（检测技术与自动化装置专业论文）基于internet的远程实时监控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，网络技术的不断发展，尤其是以t c p i p 为代表的i n t e m e t 技术的 发展，给远程监控网的实现提供了深厚的技术基础。 将传统的监控系统与w e b 技术相结合的b s ( 浏览器n 务器) 模式下的计 算机远程监控系统逐渐成为新的研究和开发热点。本论文以i m e r n e t 技术的发 展为基础，在深入研究t c p 1 p 体系结构及其各种相关技术的基础上，主要对 基于i n t e m e t 的远程实时监控系统的关键技术进行了深入系统的研究，通过对 不同软件结构的比较，在现有控制网络的基础上构建了一个b s 模式的远程实 时监控系统。其中包括：远程监控的w e b 化方案设计，控制网络与信息网络 的融合，实时数据动态交换及实时性研究，远程监控系统的网络安全等。同时 以远程实时监控系统的方案为基础，设计了一个远程温度监控系统的a c t i v e x 控件( 包含w i n s o c k 控件) ，实现了温度状况参数设置、历史查询、实时监控 等功能。 以实现网络的实时数据交互为目标，本文研究了基于b s 模式的网络远程 实时监控技术。由于控制网络与信息网络的技术要求与特点不同，对如何实现 控制网络与信息网络的融合进行了分析和研究。对数据动态交换及实时性问题 进行了介绍和分析，对比了几种主要的动态交换技术，并详细分析了a c t i v e x 技术在远程监控系统中的使用。对远程监控系统的实时性进行了研究，并在现 有条件的基础上提出了一些提高系统实时性的措施和方法。在监控系统的设计 中，根据实时性的不同对数据进行分类，分别采用两种方式( s o c k e t 和数据库) 实现数据的远程通信，并使用o p c 接口实现对实时数据的采集。网络安全在 系统中占有非常重要的地位，本文对网络通信中的基本安全技术进行了阐述， 提出了一些加强网络安全的措施。 关键词：远程监控，b s 体系结构，实时通信，a c t i v e x 技术，w i n s o c k e t 技术 武汉理下大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tt e c h n o l o g i e sw i t ht c p 1 pa st h el e a d i n gr o l e ， r e m o t em o n i t o r i n gn e t w o r kh a sb e e ns u p p l i e dam o r ep r o f o u n dt e c h n o l o g i c a l f o u n d a t i o n t h ec o m p u t e r sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb sm o d e lw h i c h c 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 bt e c h n o l o g ya t t r a c t s m 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 dd e v e l o p m e n t b a s e do nt h ed e v e l o p m e n t o fi n t e m e tt e c h n o l o g y , t h e t h o r o u g hs t u d yo ft c p i ps t r u c t u r e a n dr e l a t i v e t e c h n o l o g i e s ，t h ep a p e rm a k e sad e e pr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e r 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 ls y s t e ma n dd e s i g nar e a l t i m em o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb sm o d e la 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 t s o f t w a r em o d e s a m o n gt h e m ，t h ed e s i g no faw e b - b a s e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l p r o j e c t ，t h ei n t e g r a t i o no ft h eh a f f a n e tn e t w o r ka n di n t e m e t i n t r a n e tn e t w o r k ，t h e r e a l t i m ed a t ad y n a m i ce x c h a n g ea n dt h er e s e a r c ho fr e a l t i m ec h a r a c t e ra n d n e t w o r ks e c u r i t yo ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma r ei n c l u d e d b a s e d o nt h er e a l t i m er e m o t e m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l s y s t e m ，a n a c t i v e ) ( c o n t r o l ( i n c l u d i n gw i n s o c kc o n t r 0 1 ) u s e di n r e m o t et e m p e r a t u r em o n i t e r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt or e a l i z et h ef u n c t i o n ss u c ha sc o n f i g u r a t i o no f t e m p e r a t u r es t a t u sp a r a m e t e r ，h i s t o r yi n q u i r ya n dr e a l t i m er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r 0 1 i no r d e rt or e a l i z et h er e a l t i m ed a t ad y n a m i ce x c h a n g e ，s o m em e t h o d st o i m p r o v er e a l t i m ec a p a b i l i t yo fb s b a s e dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m a r ea n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c e so ft h er e q u e s ta n d c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ni n t e m e t i n t r a n e tt e c h n o l o g ya n di n f r a n e t ，h o wt or e a l i z et h e i n t e g r a t i o no ft h eh f f r a n e ta n di n t e m e t i n t r a n e tw a sa n a l y z e da n ds t u d i e d d a t a d y n a m i ce x c h a n g ea n dr e a l t i m eq u e s t i o nw e r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，s e v e r a l d y n a m i ce x c h a n g et e c h n o l o g i e sw e r em a i n l yc o m p a r e d ，a n dt h eu s eo fa c t i v e x t e c h n o l o g yi nt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y z e di nd e t a i l s i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m ，a n dp u t sf o r w a r ds o m em e t h o d st oi m p r o v er e a l t i m ec a p a b i l i t yo f t h e s y s t e md e p e n d i n g o n e x i s t i n gc o n d r i o n s i nt h ed e s i g no ft h er e m o t e m o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h er e m o t ed a t ac o m m u n i c a t i o ni s r e a l i z e db yt w o m e t h o d s ( s o c k e tt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t c h a r a c t e ro fr e a l t i m ed a t aa n do p ct e c h n o l o g yi su s e df o rd a t aa c q u i s i t i o nf r o m l o c a lc o n t r o lu n i t n e t w o r ks e c u r i t yo c c u p i e sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h e s y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h eb a s i cn e t w o r ks e c u r i t ya n dp r e s e n t ss o m e m e t h o d st om a k ei n t e m e tc o m m u n i c a t i o ns a f e ri nb sm o d e l k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，b sm o d e l ，r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n , a c i t v e xt e c h n o l o g y , w i n s o c k e tt e c h n o l o g y i i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 y8 6 1 l8 0 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：硷湓日期丝生2 宝 关于论文使用授权的说明 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：瘴曼彳鸯姆师签名：望：逝同期坦：生：z 箩 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机技术的进步，计算机网络技术以一日千里的速度迅速发展。从 1 9 6 9 年第一个分组交换计算机网络的出现到今天，仅仪经过3 0 多年的发展，计 算机网络在现代信息社会中的地位己不能由第二种方式取代。计算机网络技术 的飞速发展，也使远程监控技术发展到了一个新的阶段一网络远程监控。采用 网络进行远程监控是计算机网络技术和远程控制技术发展的必然结果。 i n t e m e t 的广泛应用，为企业的远程监控和管理提供了一个基本环境和技术 支撑。如何利用这一先进的环境和技术进行创新，使之应用于某一具体领域，是 目前各行各业不断努力的方向，尤其是现场总线技术的大力发展和主流成熟的 网络技术、软件技术( 如e t h e m e t 、o p c 、a c t i v e ) 、w e b 技术、网络安全技术、 实时数据库等) 融入自动化系统，使得工业自动化系统的体系结构和运行管理 方式发生了巨大变化，出现了生产过程监控系统、企业生产管理系统和企业经 营管理系统融合为一体的解决方案；使得企业生产过程远程监控的内容也发生 了巨大变化，从生产过程运行参数的监督，到现场生产过程的远程诊断、远程调 试、远程控制，再到现场测量控制设备功能的远程组态、远程整定、远程故障诊 断和预测性维护，直至现场生产过程的远程图像传输( 遥视) ，等等。 1 2 远程监控技术简介 远程监控是建立在现代的计算机技术、通信技术、控制技术以及图形技术 上的一个新的应用。远程监控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。远程监控技术是远程监测与控制技术的结合；是本地计算机系统 通过网络系统( 特别是i n t e m e t ) 对远端的控制系统进行监测与控制【i 】。 远程监控系统必须要在控制网络和信息网络集成环境中完成原先在工业控 制系统中的各种要求，其主要特点有实时性、安全性和可扩展性等几方面睇j 。 武汉理r 大学硕t 学位论文 1 2 1 远程监控的原理 远程监控最早来自于医疗系统中的远程诊断系统。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如下三个阶段：第一 个阶段是单机监控系统，主要是针对单台或者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；第二个阶段是集中式监控系统，由多台 计算机组成，其中一台计算机控制其他多台计算机进行监控；第三个阶段是网 络范围内的远程监控系统。 