（通信与信息系统专业论文）利用以太网进行工业通信与远程工控系统设计模式的研究.pdf

摘要 以太网已逐步取代传统的现场总线技术成为工业通信的主要方式。在这一平 台上的工控系统是工业自动化领域中常见的系统，研究其设计方式具有重要的理 论和实践意义。从目前网络信息系统的发展看，b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器 服务器) 模式以其灵活、方便等特点，逐步取代了传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ，客 户机服务器) 模式，成为各种网络系统的主流设计模式，并同样向工控系统设 计渗透。 本文中，首先结合笔者研究生期间参与的两个实际项目，介绍了工控系统和 w 曲应用程序的基本设计模式。随后探讨二者的结合，即在深入研究工控系统设 计和w 曲应用程序设计的基础上，对b s 模式工控系统的设计理论作了详细的 探讨和总结。笔者首先叙述了工业通信和工业以太网的基本情况以及工业通信网 络的组网方式，然后详细论述了t c p 口协议在工控系统中的应用，探讨了c s 模式下上位机、下位机角色的选定；再次论述了h r r p 协议在工控系统中的应用， 及如何从c s 模式转向b s 模式 。 本文提出并实现了5 种b s 模式工控系统设计方式。大致可以分为两类：“以 w 曲容器为中心”和“以浏览器为中心”。研究中使用研华6 1 0 h 工控机、p c l 7 3 l 、 p c l d 7 8 2 7 8 5 开关量i o 板卡为硬件平台，使用v c + + 语言编写了下位机程序， 使用j a v aw e b 系列技术编写了b s 上位机程序，数据库采用m y s q l ，将上述方 法实现出来。随后对各种实现方法作了详细的论证、对比并最后得到了一系列能 够指导工控系统设计的有用结论。 关键词：远程工控工业以太网 t c p 口h t t pa j a xj a v aw e b a bs t r a c t t 1 1 ei n d u s 埘a le e m e th a sp a n i a l l yr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lf i e i db u st ob e c o m e t l l ed o m i n a t em o d ef o ri n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o n a n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s ( 1 c s ) b a s e do nw h i c ha 佗c o m m o n l yu s e di ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i l e d ni sq u i t ev a l u a b l e t od o 心s e a r c ho nt h ed e s i g nm o d eo fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s a c c o r d i n gt 0t 1 1 e c u r m n td c v e i o p m e n to fi n f 0 姗a t i o ns y s t e m sb a s e do nn e t 、v o r k ，b s ( b r o w s e r s e r v e r ) m o d ei s 旭p l i n gt h et r a d i t i o n a lc s ( c l i e n t s e r v e r ) m o d es t e pb ys t e p ，t ob e c o m et 1 1 e m a i nd e s i g nm o d e ，w h i c hi sa l s oi n f i l t r a t i n gt oi c s i nt h i sp a p e r ab “e fi n n o d u c t i o no f n i a d i t i o n a li c sa n dw e b a p p i i c a t i o nw 嬲 m a d ef i 璐t l y t h e n ，w ed i s c u s s e dt l l eb si n d u s t r i a lc 0 