（电力电子与电力传动专业论文）基于ethernet的分布式监控系统通信技术的研究.pdf

基于以太网的分布式监控系统通信技术的研究 插图目录 图2 l 监控系统体系结构图 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 图32e t l l e n l e t ，f c s 网络结构 图33 控制系统结构图 图3 4 控制系统软件功能模块图 图35 工业以太网与o s i ，i s o 参考模型的分层对照 图4 1 基于o p c 的c l i e n t ，s e r v e r 结构模型 图4 2o p c 接口方式 图43o p c c l i e n t 与o p cs e r v e r 的连接 图44o p c c l l e n t 与o p cs e r v e r 的断开 图45m o d b u s 查询一回应示意图 图46i u 消息帧一 图4 7 请求消息帧 图4 - 8 回应消息帧 图4 9m o d b u s 与上位通讯的流程实现 图4 1 0m o d b u s 与下位通讯的流程实现 表l变量对应表 图5 1 两层c s 结构的体系结构图 图52 三层结构的体系结构层 图53 三层w e b 结构的数据库体系 图54 混合模式系统图 图5 5b s 监控系统结构图 图5 6 数据库访问原理图 图57o d b c 数据源管理器 图58 数据流流程 图59 登陆界面 图51 0 系统管理界面 图51 l 系统监控界面 图5 1 2 数据类型选择 图51 3 数据查询界面 4 1 2 1 4 - 1 5 - 1 6 1 7 - 1 8 一2 6 2 7 3 0 一 3 0 3 2 - 3 2 一 ，3 3 - 3 3 3 4 3 5 一3 6 一4 2 一 4 4 4 5 一4 6 4 7 4 8 - 4 9 一5 4 5 7 5 8 一 5 8 5 9 一5 9 硕士学位论文 摘要 对工业现场进行监控，及时取得生产现场的信息，对自动化程度日益增高的现代工 业企业实施高效的生产与管理无疑是一种有效和成功的实践。面对监控系统功能升级的 迫切要求，推向市场的工业监控产品也必然面对如何在激烈的竞争中保持竞争力，不断 高效合理地满足不同用户进步功能扩展的要求。进一步讲，如何高效地建立目标系统 的客户需求，建立功能和信息模型，向代码平滑过渡，利用这个模型进行测试和检验， 如何进一步地完善系统是一个好的分布式监控系统的要求所在。 本文针对上述问题，以甘肃省省长基金项目为背景，研究了一个基于工业以太网架 构的分布式监控系统。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 技术和软网关技术相结合的方法来实现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 的特点后，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 技术实现了服务器和客户端相关的系统通信、监控信息显示、报警用户管理等功能模块。 该监控系统提供了一种更完善的思路，综上所述，这种监控技术必将很好的运用于工业 乃至民用监控领域中。 关键词：工业以太网，o p c ，w i n s o c k e t ，软网关，分布式 基于以太网的分布式监控系统通信技术的研究 a b s tr a c t o b v i o u s l y ， i t sak i n do fs u c c e s s f u lp r a c t i c et om o n i t o rw o r k i n gf i e l d s ， t og e tf i r s t h a n dd a t af r o mt h e r ea n dm a k em a n a g e m e n ti nh i g h e re f f i c i e n c yf o r m o d e r ni n d u s t r i a le n t e r p r i s e s 1 n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e mf a c ei m p e r a t i v e r e q u i r e m e n t sa sc r u e lc o m p e t i t i o nf r o m m a r k e t ，a d v a n c e df u n c t i o na n dd i v e r s i f i e d c 1i e n t s w h a t sm o r e ，h o wt o e x p r e s sc l e a r l yr e q u jr e m e n t so ft h ec l i e n ts y s t e m ， m o d e l i n go ff u n c t i o na n di n f o r m a t i o n ，h o wt ot r a n s f o r mf r o mt h em o d e lt os o f t w a r e c o d es m o o t h l ya n dh o wt ot e s t i f ym o d e la n dm a k es y s t e m sd e s i g nm u c hb e t t e r a r er e a lf o u n d a t i o nf o rb e t t e rd i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e m s a i m i n gt oa b o v eq u e s t i o n s ， t h i sp a p e rt o o kt h ep r o j e c tf u n d e db yg a n s u p r o v i n c ea st h eb a c k g r o u n d ， d i s c u s s e dt h ed js t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c h b u i l tu po nt h eb a s i so fi n d u s t r y se 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 a a c q u i s i t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ， n e t w o r k t e c h n o l o g y ，c o 唧u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y a n d o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a 哪i n g t e c h n 0 1o g y s y n t h o t i c a l l y ， f u ll yu s e d b 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 na d v a n t a g e s ， a n da d o p t e d t 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 em o n i t o r i n gs y s t e mu s e d t