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1 3 】。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。 i 远程监控i l 远距离数据i 一现场设备l 终端系统l i 传输系统卜j 监浏控制i ，控制数据流 + 状态数据琉 图1 1 远程监控系统模型 1 2 2 远程监控系统的分类 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 ： ( 1 ) 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 o l ，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。于是，可以通过w a p 将移动通信网、i n t e r n 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。 f 2 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( i n t r a n e t ) 和i n t e r n e 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 r n e t 武汉理下大学硕士学位沦文 技术、数据库技术、t c p i p 网络通讯技术、浏览器技术等发展的产物。 ( 3 ) 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g s m 系统提供的s m s 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 r n 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，束实现重要报警、 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 式中，被控对象是设备t 5 1 1 “1 。 ( 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。 f 3 ) 完全型的远程控制方式 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 1 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 武汉理工大学硕士学位论文 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 远程监控系统国内外发展现状 i n t e m e t 作为信息时代的主要信息载体，引起了工业界和学术界的广泛关注。 它的发展对工业自动化技术的冲击是必然的。将i n f r a n e t 与i n t r a n e t 、i n t e m e t 相 连，可实现信息的完全共享。1 9 9 6 年，美国麻省n o r t h a n d o v e r 公司首先将p l c 与i n t e m e t 相连。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。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 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。加拿大的g r a n b y 公司使用w e b 浏览器技术，通过以太网 进行机床故障诊断。另外，许多国际大公司都在他们的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。基于网络技术的远程实验，将 成为2 l 世纪科学实验室进行开放性研究的重要模式。目前，国外一些大学已经 有了这方面的研究。澳大利亚r m i t 大学设计的虚拟实验用于进行热传递过程 的教学，可以帮助学生快速掌握抽象的概念1 5 ”。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。西安交通大学、哈尔滨工业 大学、清华大学、华中科技大学等单位都先后推出了各其特色的监测诊断系统。 近年来，随着网络技术以及集散式控制思想的快速进步，西安交通大学轴承所 等单位推出了基于t n t 、i n t e r n e t 网的组态式集散监测与诊断系统：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【6 j 【7j 。 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、集成网络中实现不同平台的通信问题等。 现在嵌入式系统的发展越来越迅速，越来越成熟，这项新技术迟早必将用 武汉理_ 亡人学硕士学化沦文 于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。 1 4 本课题的研究意义和目的 在i n t e m e t 遍布全球，各种先进网络技术日新月异的今天，使用网络技术实 现远程晚控自然成为首选。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；使用远程监控技术还可以获得监控现场数据， 这对于需要获得第一时问数据的工程来说是极为重要的；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。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。 本文以i n t e m e t 技术的发展为基础，在深入研究t c p i p 体系结构及其各种 相关技术的基础上，构造了一种远程监控网结构，对远程监控中实时数据动态 交换及实时性等问题作深入研究，进一步使传输的网络流量减少，提高网络数据 遇信性能和通信安全性。 1 。5 论文内容安排 本文的内容安排如下：第一章为绪论，介绍远程监控的原理和发展现状： 在第二章中分析了远程监控系统的功能及结构，并介绍了典型控制网络现场总 线和以太网，详细论述了t c p i p 体系结构及t c p 、i p 、i t t t p 协议和功能，阐 述了网络远程监控系统的软件方案，提出基于w e b 的b s 体系结构远程监控系 统的方案；第三章研究了系统设计中的关键技术；第四章建立了一种基于i n t e m e t 的远程监控系统的软件方案，并对其运行机制进行了详细的分析论述，同时对 控制网络与信息网络的融合作进一步的研究，讨论了网络安全性问题；第五章 对远程监控中实时数据动态交换及实时性等问题作了深入研究；第六章是总结 和展望。 本系统的软件环境：操作系统为w i n 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 ；数据库服务器采用了s q l s e r v e r2 0 0 0 ：v i s u a l c + + 6 0 作为远端监 控平台的开发工具。