n t m ls y 毗m 粕df i n a l l yc 姗e t oac o n c l u s i o n f i r s t l yw eg a v eab 勰i ci n t r o d u c t i o no fi n d u s t i yc o m m 啪i c a t i o n 锄d1 1 1 d u s t r i a le 油e m e t t h e n ，w ed i s c u s s e dt h em e t h o do fc o n s n m c t i n gan e 斜o r k w i t hi n d u s t r i a ie t l l e m e t s e c o n d l y w em a k ead e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h eu s a g eo f t c p pi i l1 1 1 d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m h o wt 0c h o o s et h ec sr 0 i lo ft l l eu p p e r m a c h i n e 锄dt h el o w e rm a c h i n e t h i r d l y w ed i s c u s st 1 1 eu s a g eo fh r r pa n dh o wt 0 t m n s a c tc ss y s t e m si n t ob ss y s t e m s g r 0 咖do nt l l ed i s c u s s i o nm e n t i o n e da b o v e ，w em i s e d5m e t i l o d so fc o n s m j c t i n g ab ss y s t e m ，w h i c hc 锄b ed i v i d e di n t o2c a t e g o r i e s ：c e n t c rw i t l lw e bs e r v e r 明d c e n t c rw i t hb m w s e r w eu s e dt h ea d v 粕t e c h6l0 h 嬲口c p c l 7 3l + p c l d 7 8 2 7 8 5 勰 d i ob o a r dt 0b u i l dah 盯d w a 心p l a t f 0 肌w ew r o t et l l ep r o g r 锄sf o rl o w e rm a c h i n e 、i t hv c h ，f o ru p p e rm a c h i n ew i t hj a v aw e b 锄df o rd a t a b a s ew 汕m y s q l ，i no r d e r t 0 陀a l i z em ew h o l es y s t e m f i n a l l yw ec o n t r a s t e dt h e s em “h o d sw i t he 礼ho t h e r 孤d 他a c hac o n c l u s i o na b o u th o wt ob u 订das u i t a b l es y s 馏mt 0m e e tt h eu s a g ef o ra c t u a l i n d u s t r i a lp o s i t i o n k e yw o r d s ：r e m o t ei n d u s t r i a lc o n 臼0 is y s t e m ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，t c p m h t t p a j a x ，j a v aw 曲 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工业自动化、工控系统及其发展 随着信息技术在工业生产领域的渗透，工业自动化已成为工业生产中必不可 少的组成部分。工业自动化就是以工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种 过程控制。在整个工业生产中，尽量减少人力的操作，而能充分利用动物以外的 能源与各种资讯来进行生产工作，即称为工业自动化生产，而使工业能进行自动 生产之过程称为工业自动化【1 8 】。 