（电力电子与电力传动专业论文）基于μcosⅡ的远程监控系统研究及其在泵站自动化中的应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t he n h a n c e m e n to fp u m p i n gs t a t i o na u t o m a t i z a t i o n ，t h e d e v e l o p m e n to f e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 矗e l db u st e c h n o l o g y , m a d e p u m p i n gs t a t i o nr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e me n a b l e i nt h i sp a p e r , w er e a l i z et h er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mo fp u m p i n gs t a t i o nw i t l le m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g ya n df i e l db u s t e c h n o l o g ya ts a m et i m e f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gc o n t r o l s y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ， e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g y , f i e l db u s t e c h n o l o g yb o t hh e r ea n da b r o a d t h es e c o n dp a r ti sm a i n l yr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m t h e o r e t i c a lr e s e a r c hp r o g r a m m ea tt h es a m et i m e ，a n dp u m ps t a t i o nr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mt ot h eo v e r a l lp r o g r a m m e 而et h i r dp a r to ft h i sp a p e rw ee x p l a i n tt h ek e r n e l s t r u c t u r eo fi x c o s i ia n dd e s c r i b et h ep r o c e d u r ea b o u th o wt op o r t i n gh c o s i io n h i 酿s p e e ds o cm i c r o c o n t r o l l e rc 8 0 5 1f 0 4 0 ，t h eo si st h eb a s e do fc a r r y i n go u t e m b e d d e dw e bs e r v e r t h ef o u r t h l yp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e sh a r d w a r ec i r c u i to f e m b e d d e dw e bs e r v e r ，a n a l y s e ss o m es t a n d a r di n t e m e tp r o t o c o l sl i k ee t h e m e t 、 a r p 、i p 、i c m p 、u d p 、a n dt c p ，d e s c r i b et h eh y p e r t e x tt r a n s p o r tp r o t o c o l sh t t pi n d e t a i la n dr e a l i z eae m b e d d e dw e bs e r v e r sa ts a m et i m e t h ef i f t hp a r to ft h i sp a p e r r e c i t em a i nc o n t e n to fc a nb u si nd e t a i la n db r i n gu ph a r d w a r ec i r c u i to fc a nn o d ei n t h es y s t e m a sw e l la s ，i n t r o d u c e ss o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fc a n c o r r e s p o n d i n g p a r t v ib a s e do nt h ed e s c r i p t i o no fuc o s i ii nt h er e m o t em o n i t o r i n gp u m pa u t o m a t i o n s y s t e mf u n c t i o n st oa c h i e v e a tt h ee n do f t h i sp a p e r ，w es u m m a r i z ea l lt h ew o r kw h i c h h a sd o n e ，w h a t sm o r e ，d os o m ee x p e c t a t i o nt h et e c h n o l o g ya b o u tp u m p i n gs t a t i o n r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ；c 8 0 51f 0 4 0 ；c a nb u s ；e m b e d d e d r e a l - t i m ep , c o s i i ；e m b e d d e dw e bs e r v e r s n 湖班j 案大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孝右，闰d 日期：印绛够月2 伊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 力一 学位黻储鲐右加j 指导教师始学沥 日期：2 萨够月彤日 日期：年 月日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 问题提出及研究意义 1 1 1 远程监控系统的提出 随着通信技术和信息处理技术的迅猛发展，两者的结合远程监控系统 已成为当前研究领域的一大热点。