h ea d v a n t a g eo fe t h e r n e ta n d t h ew a yo fo p ct e c h n o l o g ya n ds o f tg a t e w a y t e c h n 0 1 0 9 y ，o v e r c a m et h ei n f e r i o rp o s i t i o no ft h ee x 儿t n gf i e 】d b u s ，c a r r i e do u t t h er e a 卜t j m ed a t ao ft h ec 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 u n i c a t i o no fm o 九i t o r i n gs y s t e m a f t e ra n a l y s e da n da d v a n t a g e s s 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 m o fm i x i n gt 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 】o g ya n do b j e c t o r i e n t e d p r o g r a i m n i n gt e c h n o l o g yt oa c h i e v es 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 ns 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 ti o na n dr e p o r tt ot h ep 0 1 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 d o fn e wt h i n k i n gi nr e m o t ec o n t r 0 1s y s t e m a f t e rs o m et i m e ，r e m o t ec o n t r 0 1 i n g t e c h n o l o g yw i l lb eu s e de x t e n s i v e l yi ni n d u s t r ya n de 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 l l e 丌i e to p cw i n s o c k e ts mg a 姗a yd i s t r i b u t e d 6 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机网络技术迅速发展和计算机价格的降低，人们迫切希望能通过i n t e r n e t 来管理生产过程与外界联系。而i n t e r n e t 、i n t r a n e t 、i n f r a n e t 之间的互联使这种希 望成为可能。随着计算机领域的局域通信逐步被以太网垄断，过程控制领域中上层的通 信也逐步统一到以太网和快速以太网。以太网被用于网络控制系统己成为一种趋势，产 品如德国的j e n e ra g 。但由于当初以太网并不是为工业控制设计的，自身的特点使其不 能满足工业现场控制要求，所以目前还只能用于网络控制系统顶层( 信息层和管理层) “1 。但这种状况可能会随着新的以太网标准的提出和技术的发展而有所改观。至于以太 网最终是否能完全替代现场总线，实现网络控制系统的大统一，目前还众说纷纭，没有 定论。但从网络控制系统的特点和发展趋势来看，以太网是最适合的，而且标准的统一 有利于推动网络控制发展和应用推广，会赢得更多的市场。” 随着监控系统的发展，早期的基于专用机和专用操作系统的集中式监控系统已经不 能适应需要，分布式的监控网络应运而生。分布式监控系统，是相对于集中式的监控系 统而言的一种新型计算机系统，它是在集中式监控系统的基础上发展、演变而来的。这 种分布式的监控系统实现了集中管理与分散控制相结合，性能稳定、可靠性高、易于操 作和维护。” 1 2 国内外发展现状 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，由于各方面的利益冲突使得在最 近一段时间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，国内外以以太网为控制网的研究已由理论过渡到开发阶段。惠普公司应用 i e 旺1 4 5 卜2 标准，生产嵌入式以太网控制器，可运行f t 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 c o n 公司有n e t + a r m 体系，生产嵌入式 e t h e r n e t i n t e r n e t 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i e c 6 1 1 5 8 标准中所定义的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t p r o t o c 0 1 ) ，用高速以太网作为h 2 的一种替代方案，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 a m c d 协议，实时节点遵循实时节点访问控制协议r t c s a m c d 。浙江大学先进控 制研究所也在消化吸取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 基于以太网的分布式监控系统通信投术躬蚺冗 体化的工业以太蚓标准模型，即基于e p a ( e t h e r n e tr o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 的分布式网 络控制系统模型。“” 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 ns y s t e m ) 、m f t p ( s o c i e t y f o rm 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 g y ) 、c 0 姒d e m ( c o n d i t i o nm o n t o r i n ga n d e n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等纷纷通过网络进行了诊断咨询和技术推广工作，并制定了 一些信息交换的格式标准。国内的清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等高等院 校也先后推出了各自特色的监控系统，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 r n 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。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 中式的监控即分布式监控，实现了资源的共享，提高了系统的利用率。”5 4 ” 1 3 本课题研究的背景与意义 按照互联网参考的7 层协议，e t h e r n e t 只提供了物理层和链路层协议，且通常与 t c p i p 等协议结合应用。