早期的工业自动化系统为单机控制，即每个被控设备与一个下位机系统相 连，下位机采集被控设备的状态，并实现自动调节控制，或人为事先设定程序， 由下位机系统自动控制设备的运行。典型的产品是数控机床。常见的下位机包括 i p c ( 工业控制计算机) 、p l c ( 可编程逻辑控制器) 等。 而随着工业生产的逐渐扩大，工业生产中参与的设备越来越多，控制也越来 越复杂，许多原先由p l c 就可实现的简单的控制，逐步发展为需要计算机来完 成的复杂控制，基于工业计算机( p c b a s e d ) 的m c 逐步成为工业控制系统中 的主要设备。同时由各个设备孤立工作的模式逐步变为多个设备协调工作的模 式。原有的单机控制方式不能完全适用。因此，计算机技术和通信技术开始渗入 工业控制领域。 同时。人在工业生产中的作用也随着技术的发展而有所发展，在许多环境恶 劣的现场条件下，人们不便于到现场设定程序或检查设备运行状态，而是希望能 够在远程实现对现场设备的监测和遥控。 当今的工控系统，已经是结合了控制、计算机和通信三个部分，而工业通信 网络在整个工控系统中往往占有重要的地位，出现了许多工业通信标准和技术。 可以说，工控系统是依据工业通信网络而逐步搭建起来的，网络规划，成为工控 系统设计中的关键步骤。 1 2 工业通信与以太网 工业控制系统往往不是孤立的。在基本的工控系统中，上位机、下位机之间 第一章绪论 需要通过通信链路完成沟通并组成复杂的控制系统，甚至多个点协调和组织控 制。因此，工业控制系统需要通信网络的支持。 工业通信系统与一般应用的通信系统有所不同，其特殊之处在于工业环境复 杂多变，往往在高温高压、电磁环境恶劣的场合使用。因此，为适应工业通信的 需要，国际上许多组织、公司都提出了各具特色的工业通信方案，最典型的是现 场总线技术。 但由于历史问题，各个厂商提出的现场总线技术五花八门，各具特色，互不 兼容。随着生产社会化程度的提高，各种不同厂商、型号的设备相互协调工作时， 由于通信接口不兼容所引发的问题越来越明显地暴露出来。人们迫切需要有一种 统一的工业通信标准来统领工业通信行业。一种优秀的替代现场总线的技术 工业以太网被提出。 按照国际电工委员会s c 6 5 c 的定义，工业以太网是用于工业自动化环境， 符合正e e 8 0 2 3 标准，按照正e e 8 0 2 1 d 一“介质访问控制( m a c ) 网桥”规范 和i e e e 8 0 2 1 卜“局域网虚拟网桥”规范，对其没有进行任何实时性扩展而 实现的以太网。工业以太网，主要是通过采用交换式以太网、全双工通信、流量 控制及虚拟局域网等技术，减轻以太网负荷，提高网络的实时响应时间，与商业 以太网兼容的控制网纠5 1 。 以太网标准( i e e e 8 0 2 3 ) 只定义了数据链路层的协议，上层协议没有定义，可 以根据实际需要选用。而就目前来看，应用最多的，是t c p 口协议。从传统意 义上讲，t c p m 协议栈不能很好地适应工业实时通信的要求，因此，许多工业 以太网标准，如鼬e m e t 佃等，都仅仅将t c p i p 协议应用于非实时数据的传输， 如设备参数、组态和读取诊断数据的传输等。实时数据则采用其他的网络、传输 层协议。 但随着硬件技术的发展，基于t c p 佃协议的以太网上也逐渐可以满足工业 通信的实时性要求，同时，诸如m o d b u s 等应用层协议的使用，也进一步适应 了工业通信的要求。从而实现了与商业以太网的完全兼容，便于控制网络平滑地 接入其他网络；另外，原来在商业以太网上运行良好的各种设计方式、工具都能 够直接借鉴到工业通信网络中来。 基于上述原因，可以认为，兼容商业以太网的工业以太网，应该成为工业控 制网络的主流。在此基础上研究工控系统的设计，对工业生产实践具有重要的意 义。 2 第一章绪论 1 3 工控系统设计概述 工控系统是集控制、通信、计算机、网络等技术于一体，应用于工业控制领 域，实现对被控设备的实时监测、自动控制、定时控制、远程人工控制等功能。 笔者结合理论实践，概括一个完整的工控系统，应包含上位机、下位机、管理机、 数据库服务、通信网络、网关等模块。关于各个模块功能的详细论述，将在2 3 节进行。工控系统中的各种模块相互协调工作，其基础是通信网络，即本文中的 工业以太网。 工控网络中的各种模块，最重要的是下位机系统与上位机系统。下位机系统 负责和被控设备直接通信，完成对被控设备的数据采集和自动控制；上位机系统 负责与下位机通信，获得下位机采集到的监测信息并实时显示给值班员，同时， 将值班员发出的控制命令传递给下位机进行响应。 工控的软件开发方式，主要可以分为两种：一种是完全自行开发，另一种是 利用现有的通用底层模块，即“组态”来进行二次开发。