远程监控系统是指在远离被控对象的情况下， 能够及时获知被控对象的工作状况，必要时发出指令对其进行遥控的系统。 远程监控系统的出现，使工作人员不需要到达现场，只要坐在监控中心就能 够掌握全局，及时得到被控对象的详细情况，迅速作出决策并有效地执行，大大 提高了工作效率，节省了人力物力，也提高了系统对突发事件的应变能力，将是 各行业监控系统的发展趋势。远程监控系统的用途十分广泛，在交通、电力、工 农业、水利、环保、建筑等行业已有大量的应用。 目前，我国基于网络的远程监控、维护、管理的总体水平还比较低，基本处 于传统工业远程监控到智能多样化远程监控的发展过渡阶段中。远程监控系统的 研究对于改善民生生活及国民发展具有很大的研究价值。 1 1 2 远程监控系统的研究意义 监控系统从以往工业现场每台设备都伴以测试仪器及仪表( 机械式到数字 式) ，不但传统的仪表系统布线复杂，而且需要大量的人力、物力来记录、维护、 维修，而且预料不到的故障和告警事件( 火灾等) 都不能及时的反应给现场管理人 员，致使损失的扩大。 随着计算机网络的发展以及智能仪表技术的发展，使得远距离地进行监测和 控制成为可能。现场总线的发展，如c a n 、p r o f i b u s 、m o d b u s 等，使得各种 智能仪表、p l c 、数据采集卡等方便的挂接到这些总线上。现场控制设备具有自诊 断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室， 用户可以查询所有设备的运行，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护 停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。现场总线系 统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、 湖北工业大学硕士学位论文 端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计一与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上， 既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。由于现场总线设备的智能化、数 字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误 差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减 少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。这种现场总线的仪表网络可以 通过工业现场的工业控制计算机来实现检测与控制。计算机从现场采集来的数据 进行软硬件处理后，为了防止误判或误报，所以进行信息、融合后，避免错误控 制。仪表网络与计算机之间通信使得工业现场的实时状况紧缩到计算机屏幕上， 而且通过计算机的i s a 总线插槽、p c i 插槽、串口等向各种板卡、智能采集模块、 p l c 等发出控制工业现场的设备的信号。现场设备判断命令里包含的地址等识别出 控制本身的指令，做出相应的控制动作。 1 2 国内外远程监控系统研究的发展及现状 1 2 1 远程监控系统发展现状 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。首先，网络通信技术不足的问 题。网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般 简单采用s o c k e t 技术，甚至f t p 或e m a i1 等，这些技术无论在传输的数据量、编 程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺，特别是对于现场多个端点的数据采 集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求；其次， 网络通信中多种结构并存的问题。目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布 距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台 以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现相互 之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的。 1 2 2 国内外远程监控系统的研究现状 远程监控与故障诊断技术【4 l 是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的 研究。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r a c t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻 省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。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，及对用户的 合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开 2 湖北工业大学硕士学位论文 发基于i n t e r n 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 o 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 r n e t 范围内的信息 监控和诊断推理。 