由于应用层协议不同，因此难以保证其互操作性。传输控制协 议网际协议( t c p i p ) 是i n t e r n e t 的网络层和传输层协议。在商业领域，它的互操作 性由i n t e r n e t 的应用层的文件传输( f t p ) 、终端访真( t e l n e t ) 、电子邮件( s m t p ) 和 其他公共协议保证；在自动化领域，尚无标准的应用层，各自动化厂商都有自己的应用 层，如m o d b u s 就是一种应用层协议。为了在不同的网络设备中实现互操作，当前，多 个组织正在为工业自动化领域的t c p i p 定义公共应用层协议。特别是将e t h e r n e t 用于 现场设备级，是当前的热点课题。例如，面向制造自动化的e t h e r n e t ，产生了一种基于 控制和信息的协议( c i p ) 。这是为传输控制协议用户数据协议协议( t c p u d p i p ) 定 义的。 c i p 是专为工业控制设计的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的服务集。 它采用用户数据协议网际协议( u d p i p ) 和传输控制协议网际协议( t c p i p ) 作为 e t h e r n e t 网上的控制和信息协议，允许发送显式( 信息) 和隐式( 控制) 报文。其中， 隐式报文是对时间有苛刻要求的i 0 信息( 事件触发、控制器互锁等) ，通过u d p i p 完 成的隐式报文中数据区包含实时i 0 数据( c i p 的控制部分) 。显式报文是无时间苛刻要 求的点对点信息，可由t c p i p 完成( c i p 的信息部分) 。c i p 向终端用户提供了自动化 系统必不可少的控制、组态、数据采集服务功能，为面向自动化领域提供了e t h e r n e t 网上的工业自动化设备的互操作性和可换性。 1 e t h e r n e t 作为现场总线的前景 随着自动化系统和管理系统的进一步融合，w e b 技术和无线技术等应用促使自动化 网络采用通用的e t h e r n e t 。 主流自动化厂商对e t h e r n e t 工业应用的积极态度将起到强大的推动作用，同时也 硕士学位论文 缓解总线之争的负作用。 e t h e r n e t 本身的迅速发展，在性能价格上还有很大的改善空间。 e t h e r n e t 本身未解决互操作性问题，随着t c p i p 在工业控制中的应用，从而为之 铺平了道路。 在单元和模板以上，e t h e r n e t 已具有优势。但在传感器级别，性价比还不具竞争力。 在仪表等领域，e t h e r n e t 要满足本安型应用有一定难度，也很难满足对仪表供电等 要求。随着市场集中度进一步提高，e t h e r n e t 有显著增长。但主要厂商目前的动态表明， 对e t h e r n e t 的预期仍然保守。 2 促进工业e t h e r n e t 应用对中国产业界的影响 现今，国对内总线竞争未付出大的代价，同时也没有一种总线在中国占压倒性优势， 我们要跟踪并采用国际先进技术，可以发挥后起优势，迅速缩短与发达国家的差距。 采用开放、免费的e t h e r n e t 和t c p i p 技术，可以节约资金，减少技术的领带性， 并且能得到自主知识产权技术的开发。 通过采用e t h e r n e t 和t c p i p 等开放的技术，能够减少专有网络的影响，有利于形 成公平的市场竞争环境有利于中国与国际接轨，降低项目投资费用。而且可以促进w 明 自动化等更先进技术和模式在中国应用，有利于制造业中间件软件市场的形成，为中国 参与下一波国际技术竞争创造良好的条件。 本课题研究的意义表现在： 1 吸取了计算机网络平台的最新技术，充分体现了分布式监控的功能和特点，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。 2 采用0 p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术这种软总线和基于m o d b u s + t c p i p 协议的软网关相结合，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 器和v c 编写接口程序访问过程数据，克服了异构网络结构和接口协议之间的差异。 3 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 r n e t + t c p i p ，使得 开放性和低成本为可能。 1 4 本课题研究的内容 本论文针对物料混合控制系统的实际情况，选择“基于以太网的分布式监控系统的 通信技术”作为研究方向。结合i n t e 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“信息孤岛”，将0 p c 技术、软网关技术、 现场总线技术、工业以太网技术和i n t e r n e t 技术相融合，从物料混合控制系统中的过 程控制出发构建网络化的监控系统。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b c 和 c s 混合模型的监控软件。 1 控制系统的构建。将多种现场总线以及p l c 、f c s 集成在同一以太网上，选取具 q t 1 以太网的分布式监控系统通信技术的研究 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 机以供监控和控制。 2 数据通信。采用o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 接口规范和软网关相结合， 解决了多现场总线、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。 3 监控软件。利用w i n s o c k e t 技术与面向对象编程技术，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 技术的分布式监控，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。 1 5 本课题研究内容安排 本课题以甘肃省省长基金项目一基于e t h e r n e t 的现场总线控制网络模型的研究( 项 目编号：g s 0 2 4 一a 2 5 0 1 1 ) 为背景的深入研究，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，监控软件以及各子系统的设计方案。 论文章节安排如下： 第一章：绪论 对分布式监控系统的发展概况进行叙述，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：分布式监控系统的总体概述 针对要解决的问题，提出监控系统的设计方案，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方法。 第三章：以太网监控系统的组建 分析了监控系统的软硬件结构后，针对以太网在工业应用中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 软件 总线和软网关相结合对系统进行了互连。 第五章：分布式监控系统研究 分析了c l i e n t 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 模式结合起来组建分布式监控系统。 