中完成原先工业 控制系统的各种要求，其主要特点有以下几方面： ( 1 ) 实时性由于系统是对工控设备进行实时监控，把采集到的现场数据及 时、准确地传送到用户端是十分必要的，准确性可以由各种传输协议来保证， 而实时性在现有的i n t e m e t i n t r a n e t 环境中是很难得到保证的，除非使用专用网 络。 ( 2 ) 安全性对于通过网络访问远程设备的系统，安全性是必不可缺的，尤 其对于企业资源来说更是如此。用户访问认证机制是应用较为普遍的访问控制 机制：只有授权的用户可以访问企业资源；信息加密技术可以保证重要的数据 在传输过程中不会被窃取和恶意篡改。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 可扩展性对于企业信息管理来说，有时一个企业的资源需要不时地更 新，或者改变事务流程或规则，这时一个可扩展的系统可以减少由此带来的各 种麻烦。 1 2 2 远程监控分类 根据被控对象或者通信平台不同，远程监控可以分为以下几类【4 】： ( 1 ) 基于i n t e m e t 的远程监控 目前的企业信息网络一般通过现场控制网络、企业内网g n t r a n e t ) 和i n t e r a c t 三网合一把分布于各局部现场，独立完成特定功能的计算机、控制器现场设备 等互联起来，它适应企业生产与经营的功能分布和地域分布的特点，达到资源 共享、协同工作、远程监控、远程管理等为目的的全分布式网络系统，是i n t e m e t 技术、数据库技术、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 m e tp r o t o c 0 1 ) 网络 通讯技术、浏览器技术等发展的产物。 ( 2 ) 基于w a p 技术的远程监控 w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 无线应用协议提供了移动通信设备接入 互联网的开放的全球标准。可以通过w a p 将移动通信网、i n t e m e t 以及企业的 局域网联系起来，提供一种远程监控手段，使用户无论何时何地都能通过移动 设备获得工业现场信息。基于w a p 的远程监控可以以现有的w e b 服务器为基 础，通过w a p 网关和移动终端共同完成。 ( 3 ) 基于g s m 网络的s m s 方式远程监控方式 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 数字式移动通信网络系统 提供的s m s ( s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e ) 业务，具有双向通信、具有一定的交互能 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。 ( 4 ) 基于e m a i l 手机短信寻呼的事件通知 手机短信和寻呼业务的普及以及较高的实时性，目前已有不少移动运营商 和寻呼系统与i n t e m e t 结合，将电子邮件的内容实时传送到手机和寻呼机上。于 是，在工控系统也可以通过电子邮件、手机短信和寻呼的结合，来实现重要报 警、调度事件的实时广播。 根据控制方式可以将远程监控进行如下分类( 假设下面各种类型的监控方 3 武汉理工大学硕士学位论文 式中，被控对象是设备) 【5 】： ( 1 ) 保持型的远程监控方式 远程监控仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命 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。 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 ) 完成型的远程监控方式 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在本地进行，设备在本地操作人员的 监控下完成任务。 ( 3 ) 完全型的远程监控方式 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。在这种方式中，设备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，要求系统能够立刻对现场做出反应。这种控制 方式用在一些特殊的行业。 ( 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，即设备在远程监 控系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务执 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。这是目前使用比较多的一种监控方式。 1 3 基于w e b 的远程监控系统国内外研究现状 现代企业的生产已经趋向国际化，分布式的生产方式、用户的需求促使技 术不断进步。