另一方面，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r y i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t o p e ns y s t e ma l l i a n c e ) ，m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r e p 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 i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络 进行设备故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许 多大公司在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t y l 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交 换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息：著名的n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a bw i n d o w s c v i 以及l a bv i e w 中加入了网络通 讯处理模块，因而可以通过w w w ，f t p ，e - m a i l 方式在网络范围内进行监控数据 的传送。法国 a l a r m ”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研 究，并在多个项目中进行了应用【5 l 。 国内也对远程监控技术开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、 哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果，如西安交 通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、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。 目前，远程监控技术的主流是应用i n t e r n e t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规 范的支持下，工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并 及时做出响应。将来，嵌入式系统与远程监控系统的结合，是监控系统未来发展 方向之一。嵌入式监控系统不仅成本低廉，同时可以使信息实现本地化处理，改 善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独 立进行服务，从而大大提高监控的质量和范围。 1 2 3 监控软件的简介 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监 控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常 容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 3 湖北工业大学硕士学位论文 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬 件的全部接口，进行系统集成。目前世界上的组态软件有几十种之多，国际上较 知名的监控组态软件有：i f i x ，i n t o u c h ，w i n c c ，l a b v i e w ，c i t e e h 等。我国较知名 的监控组态软件有：三维力控( f o r c e c o n t r 0 1 ) ，组态王，通用组态。本监控系统 考虑到软件成本和软件的后期维护，我们选择组态王做为上位机的监控软件。 1 3 嵌入式技术的发展 1 3 1 嵌入式系统的发展 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前存在多种嵌入式系统定义，有 的是从嵌入式系统的应用定义的，有的是从嵌入式系统的组成定义的，也有的是 从其他方面进行定义的。其中i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义为1 6 】：嵌入 式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。国内的 一般定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、从而能够适 应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统 嘲。嵌入式系统采用“量体裁衣 的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中，它 融合了计算机软件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 的最终产品1 7 j 。 国外嵌入式操作系统主要有v x w o r k ，q n x ，p a l mo s ，w i n d o w sc e ，l i n u x ， g c o s i i 等。国内的嵌入式操作系统研究开发有两种类型【9 1 ，一类是基于国外操作 系统二次开发完成的，如海信的基于w i n d o w sc e 的机顶盒系统：另一类是中国自 主开发的嵌入式操作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统h o p e n o s ( “女蜗计划 ) 等。 