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于i n t e r n e t 的远程监控系统 远程监控技术是计算机技术和通信技术发展的产物，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。 2 1 远程监控系统功能及结构分析 2 1 1 远程监控系统功能分析 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：另一种是现场监控与远程监控并存。由 于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段， 在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。 远程监控所实现的功能如下f 6 1 8 】： 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i n t e r n e t 的远程实时监控系统不仅可以实现异地控制，也可以实现大范 围的资源共享。将实时监控应用系统架构于i n t e r n e t 计算环境中，可以从许多方 面改善监控系统的性能和扩展增强系统功能。 2 1 2 远程监控系统结构分析 基于网络的远程监控系统通常可以分为三层：现场智能设备层、s c a d a 层 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 数据采集和监控) 、远程监控层1 8 】【9 】。 ( 1 ) 现场智能设备层 现场智能设备层位于监控系统的下层，是现场级管理系统，是整个监控系 统性能保障的基础。通过该层系统可以获得系统性能和状态的原始数据，满足 了原始数据准确、可靠和实时的需要。 ( 2 ) s c a d a 监控层 远程监控系统的第二层结构是s c a d a 监控层，是处理数据的部分，系统的 主要分析处理工作在此完成，同时这部分还应能提供信息管理，信息发布的功 能。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。可以说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，使管理人员能从任一地点实现对控 制设备的管理。它要与各个现场监测系统进行通讯，将各现场监测系统的信息 进行处理和存贮，为远程控制提供依据。通过该中心，控制整个系统的工作过 程，实现对设备控制整个过程中各个信号采集及为其他人员提供数据库中适当 信息。这一部分的实现使得监控系统的功能得到延伸和完善。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。 2 2 控制网络技术 控制网络一般是指由过程控制对象( 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 f a s t r u c t u r e n 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 现场总线是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制 造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连的通讯网络。它不仅是一个 基层网络，而且还是一种丌放式、新型全分布控制系统。现场总线设备的工作 武汉理j = 大学硕十学位论文 环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、 容错能力强、安全性好、成本低的特点；具有一定的时间确定性和较高的实时 性要求；实现系统的全分散控制、开放性、设备的智能化与功能自制性、对现 场环境的适应性等；还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等 特点【】。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层 高速数据通信网的特色。 其中有较强实力和影响的有：基金会现场总线f o u n d a t i o nf i e l d b u s ( f f ) 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 、d u p l i n e 等。它们具有各自的特色：在不同 应用领域形成了自己的优势。他们的性能和特点如图2 1 所示。 总线g 称所厦公司 通信梗型主要技术特点主要虚用 甄域 f f h e y m o s i ：物理层 纾f 医速h l 和高速m 随神通信速羁h 1 遁 数据链路层 信距离3 12 y 硇o p s 时1 9 0 0 r a h 2l l v l b l 过程自动化桶域 时7 5 0 m 25 m b p s 时5 0 0 m ；佳输介质可 ( 美) 应用屡 支持艰绞钱、光缆和无线发射 西门子 o s i ：物理屡 p f i b 璐一d p p f i b 岱霉硒、p m f i b 璐p 自坊织、楼字自动化 p m f i b u s 数据链路层 等秉列：信输蓬事9 6 1 2 k l o p s ；最大倍 震耋簇倒器、 储) 应用屡 输距离1 2 蚰p 时为1 0 0 0 m ，1 ：t w o , s 时为 舶0 m ；中鲢1 0 1 m ；教铰线，光援 e c h e i o 】n 速事从3 d 册p 至15 m ，p s 不等：通信距 楼字自动化、儡安 l o r i w b r k s 0 $ i - 全部t 屡离可达到2 7 0 0 m ( ? s k h p s ，教坡蝴：支持墓蚝、运输设备、 ( 羹) 教绞蛾、同轴电缆、光拜、射频、电源线鹅工业过程控制 c p 悄b o s c h o s i ：物理层 数据链路层 速率最高可达1 m b p s 4 0 m ；直接信输距 离散控制寄奠域 ( 德) 应用层 离墨远可选l o h w k b s ；双艘战 r o s e r o m m t0 $ i ：物理层 h r t数据链路屡 在现有梗拟信号俸输蛾上实现数宇通 智能仪器仪表 ( 美) 应用层 信j 最大传输距离3 0 m ：彀姣蛾 图2 - 1 几种常用现场总线的性能与特点 现场总线技术把网络化、信息化的概念彻底引入到控制领域和工厂的控制 中。但现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一 定范围的磋商合并，至今尚未形成完整统一的国际标准。 2 2 2 以太网( e t h e r n e t ) 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i o m b s 以太网过渡到1 0 0 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 武汉理上火学硕十学位论文 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【1 2 j 。 