i n t e m e t i n t r a n e t 将是实现分布式生产的基础。近年来，基于w e b 的工业信息监控方式成为研究的热点，无论是研究还是应用，都得到了长足的 发展。它既具有控制系统的实时性和可靠性，又具有信息系统的开放性和广泛 性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 i 国外研究现状 在机器人技术中，1 9 9 3 年美国国家航空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与 德州的四所大学成功地进行了机器人远程分布式控制试验。该项试验是通过 i n t e m e t 在j o h n s o n 航天中心控制位于t e x a sa & m 大学和t e x a s 大学a s u t i o n 分 校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目，该项目允许远程用户通过w e b 浏览器控 制一个机械手进行文物挖掘【6 j 。 在工业控制领域，1 9 9 6 年美国麻省n o r t ha n d o v e r 公司首先将p l c 与 i n t e m e t 相连，现在许多用户从中受益。基于以太网，客户只要拥有浏览器，即 可方便地进行通信。虽然可以用浏览器来进行过程参数的设定或控制对象的关 闭与开启，但浏览器不能用来控制设备，因此设备的实际控制由p l c 或p c 机 来完成。在美国太平洋科学仪器公司，用于测量半导体内部杂质的设备控制器 系统综合了监测、过程控制、传感器总线及w e b 网络服务器技术。通过w e b 网络技术使控制器与机床传感器进行对话，利用总线与以太网端口传送数据， 由计算机提供原始数据，并与生产过程的实际数据综合，以探测故障、控制现 场及决定统计过程控制参数 7 1 。 在设备的远程故障诊断领域，在美国波音公司的设备预维护系统中，采用 了w e b 网络技术进行数据分析，使用以太网t c p i p 和w e b 浏览器进行远程探 测和检修机器的故障，对于设备复杂故障的分析与排除，也可以通过人工智能 软件来实现。加拿大g r a n b y 公司使用了w e b 网络浏览器技术，通过以太网 t c p i p 进行机床故障诊断、维护及排除，周期性地使用自动视屏信号及录像机 进行监控、服务请求和机器诊断，通过i n t e m e t 连接与w e b 网络访问进行图像 传输，实现主要用户远程产品和生产过程的监测，没有使用针对机器的专用通 信与控制线路峭j 。 在远程网络实验领域，美国t e n n e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学的d i mh e n e r y 设 计的网上工程实验室提供了一系列远程控制实验，如：压力控制、液面控制、 温度控制、速度控制实验等，该远程实验系统由一台w e b 服务器和五台客户机 构成的，每台客户机与一套实际的设备相连。用户通过i n t e m e t 访问w e b 服务 器，选择控制参数，然后w e b 服务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机， 客户机收到这些参数后，控制实验设备来完成实验，并把实验数据通过w e b 服 5 武汉理工大学硕士学位论文 务器生成实验结果图，返回给用户 9 1 。新加坡国立大学( n u s ) 的虚拟实验室允许 用户通过i n t e r n e t 进行远程实验，可以实现昂贵实验设备的共享。 另外，许多国际知名大公司都在他们的工控产品中加入了因特网模块，如： 美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了i n t e m e t 模 块，可以通过w e b 方式接收测试数据；西门子的w i n c c 、悉亚特的c i t e c t 等也相继推出了支持w e b 功能的组态软件，这些组态软件包含了具有w e b 功能 的组件，并在工业领域得到一定的应用。 1 3 2 国内研究现状 在国内也有很多致力于基于w e b 的监控方面的研究与应用，贾智平等利用 a c t i v e x 技术将i n t e m e t 技术与电力监控系统结合起来，从而形成了一种新的基 于浏览器的电力监控系统【l o 】；吕浩杰等利用相关的w e b 技术开发的b s 模式油 田监控系统等【l l 】。 国内各高校对于基于w e b 的实时监控技术也开展了积极研究。其中，西安 交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、上海交通大学、南京理工大学等 研究成果较为先进，例如华中科技大学开发出的“汽轮机工况监测和诊断系统 k d t 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 、南京理工大学c i m s 研究所承担了国防科工委长春f m s 实验 中心检测监控系统的研制任务，对柔性制造系统中各子系统的检测监控技术进 行了初步集成【1 2 j 。 