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。 硕士学位论文 第2 章分布式监控系统总体概述 2 1 本分布式监控系统功能原理 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 p r ( e n t e r p “s er e s o u r c ep 1 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 ge x e c u t i o n s 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 业的网络系统分为3 层：底层控制网络( i n f r a n e t ) ，中间的企业的内部网( i n t r a n e t ) ， 及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控制的底层，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 i 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。 本论文提出的分布式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，实现监控和维护。在分布式监控系统 中，主要是对开关量、电机启停和电机传速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处理。同时，考虑 到工业现场环境以及专家诊断的成本，可远程对生产进行监控。整个分布式监控系统具 有用户管理、数据显示、图形显示、远程通信、控制命令选择、紧急事故处理以及报警 等功能。 2 2 分布式监控系统体系结构 基于工业以太网的分布式监控系统是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服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2 1 所示。 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到数据库中并同时 供现场和远程监控工控机实时访问。 本生产过程中大部分控制量是对电机的启停和阀门的开启，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 基于以太曩：蹦 布式监控系统通信技术的研究 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 连接时问、端口号、通讯协议等参数；工艺过程部分，相关的工艺设计师精心工艺过程 的编程设计，主要是对系统中阀门、传送带、电机等协调控制；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采用自己开发的监控系统，完成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。 控 制 层 设 各 图2 1 监控系统体系结构图 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 监控管理。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，实现现场设备间的通信。同时，通过通信模 块数据上传到上位机以供监视和控制。 工业以太网是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，因而要实现整个系统的集成是最关键的问题。在基于以太网 硕士学位论文 的监控系统中，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，使上层应用软件采用一致的方式存取下层的设备信息，目 前主要用两种方式解决，一种是在通讯程序中进行数据格式变换处理成软网关，另一种 是采用0 p c ( o l ep r o c e s sc o n t r 0 1 ) 接口规范。本论文中的设计方案采用两种方式结合的 技术。 软网关是由编程软件为平台针对相应的工业数据帧做的网关，系统以m o d b u s t c p 数 据协议为标准做软网关来对工业数据进行解析，通过e t h e r n e t 实现通信。 o p c 是由0 p c 基金会( o p cf 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，其它客户可以不通用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 在本文中采用基于工业以太网的分布式监控系统，为了防止非法用户对监控后台的 操作，系统应用配置用户管理功能，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 分布式监控系统的特点 本文利用了工业以太网技术、0 p c 技术、w i n s o c k e t 技术及面相对象的软件编程技术 实现了基于工业以太网的分布式监控系统，该系统的主要特点表现在： 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。针对分布式监控系统的复杂性，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 本章简要的介绍了基于工业以太网的分布式监控系统的结构，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，简要地 介绍了工业以太网、o p c 、软网关以及面相对象的软件编程技术，为下面章节的详细论 述作了铺垫。 基于以太网的分布式苴控系统通信技术的研究 第3 章以太网分布式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问，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地克服这些问题。 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 现在的工业控制网络的要求，有以下设计方案。 专用的工业以太网控制。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，改造成了专用的网络。结构方框图与拓 扑图如3 1 图所示。 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 与其他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发展，并 尽可能和其他网络形式融合。目前，基于e t h e m e t + t c p ，口的传感器、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网络内部传送和共享，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、协议规范、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，其他 。 硕士学位论文 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。