1 3 2 嵌入式i n t e r a c t 技术的发展 随着i n t e r n e t 技术的不断成熟，i n t e m e t 已成为企业管理层的主导网络，基于 t c p i p 协议的以太网逐渐渗入社会生活的各个角落，并开始延伸到工业设备现场 f 1 0 l 0 同时随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低，功 能却越来越强大，这不仅解决了嵌入式微控制器与i n t e r n e t 连接的技术问题，同时 也使得这种连接费用降低到工业控制完全可以接受的程度。这种技术的发展促使 4 湖北工业大学硕士学位论文 了基于嵌入式i n t e r n e t 的控制网络的出现，并发展成为一种技术潮澍”j 。 在嵌入式i n t e r n e t 网络体系结构中，基于t c p i p 的以太网贯穿于控制系统的各 个层次、将一台台孤立的现场设备和设备工程师以及企业管理人员均作为一个网 络节点通过以太网有机地连接在一起，形成一个有机的整体，实现了现场设备到 管理层的直接通信，上下贯通直插到底，实现现场级的应用，使设备的控制与维 护由过去那种封闭、各行其是的管理模式逐步向开放、共享、合作的新型管理模 式转变，并最终实现企业控制、管理信息的无缝集成【1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 。 1 4 现场总线控制技术的发展 1 5 0 多年前第一代过程控制体系是基于5 1 3 p s i 的气动信号标准( 气动控制系 统p c s ，p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 。简单的就地操作模式，控制理论初步形成， 尚未有控制室的概念。第二代过程控制体系( 模拟式或 a c s ，a n a l o gc o n t r o ls y s t e m ) 是基于0 1 0 m a 或4 - - 2 0 m a 的电流模拟信号，这一 明显的进步，在整整2 5 年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动 控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的 基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。第三代过程控制体系 ( c c s ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 1 1 8 1 7 0 年代开始了数字计算机的应用，产生了 巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三 代过程控制体系( c c s ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 1 1 7 。这个被称为第三代过程控 制体系是自动控制领域的次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍 认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制 计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4 - - 2 0 m a 的模 拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的 危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制 系统( d c s ) 1 1 6 1 。 第四代过程控制体系( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 分布式控制系统) ： 随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大 幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系( d c s ，或分布式数字控制系 统) ，它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算 机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的 特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4 - - 2 0 m a 的模 拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第五代过程控制体系( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e r n t e 场总线控制系统) ：f c s 是从d c s 发展而来，就象d c s 从c c s 发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制 发展到“现场控制 ；数据的传输采用“总线 方式。但是f c s 与d c s 的真正的区 别在于f c s 有更广阔的发展空间。 1 5 课题研究的主要内容和途径 本课题的研究与应用具有重要的理论意义和实际意义。在学术上，本课题将 面向对象编程方法应用于实际在技术上，本课题对多线程编成技术、现场总线和 单片机技术做一次深入应用研究是在研究嵌入式操作系统g c o s i i 和远程监控系 统理论研究的基础上，把嵌入式操作系统与远程监控系统技术相结合，应用到水 泵的远程监控控制系统上。本课题是湖北省教育厅重点项目基于现场总线技术 的大中型电排站机组群实时监控系统研究中的一部分。机组群实时监控系统由 温度监控、电量监控、继电保护和上位机监控软件等组成，为了使系统模块化， 系统采用现场总线( c a n 总线) 监控系统，将各功能模块联系起来。目前，由于 嵌入式技术的迅猛发展，特别是嵌入式网络技术的发展，在工业领域已得到了广 泛应用，但就国内将此技术用到泵站监控系统中还没有得到实现。这里我们将嵌 入式网络技术应用到泵站远程监控系统中。