同时，国内的一些组态软件厂商也已经在开始监控软件中引入w e b 技术， 北京亚控公司的组态王f o r i n t e m e t 软件就是运行在w e b 服务器上的一种应用软 件，它不需要其它特殊的软件、驱动程序或用户程序的支持，就可使远程用户 在计算机上，以浏览h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 页面的方式实时监控生 产现场。但也存在不足，远程用户只能通过浏览器监视已经组态好的画面，不 能对i e ( i n t e m e te x p l o r e r ) 浏览器显示的任何变量做出改变，与真正的远程监控 还有一段距离。 总之，基于i n t e m e t 的远程监控系统已投入到实际的应用领域，并取得了良 好的经济效益，其应用前景是十分广阔的。在广泛的工业领域中，可实现信息 网络和控制网络融合，即现场总线( 包括工业以太网) 和i n t e m e t 容为一体，实现 6 武汉理工大学硕士学位论文 真正的虚拟工厂o c m u a lp l a n t ) 和虚拟制造( x r t r t u a im a n u f a c t u r e ) 。远程监控技术 的成熟也促进其在核电站监控、石油的输送管道监测、电网运行监控和机器人 的远程控制等领域都起了巨大作用。 1 4 论文的研究思路与内容 基于w e b 的工业远程监控系统不同于一般的管理信息系统，其特点主要表 现在数据传送的实时性、数据的事件驱动及数据源主动传送。采用何种方法能 将工业监控系统的数据及时、安全、便捷地反映到客户端浏览器上是本文研究 的重点。针对现有实时监控系统的优点和缺点，本文以w e b 应用程序开发技术、 数据库访问技术、动态数据发布技术、动态数据交互技术等基于w e b 的远程监 控系统开发技术为基础，分析了三种远程监控体系结构的w e b 解决方案，即基 于数据库技术、o p c 技术和s o c k e t 通信技术的监控。通过对不同技术下实现基 于w e b 的远程监控方案的分析与比较，采用了s o c k e t 实时通信技术实现工业远 程监控的方案，设计了基于s o c k e t 通信技术的远程实时监控系统结构，其中 s o c k e t 客户端以a c t i v e x 控件的形式在浏览器中与现场监控站s o c k e t 服务器进 行实时数据交换的方案，不但实现了异构网络之间的数据共享，而且改善了传 统的基于w e b 的监控方案所带来的实时性差等缺点。最后，将以上研究的基于 w e b 的监控方案结合到实际项目，实现了对某油罐区现场的远程监控，实现了 远程数据采集、数据监视、参数修改以及历史数据查询等功能，通过实验运行 验证了实施基于w e b 的工业远程监控系统的有效性。 本论文的章节安排如下： 第l 章：绪论指出本课题的研究背景和意义及基于w e b 的远程监控系统国 内外研究现状。 第2 章：分析基于w e b 的远程监控系统功能、结构及软件实现方式。通过 对不同基于w e b 的监控方案的分析与比较，确定多层b s 模式工业远程实时监 控系统方案。 第3 章：监控系统设计中的关键技术分析。基于w e b 的监控功能的需要， 分析了实现基于w e b 的监控系统所涉及的关键技术，包括w e b 应用程序开发及 数据库访问技术、动态数据发布技术及网络下的动态数据交换技术等。在上述 理论基础上，通过对不同数据交换技术下的基于w e b 的监控实现方案分析与比 7 武汉理工大学硕士学位论文 较，确立了基于s o c k e t 通信技术的远程监控方案。 第4 章：基于w e b 的工业实时监控系统架构设计。本章设计了一套基于 s o c k e t 实时通信技术的w e b 工业监控系统框架，详细分析了系统各部分之间的 数据交换机制，并给出了改善监控系统实时性和安全性的若干解决办法。 第5 章：基于w e b 的某油罐区监控系统的实现。针对某港口油罐区监控系 统项目的实际情况，将本文研究的基于w e b 的监控系统方案应用于油罐区监控 系统中，给出整个系统的设计方案和实现过程，验证其可行性及有效性。 第6 章：总结与展望。总结本文所做的研究和工作，并结合本文的研究工 作提出了几点展望。 本系统的软件环境：操作系统为w m d o w s2 0 0 0s e r v e r ；w e b 服务器选用微 软公司的i i s ；数据库服务器采用s q ls e r v e r2 0 0 0 ；c i t e c t 组态软件作为监控 平台的开发工具；a s e n e t 作为页面开发工具：a c t i v e x 控件采用v i s u a lb a s i c 6 0 开发。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于w e b 的远程监控系统 基于w e b 的远程监控是指本地计算机通过网络实现对远端设备的监视、控 制和维护。它的主要目的是实时监测远端设备的运行状态，改变运行参数以及 控制方式，与远端系统各网络节点实现信息共享，及时预报和排除设备故障， 提高远端设备的生产效率，提高客户的满意度。 