l , j k 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 ) i 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足通过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) 、h t t p ( w w w 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 l l e m 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 b 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 1 以太网通信的确定性与实时陛 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 ) 通信模式、采用虚拟局域网( v l a n ) 技术、引入质量服务 ( q o s ) 、i d a 解决通信实时可性的方法、r t p s 实时通信。 由于e l h e m e t 采用c s m 刖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 1 以太网通信的稳定性与可靠性 为了解决e t h e m e t 在不问断的工业应用领域，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 ra g 等公司专 9 武汉理工人学硕士学位论文 门丌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”。采用以太网的解决方案如图2 - 2 所示。 图2 - 2 以太网连接图 随着信息技术的不断发展及经济全球化的到来，控制网络与信息网络的融 合势不可挡。在第四章，将会对控制网络与信息网络的融合进行专门的论述。 2 3 监控系统网络分析 2 3 1 计算机网络技术的发展 1 9 6 9 年第一个分组交换计算机网络a r p a n e t 出现，进入9 0 年代以后，计 算机网络在大部分国家已普遍使用，尤其是i n t e m e t 的应用更是渗透到了各行各 业，并进入了千家万户。人类步入2 1 世纪，网络技术的发展更加迅猛。网络技 术的进展体现在以下几个方面4 j 【”j ： 数字技术的发展。一些传统的模拟传输改为数字传输，能同时传输数据、 声音、图像、文字的综合业务数字网1 s d n 快速发展。 宽带局部网络有较大发展，广泛应用于办公自动化、校园网和其他领域。 产生了包含数以百万计接入设备的巨型网络，典型的代表是i n t e r n e t 。 1 0 武汉理工大学硕十：学位论文 计算机网络技术的发展经历了三个阶段：一是以m a i n f r a m e 为中心的集中处 理式网络( 主机终端模式) ；二是以c l i e n t s e r v e r 模式为中心的分布式计算处理 网络系统( 客p n 务器模式) ；三是目前正兴起的i n t r a n e t 模式( b r o w s e r s e r v e r 模式) ，足以基于w e b 技术为特征。 2 3 2t c p f l p 网络体系结构 一个开放式网络足一种使得在两台不同计算机之间通信和共享数据成为可 能的方式。开放性是通过合作开发和技术规范的维护而达到的。这些技术规范， 也称为丌放式标准，是完全公开的。 ( 一) i s o t o s i 网络体系结构i ”l 【吲 国际标准化组织( i s o ) 开发了开放式系统互联( o s i ) 参考模型，以促进计算 机系统的开放互联。开放式互联就是可在多个厂家的环境中支持互联。该模型 为计算机i 日j 开放式通信所需要定义的功能层次建立了全球标准。 o s i 模型将通信会话需要的各种进程划分成7 个相对独立的功能层次，这些 层次的组织是以在个通信会话中事件发生的自然顺序为基础的。图2 3 描述了 o s i ，1 - 3 层提供了网络访问，4 7 层用于支持端端通信。 o s i 参考梗型层0 s r 厚 次描述 谈号 应用层 7 衰东层 6 舍话层 5 佳输鏖 哇 网络层 3 数据链路屡 2 物理屡 i 图2 - 3o s i 参考模型 ( 二) t c p f l p 体系结构及协议6 1 l ”1 t c p i p 是一组协议，这组协议使任何具有计算机、调制解调器和i n t e r n e t 服 务提供者的用户能访问和共享i n t e r n e t 的信息。t c p i p 使跨平台，或称为异构的 网络互联成为可能。 与o s i 参考模型不同，t c p i p 模型更侧重于互联设备间的数据传送，而不是 武汉理- l 大学硕士学位论文 严格的功能层次划分。它通过解释功能层次分布的重要性来做到这一点，但它 仍为设计者具体实现协议留下很大的余地。因此，o s i 参考模型在解释互联网络 通信机制上比较适合，但t c p ，i p 成为了互联网络协议的市场标准。t c p ，i p 参考 模型是在它所解释的协议出现很久以后才发展起来的，更重要的是，由于它更 强调功能分布而不是严格的功能层次的划分，因此它b h o s i 模型更灵活。 t c p i p 的参考模型年t l o s i 参考模型的比较如图2 4 所示。 t c i i i f 参考覆墨o s i 参考粳塑 应用层( f t p 、r t t p 、t e l n e t 等) 应用层、表示层、金话层 传输层( t 髓、1 l d p ) 传输层 网络互连层( i p ) 网络最 主机和网路连接层( 各种网络接口) 数据链路层、物理层( 底层) 图2 4t c p i p 参考模型和o s i 参考模型比较 t c p i p 由四层组成，这四层包括：应用层( a p p l i c a t i o n ) 、传输层( t r a n s p o r t ) 、 网络层( n e t w o r k ) 、链路层( l i n k ) 。t c p i p 和o s i 之间在层格式方面的主要区别 是：传输层不保证任何时刻的传输。 ( 1 ) 应用层 应用层包括s m t p 、f t p 、h t t p 、n f s 、n i s 、l p d 、t e l n e t 和r e m o t el o g i n 。 应用层包括一些服务，这些服务在o s l 中由独立的三层实现。这些服务是和端用 户相关的认证、数据处理以及压缩。包括电子邮件、浏览器、t e l n e t 客户以及其 他的i n t e m e t 应用。 ( 2 ) 传输层 传输层包括t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 1 u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 。u d p 几乎不进行检查，而t c p 提供传输保 证。与o s i 中传输层不一样，t c p 不保证报文的准确传输。t c p 为两台主机提供 高可靠性的数据通信。而另一方面，u d p 贝j 为应用层提供一种非常简单的服务， 它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据 报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 ( 3 ) 网络层 t c p i p 协议族中，网络层由以下协议