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章基于c o s i i 的远程监控系统方案 2 1 远程监控系统特点： 2 1 1 远程监控系统功能 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，这种远程监控与一般的现场监控没有多大 的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相 同；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个 设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶 段，然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网 ( i n t r a n e t ) 。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。远程监控系统所 实现的功能如下【19 j ： 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：利用己有的有效数据、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b s 和c s 的远程监控系统是以网络作为通信平台的远程监控系统，以 h t t p 技术为基础，具有简单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用 的信息交互平台。利用网络通信技术s o c k e t 技术、数据采集技术及面向对象等软件 技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控数据显示及报警等模块， 其优点是充分利用了现有的局域网资源和广域网资源，以最高的性能价格比，以 信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一 体化的管理。例如：远程监控系统将设备运行情况提供给服务器，并由服务器发 7 湖北工业大学硕士学位论文 送到各个节点客户机，工作人员在客户机端( 一般为远端) 便可了解整个系统的工 作状态及运行情况。简单地讲，对企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据 的采集、传输和处理以及进行实时控制的问题。正是它的这些优点使得它得以飞 速发展。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理中， 专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备 的可用率，最终降低生产成本，提高效益。 2 1 2 远程监控系统所具备的优点 借助于远程监控可以将企业内部的信息网( i n t r a n e t ) 与控制网有效地连接起 来，实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略 紧密结合，从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上 知识资源库。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得 现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员 无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及 各种参数，使受过专业训练的人员虚拟地出现在许多监控地点，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，以维护设备的正常运营，从而 减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势。利用网络技术实现远程监 控，对企业降低生产成本、提高劳动生产率、提高企业产品的科技含量，以及增 强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。 2 2 系统的拓扑结构研究 2 2 1 分布式监控系统 随着分布式计算机监控系统的出现，较复杂的监控系统便开始采用了多台微 机分别对各个对象或设备进行控制，而各台微机之间又通过数据通信进行信息交 换和相互协调，这就是分布式的计算机控制系统。这种系统已广泛应用于工业过程 控制分布式监控系统在大中型监控系统中应用较广，取得了很好的效果。分布式 计算机在工业控制上的典型应用是集散控制系统( d c s ) 。集散控制系统采用了 多层次分级的结构形式，以适应现代生产控制与管理的需要i u j 。 2 2 1 1 分布式监控系统的结构 8 湖北工业大学硕士学位论文 下面给出了基于d c s 的分布式远程监控系统，该系统分四个层次：监控中心 的监控计算机、现场工控计算机、现场控制柜( l c u ) 和场外设备，如图2 - 1 所 示。上层的监控计算机和现场工控计算机和其它计算机组成一个局域网，现场工 控计算机和现场控制柜组成工业以太网或者光纤环网，而每个现场控制柜和外场 总线设备通过现场总线进行通信。这样每个现场控制柜( l c u ) 控制一定数量外 场设备，可以构成一个独立的控制回路，也就是说，其中某一个l c u 损坏不影响 其它l c u 的正常工作。这充分体现了分布式的优势【2 1 j 。 监控计算机 直蓁攫场工虫囊 虫| | | 吊惭” 器 f 1，光纤环同 、ll l 鼍爵窘i j一。二。 l币”化 赫一 剌彩 ，z 硬 弦霉霉z o 之z ， 图2 1 分布式监控系统结构图 分布式监控的工作原理如下：l c u 对通过传感器、执行部件等外场设备采集 到的信号进行转化、计算分析或者经现场工控计算机接受监控中心监控计算机的 命令，在外场设备需要动作时，产生相应的输出到电气开关柜，通过继电器和交 流接触器控制外场设备的运行。监控中心监控计算机对来自各个l c u 的数据进行分 析、显示，作为操作员下达命令的依据。在正常状态下，现场工控计算机起到中 介作用；而在降档模式下，现场工控计算机可直接控制外场设备【z 2 l 。 由于外场设备一般地处野外，环境恶劣，现场工控计算机一般可用抗恶劣性 条件性能好、可靠性高的工业计算机( 口c ) 。l c u 用单片机、p c 机或者p l c 等。 