基于w e b 的远程监控技术是现代自动化技术的重要组成部分，是计算机技 术、网络技术、通信技术和设备监控与维护技术相结合的必然结果，是控制技 术领域的研究热点之一。借助远程监控和维护系统，连接各生产或测试现场以 及控制系统的信息，实现整个企业监控系统信息的采集、分析、统计、存储， 让管理层和各部门都能看到以前只有现场监控人员才能看到的现场实时状况。 通过局域网、广域网、国际互联网，使企业内部、企业之间，处于不同地区的 各相关部门之间交流现场监控信息。操作者可以进行设备的远程安装、调试， 依靠安装在现场的各种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生产 与设备情况，对生产现场进行监控、故障诊断和维护，实现对监控现场的远程 调度、指挥决策。 2 1 基于w e b 的监控系统结构及功能要求 2 1 1 基于w e b 的监控系统体系结构 整个网络远程监控系统分为三个层次：现场设备层、现场监控层( s c a d a 层) 及远程监控层【1 3 】【15 1 。 ( 1 ) 现场设备层 现场设备层位于监控系统的下层，是整个监控系统性能保障的基础。现场 系统可采用传统的r s 4 8 5 4 2 2 总线，也可是l o n w o r k 、p r o f i b u s 、c a n 等 现场总线。各种现场信号通过现场总线接口卡或r s 4 8 5 4 2 2 总线接入现场工作 站。依照现场总线的协议标准，底层设备采用功能块的结构，通过组态设计， 可以完成数据采集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制以及阀位 9 武汉理工大学硕士学位论文 补偿等各种功能。 ( 2 ) 现场监控层( s c a d a 层) s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 层提供了对现场数据的分 析处理功能。s c a d a 层采用工控机对生产过程控制系统进行监控，通过计算 机的串口或现场总线接口卡与现场设备通信。工控机上运行的监控软件可完成 工业现场实时动态画面显示，同时实现运行参数的监测、现场设备控制、现场 设备参数给定、数据处理存储、报表打印、报警和趋势分析等功能。s c a d a 监控层是整个基于网络的设备远程监控系统的核心，体现了信息的交互和资源 的共享，它的完善程度直接影响着整个系统的灵活性、有效性和可靠性问题。 ( 3 ) 远程监控层 远程监控层位于整个系统的上层部分，是整个系统面向世界的窗口。这一 部分提供给管理人员一个方便的管理手段，远端的管理人员被赋予一定的权限 后，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。远程监控层可租用企业专线或者利用公众数据网与现场监 控系统进行通讯，将工业现场监测信息进行处理和存贮，为远程控制提供依据。 目前，远程监控实现的途径就是通过i n t e r a e t ，由于涉及实际的生产过程，必须 采用防火墙、用户身份认证以及密钥管理等保证网络安全。 2 i 2 基于w e b 的监控系统功能要求 基于w - e b 的远程监控系统应满足如下任务和要求【1 3 】 1 4 j ： ( 1 ) 数据采集与处理：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、显示屏和触摸屏等。为生 产人员提供可靠的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。 ( 2 ) 状态监控功能：将检测到的实时数据和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。 ( 3 ) 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，形成控制输出，直接作用于 生产过程。 ( 4 ) 数据管理：利用已有的数据、图像、报表等对现场运行状况进行分析、 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。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 动态网页发布功能：系统采用动态网页发布数据，数据发布及时、准确， 刷新速度快，客户可通过远端浏览器从监控页面上直接获取实时的生产数据， 并发出相应控制指令对生产现场进行控制。 ( 6 ) 为各种基于w e b 的应用程序提供实时和历史数据接口，使系统的功能可 横向扩展。 2 2 基于w e b 的监控系统监控模式 随着计算机网络技术的发展，引发了工业控制网络远程监控模式的重大变 革，目前主要有三种模式：主机集中模式、客户朋艮务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式、浏 览器服务器( b r o 、s e r s e r 、r e r ) 模式【16 】 1 8 】。 