其结构方框如下。 图3 2e t h e m e 仉、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企业提供了很大的选择余地，更好 地利用现在的工业网络，减少企业的投资，降低成本。在理想的工业以太网大范围地应 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，现在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、软 网关技术以及面向对象技术融合地思想，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 m e t 进行远程监控的网络控制系统。 本监控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，现场的监控工作站可 以实现工业监控组态、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 行远程的实时数据调用、参数修改等功能，以达到远程监控的目的。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，最大限度地增强企业管理和生产调度的能力。 该监控网络系统的特点是，系统的通信建立在e t l l e m e t + t c p i p 协议基础上，通过 网关软网关把各种现场总线集成。当上位机向现场设各发送查询或者控制指令时，它首 先通过e m e m 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 议发送给相应的现场设备或智能仪表或通过软网关将数据格式进行转换发送给相应的 基于以太网的分布式监控系统道言技术的研究 图3 3控制系统结构图 现场总线或智能仪表。此外，在这里使用了o p c ( 0 l ef o rp r o c e s sc o n 廿0 1 ) 接口规范与相 应程序实时交换数据。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 无需到现场时，就可以通过i m e m 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 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 器机制以及采用面相对象的编程方式，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他应用软件，软件设计遵循 o p c 的接口规范和软网关技术，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 m e t 或者e t h e m e t ，远程工作站可以监控整个系统的运行状况。 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，单独地存放 在一台工控机中，可存储从各种仪表和设备接口中的获取时问序列的实时数据，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，初始化模块实现的功能有读取组态好的系统配置文件并初始化系统配置硬件、读取 组态数据库的组态变量记录创建实时数据库、读取流程图组态文件创建图形显示图画。 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， 硕士学位论文 实现图形显示、刷行、报警、历史数据存盘、实时报表打印等。 3 3 以太网技术 图3 4 控制系统软件功能模块图 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 m 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) 来满足工业控制需求，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 m x 开发，后经过数字设备公司( d i g i t a le q i l i p m e n tc o r p ) 、 i m 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i e e e 8 0 2 3 。按i s 0 开放系统 互连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 p 、超文本链接h r r p 、动态网页技术等都与以太网技 术捆绑在一起。以太网于o s i 互连参考模型的对照关系如图。 基于以太网的分布式监控系统通信技市畦田 究 应用层 表示层 会话层 网络层 传输层 数据链路层 物理层 应用层 现场总线信息捌范层 网络层 传输层 数据链路层 物理层 图3 5 工业以太网与o s i 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 8 0 2 3 规范，网络层与 传输层采用了t c p i p 协议组。以太网由于其开发性好、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、企业标准局域网的发 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。 1 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，有多种开发工具、开发环境可供选择。因此，以太网作为一种标准的 开发式网络，不同厂商的设备很容易互连，这种特性正好解决了现场总线控制系统中设 备间互操作性问题。 2 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。 3 通讯速率高。目前1 0 0 m b s 的快速以太网已开始广泛应用，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。 4 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地降低系 统的开发和培训费用，从而显著地减少系统的整体费用，并大大加快系统的开发和推广 速度。 5 资源共享能力强。随着i n t e 硼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置在哪里，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”。 6 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，由此保证了以太网不断地持续向前发展。 由上可见，如果采用眦h e r n e t 作为工业控制网络，可以避免现场总线技术游离于 硕士学位论文 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，这一点是任何现场总线 技术无法比拟的。 3 3 2 以太网技术在工业控制网络中应用 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 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 r n 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