9 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 1 2 分布式监控系统的优缺点 ( 1 ) 分布式监控系统的优点 资源共享，系统中的数据、程序、外设等资源都可由各子系统共享，同时 也增加了系统的适应性与灵活性。 采用模块化结构，使系统容易实现通用化与系列化，系统的扩充也很方便， 还可以对系统进行重构，实时地动态分配、管理系统，以适应不同的环境和用户 的要求。 由于采用了d c s 结构，分散控制，可靠性高。一个l c u 出现故障不影响其 他l c u 的正常工作。即：子系统故障一般不会影响全局，可由其它子系统以“容 错 方式带故障运行。 ( 2 ) 分布式监控系统的缺点 技术要求高，多机系统中软硬件方面都有一些特殊问题需要处理，比单机 系统复杂得多，系统总体的调度、协调和优化是一个难度较大的研究课题。 数据通信量很大，需要增加通信连网设备及费用，又带来了数据通信的安 全性与保密性问题。 因为所使用的p l c 较多，分线较为复杂，造成工程成本偏高。 2 2 2 集中式监控系统 2 2 2 1 集中式监控系统的结构 集中式监控系统应用较早，在我国的小型的自动化控制中应有比较广泛。一 般分为三个层次：监控计算机、控制单元和现场的传感器、执行部件等外场设备。 如图2 - 2 所示，其中控制单元p l c 直接与所有的传感器、执行部件等外场设备相 连，这样控制单元只使用一个p l c 就可控制所有的场设备相连。 监控计算机 图2 - 2 集中式监控系统的结构 2 2 2 2 集中式监控系统的优缺点 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 ( i ) 集中式监控系统的优点 技术要求较低，系统中的硬件连接简单，实现起来也较方便。 经济实用，由于不需要另外再增加通信连网设备等，可以用较少的投资 达到对设备的监控。 ( 2 ) 集中式监控系统的缺点 可靠性相对较低，一旦出现故障就会导致整个系统的瘫痪，所有设备均 不能工作。 能监控的外场设备数量有限，而且系统的拓展性不强。 评价一个系统时，不仅要考虑技术的先进性、系统的可靠性，还要考虑经 济性。采用一些新技术对原有系统进行技术改造，适合我国国情，有重要 意义。 2 3 基于g c o s i i 的水泵远程监控系统方案 针对远程监控系统特点和对远程监控系统理论方案的研究。我们结合分布式 监控系统合集中式监控系统特点，我们提出一个基于g c o s - i i 操作系统的嵌入式 w e b 服务器实现方案，并运用到水泵的远程监控系统中。嵌入式w e b n 务器的结构 图如图2 3 所示：其主控制器采用5 1 系列单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，以太网控制器采用 r t l 8 0 1 9 a s 。 a n 收发 i 。、 r s - 2 3 2 c 8 0 f 0 4 0i 7 4 h c 5 7 3 硬件平台 r t l 8 0 1 9 a s 狄太网控制器 图2 - 3 嵌入式w e b 服务器结构框图 r j 4 5 坠 叫以太网隔离器 鉴于目前g p r s 接收机的广泛应用与发展，市场上有很多较为便宜的g p r s 接 收机。考虑到本设计方案的实际应用性，在本系统内单独开发g p r s 硬件，成本较 高，如果要实现无线接入方式，可以在市场上直接购买较小的便宜的g p r s 模块， 然后利用c 8 0 f 0 4 0 创建多任务，就可以较为经济的实现无线g p r s 接入方式。从 经济性角度出发，本设计方案暂时不考虑g p r s 接入方式。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章a c o s i i 实时嵌入式操作系统 3 1 实时操作系统的选择 目前，实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。在 “硬”实时操作系统中，如果不能在允许时间内完成使物体可达的计算，操作系统将 因错误结束。在“软”实时操作系统中，生产线仍然能继续工作，但产品的输出会因 产品不能在允许时间内到达而减慢，这使机器人有短暂的不生产现象。实时操作 系统大体上可分为两种：商用型和免费型。商用实时操作系统稳定、可靠、有完善 的技术和售后服务，但其价格非常昂贵，具有代表性的系统有v x w o r k s ，w i n d o w s c e ，p s o s ，p a l mo s ，q n x 等。免费型的实时操作系统在价格方面具有很大的优势， 其代表有l i n u x 和i 上c o s i i 。 t t c o s i i 绝大部分的代码是用a n s i 的c 语言编写的，包含- - d , 部分汇编代 码，选择1 t c o s i i 操作系统为远程监控系统的操作系统，其中原因有多个，主要 有 t c o s i i 是一个免费的实时操作系统，其代码较小，完全能够移植到8 位单片 机中；最重要的还是i 1 c o s i i 本身具有以下特点i a s l ： 1 公开源代码 源代码全部公开，可以找到各种详细资料，系统透明。 2 可移植性( p o r t a b l e ) 绝大部分i - t c o s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处理器硬件相 关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，使得 p c o s i i 便于移植到其它微处理器上。i lc o s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 3 可固化( r o m a b l e ) 斗c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要使用者有固化的手段( 编 译、连接、下载1 ，c o s i i 就可以嵌入到产品中作为产品的一部分。 4 可裁剪( s c a l a b l e ) 用户在使用时，可以根据需要，只使用uc o s i i 中应用程序需要的那些系统 服务。例如，可以在产品中使用很少的几个uc o s i i 调用，也可以使用uc o s i i 的全部功能。可裁剪性是通过使用条件编译实现的。 5 占先式( p r e e m p t i v e ) i ic 0 s i i 是占先式实时多任务内核，优先级高的任务一但准备就绪，立即可 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 以拥有c p u 的控制权，进入运行状态。 