2 2 1 工业控制系统监控模式 ( 1 ) 主机集中模式 大型主机通常是一台计算功能强大的计算机，众多远程终端本身没有任何 计算能力，所有的处理过程( 包括程序的运行、访问数据、打印等) 都是终端用 户共享大型主机c p u 资源和数据库存储功能来完成的。这是一种典型的肥服务 器瘦客户机工作模式，提供了高度的集中控制，可保证信息的安全。但是若在 线用户变多，或者数据库的数据累计量变大，导致主机负担过重，系统的伸缩 性变小。若想改善整体运行效率，必须扩充内存或升级主机，这样就增加了设 备费用。由于采用主机集中，这无疑集中了设备故障的危险性，致使系统可靠 性变差。 ( 2 ) 客p b 臣务器模式 传统两层c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式 传统的一种监控模式是客户机月艮务器结构，把系统分为客户机和服务器两 层。两层c s 体系结构如图2 - 1 所示。 客户机 厦务器 j 显示1 1 r 、 事务j ! 逻辑；。l 一 处理【 ，1r 、 i 逻辑f 、r 厂y 逻辑l 图2 1c s 体系结构 武汉理工大学硕士学位论文 服务器部分主要负责执行后台服务，如管理共享外设、控制对共享数据库 的操纵、接受并应答客户机的请求等。客户机部分负责执行前台功能，如管理 用户接口、报告请求等。这种体系结构将一个应用系统分为两大部分，由多台 计算机分别执行，使它们有机的结合在一起，协同完成整个系统的应用，从而 达到系统中软、硬件资源最大限度的利用。c s 应用系统基本运行关系体现为： “请求响应的应答模式。当用户需要访问服务器时，由客户机发出“请求 ， 服务器接受“请求并“响应”，然后执行相应的服务，将执行结果送回给客户 机，由它进一步处理后再提交给用户。由于c s 结构被设计成两层模式，显示 逻辑和事务处理逻辑部分均被放在客户端，数据处理逻辑和数据库放在服务器 端，从而使客户端变得很“胖，成为胖客户机，而服务器端的任务则相对较轻， 成为瘦服务器。 多层c s 模式 随着网络技术的进一步发展，出现了多层c s 模式，其结构如图2 2 所示。 客户机应用服务器数据库服务器 图2 2 多层c s 体系结构 多层c s 模式三个部分：表示层( 客户层) 、业务逻辑层、数据服务层。与两 层c s 模式不同的是，多层c s 模式把业务逻辑单独提取出来，构成了中间层， 从而形成真正的分布式应用系统。三层结构的客户层只须关注独立于事务逻辑 的与用户交互的界面，而具体事务逻辑的处理由业务逻辑层( 应用服务器) 进行 封装，它将原先的置于客户层的业务逻辑为所有客户共享。数据服务层不再和 每个活动客户保持一个连接，而是若干客户通过相应业务逻辑共享数据服务， 从而减少了连接次数，提高了数据服务器的性能和安全性。三层模式大大减轻 了客户机的压力，这种结构被称之为“瘦客户机 模式。这种结构中，只需随 机地增加中间层的服务( 应用服务器) ，即可满足扩充系统的需要。三层c s 模 式相对基本c s 模式具有可维护性好、系统资源优化、降低数据库服务器的负 荷、系统的反应速度快等优点。 ( 3 ) 浏览l l j l 艮务器( b r o w s e r s e r v e r ) 模式 两层b s 结构 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 b s 结构就是采用三层结构即b r o w s e r w e b s e r v e r d a t a b a s e s e r v e r ，组成的浏 览器、w e b 服务器和数据库服务器计算模式，是典型的三层c s 结构在w e b 上 应用的特例 2 0 l 。三层b s 体系结构如图2 3 所示。 浏览器w e b 服务器数据库服务器 图2 3b s 体系结构 三层b s 模式增加了较厚的中间件，形成“瘦客户机一胖中间层一瘦服务 器”的计算模式，这种模式比较适合于i n t e m e t i n t r a n e t 的数据库发布信息系统。 三层b s 模式中，客户端运行浏览器软件，浏览器以h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 形式向w e b 服务器提出请求；w e b 服务器接受客户端请求后，将需要 访问数据库的请求转化为s q l 语言，并交给数据库服务器：数据库服务器得到 请求后，验证其合法性，并进行数据处理，然后将处理后的结果返回给w e b 服 务器；w e b 服务器再一次将得到的所有结果进行转化加入一些必要的信息，变 成咖，文档形式，转发给客户端浏览器以友好的w _ e b 页面形式显示出来： b s 结构提供了一个跨平台的简单一致的应用环境，与传统的管理信息系统相 比，实现了开发环境与应用环境的分离，使开发环境独立于用户的应用环境。 多层b s 结构 随着网络技术的进一步成熟，出现了多层b s 模式，如图2 _ 4 所示。 应用服务器数据库服务器 图2 - 4 多层b s 模式 多层b s 模式客户端采用统一的浏览器界面，可以根据需求在w e b 服务器 方设计不同的页面，通