6 多任务 i - t c o s i i 可以管理6 4 个任务，目前第二版保留8 个给系统。应用程序最多可 以有5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不同的，这意味着i 上c o s i i 不支持 时间片轮转调度法( r o u n d - r o b i ns c h e d u l i n g ) 。 7 可确定性 全部uc o s i i 的函数调用与服务的执行时间是可以事先确定的，系统服务的 执行时间与应用程序的多少没有关系。 8 任务栈 每个任务有自己单独的栈， t c o s i i 允许每个任务有不同的栈空间。以便压 低应用程序对r a m 的需求。使用i t c o s i i 的栈空间校验函数，可以确定每个任 务到底需要多少栈空间。 9 系统服务 l ic o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的 内存的申请与释放、时间相关函数等。 1 0 中断管理 中断足以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被该中断唤醒， 则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 1 i 稳定性与可靠性 p c o s i i 是基于p c o s 的，i t c o s 自19 9 2 年以来已经有好几百个商业应用。 3 2p c o s i i 实时操作系统简介 | lc o s 实时操作系统由美国人j e a nl a b r o s s e 在1 9 9 2 年完成，其应用面覆盖 了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、发动机控制、高速公路电话系统、 自动提款机等，1 9 9 8 年i 土c o s i i 第一次推出，目前的版本pc o s - i iv 2 6 1 ，网站 为m 删1 lc o s i i c o m ，可以为广大用户提供帮助。 3 2 1 1 2c o s - l l 系统的任务调度 图3 1 是pc o s i i 内核控制下的任务状态转换图给出了i - t c o s i i 控制下的任 务状态转换过程。在任一时刻，任务的状态一定是这五种状态之一。 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 o s la s l d ) e i o 图3 1r t c l o s i i 任务状态图 睡眠态( d o r m a n t ) 指任务驻留在程序空间之中，还没有交给l lc o s i i 管 理。把任务交给i ic o s i i 是通过调用下述两个函数之一： o s t a s k c r e a t e 0 或o s t a s k c r e a t e e x t 0 。当任务一旦建立，这个任务就进入就绪 态准备运行。任务的建立可以是在多任务运行开始之前，也可以是动态地被一个 运行着的任务建立。如果一个任务是被另一个任务建立的，而这个任务的优先级 高于建立它的那个任务，则这个刚刚建立的任务将立即得到c p u 的控制权。一个 任务可以通过调用o s t a s k d e l 0 返回到睡眠态，或通过调用该函数让另一个任务进 入睡眠态。 调用o s s t a r t ( ) n - i 以启动多任务。o s s t a r t ( ) i 函数运行进入就绪态的优先级最高的 任务。就绪的任务只有当所有优先级高于这个任务的任务转为等待状态，或者是 被删除了，才能进入运行态。 正在运行的任务可以通过调用两个函数之一将自身延迟一段时间，这两个函 数是o s t i m e d l y 0 或o s t i m e d l y h m s m 0 。这个任务于是进入等待状态，等待这段 时间过去，下一个优先级最高的、并进入了就绪态的任务立刻被赋予了c p u 的控 制权。等待的时间过去以后，系统服务函数o s t i m e t i c k 0 使延迟了的任务进入就 绪态。 正在运行的任务期待某一事件的发生时也要等待，手段是调用以下3 个函数 之一：o s s c m p e n d o ，o s m b o x p e n d 0 ，或o s q p c n d o 。调用后任务进入了等待状 态( w a i t i n g ) 。当任务因等待事件被挂起( p c n d ) ，下一个优先级最高的任务 立即得到了c p u 的控制权。当事件发生了，被挂起的任务进入就绪态。事件发生 的报告可能来自另一个任务，也可能来自某个中断服务子程序。 正在运行的任务是可以被中断的，除非该任务将中断关了，或者i lc o s i i 将 中断关了。被中断了的任务就进入了中断服务态( i s r ) 。响应中断时，正在执行 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 的任务被挂起，中断服务子程序控制了c p u 的使用权。中断服务子程序可能会报 告一个或多个事件的发生，而使一个或多个任务进入就绪态。在这种情况下，从 中断服务子程序返回之前，l ac o s i i 要判定，被中断的任务是否是就绪态任务中 优先级最高的，如果中断服务子程序使一个优先级更高的任务进入了就绪态，则 新进入就绪态的这个优先级更高的任务将得以运行，否则原来被中断了的任务才 能继续运行。 当所有的任务都在等待事件发生或等待延迟时间结束，i ic o s i i 执行空闲任 务( i d l et a s k ) ，执行o s t a s k l d l e ( ) i 函数。 pc o s i i 总是运行进入就绪态任务中优先级最高的那一个。确定哪个任务优 先级最高，下面该哪个任务运行了的工作是由调度器( s c h e d u l e r ) 完成的。l ac o s i i 任务调度所花的时间是常数，与应用程序中建立的任务数无关。 任务调度的条件是：如果在中断服务子程序中调用o s s c h e d o ，此时中断嵌套 层数o s i n t n e s t i n g o ，或者由于用户至少调用了一次给任务调度上锁函数 o s s c h e d l o c k o ，