自行开发主要使用高级 语言进行，整个系统的相互协调、通信协议都由开发人员自行设计，开发难度较 大，但适应性更强，效率更高；使用组态，则比较适合通用性的工控系统，如电 力系统控制、采暖系统控制等等。在对天津广电集团发射机房监控项目进行调研 时了解到，该机房中各个频点的发射机型号、特性都有所不同，控制方式也各异。 因此，不适合使用组态软件，故选择了自行开发。 从目前网络信息系统的发展看，b s ( b r o w s e r s e n ，e r ，浏览器服务器) 模式 以其灵活、方便等特点，逐步取代了传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户机服务器) 模式，成为各种网络系统的主流设计模式，并同样向工控系统设计渗透。 本文主要论述的内容是针对工控系统中各个模块，在工业以太网的协调下如 何能够实现准确、快速的双向实时通信。关于下位机系统和被控设备之间的控制 设计，属于自动控制领域，不在本文的论述之内。 1 4 课题背景及意义 笔者在研究生期间，曾参与天津广电集团与天津大学的合作项目“蓟县府君 山发射台电视发射机及其附属设备自动化控制系统”的研发与“天塔调频机房发 射机监控系统”的预研，开发过一个完整的c s 模式系统，对远程工控系统的研 发亦做过较为深入的思考研究。同时，笔者亦参与过天津社区医疗平台( c h o p ) 的开发，这是一个典型的w e b 应用程序。在上述实践基础上，笔者尝试将b s 3 第一章绪论 模式网络信息系统与远程工控系统融合，来讨论b s 模式工控系统的设计问题。 本节中将首先结合这两个项目实践，来介绍b s 模式工控系统设计中所需要 的两个基本技术工控系统开发和w e b 应用程序设计。 1 4 1 府君山电视发射机远程监控系统概述 本系统为天津广电集团与天津大学合作项目，笔者负责全部软件系统的编 写。这是一个典型的c s 模式远程工控系统，实现对蓟县府君山发射站2 2 c h 频 道电视发射机系统进行自动监控和远程监控。2 2 c h 频点包括一台主发射机、一 台备发射机、天线、天倒、假负载等组件。工控系统主要包括以下功能： 1 实时采集发射机状态，自动判断报警，发现报警后，自动写数据库，并 通过网络向上位机报告。 2 实时监控天倒、假负载、供电等外围设备，通过网络向上位机实时报告。 3 根据采集到的信息，自动对发射机进行调节和控制。 4 时间表自动控制 5 用户可以通过上位机遥控发射机动作。 6 查询既往信息。 该系统主要分为两个部分，下位机系统和上位机系统。其中，下位机系统安 装在蓟县府君山机房。硬件平台为研华的6 l o h 工控机，与发射的主控单元之间， 通过串口( r s 2 3 2 ) 实现监测，通过p c l 7 3l 板卡配合p c l d 一7 8 2 7 8 5 实现开关 量i o 以对发射机的控制。如图l 一1 所示。 型型l 口墨墨曩- r p ，鳓 罔l i ：府君l j f 电视发射机监控系统的硬件 上图中，左上为研华6 1 0 h 工控机，该上摔机具备p 42 0 g h z 处理器，5 1 2 m 第一章绪论 内存和8 0 g 硬盘，同时含有两个以太网卡、两个r s 2 3 2 串u 和若干扩展插槽。 在工控机主板上插入p c l 7 3l 卡( 图l l ，左下) ，这是一个高速4 8 位开关量输 入输出采集卡。p c l 7 3 l 卡外接1 6 位开关量输入卡p c l 7 8 2 ( 图l l ，右上) 和2 4 路开关量输出卡p c l 7 8 4 ( 图l l ，右下) ，即构成下位机系统的硬件平台。 下位机操作系统采用w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，应用软件部分笔者采用v i s u a l c + + 6 0 编写，代码约i 1 万行。下位机由于运行于无人职守的机房，因此没有 为下位机程序制作用户界面( u i ) 。下位机程序完成对发射机及其外设的监测、 存档和自动控制。同时接收上位机的命令实现遥控控制。 下位机上还运行一个数据库系统，负责记录报警信息、动作信息及操作信息， 同时包含时间表功能。数据库采用m i c r o s o r 的s q ls e n ，e r2 0 0 0 。 上位机硬件部分同样采用研华6 1 0 h 工控机，配备l 块以太网卡，接入1 电 局的专用网络中；操作系统采用w i n d o w sx p ，上位机程序笔者同样使用v c + + 编写，代码约1 2 万行。上位机运行于天塔监控机房，主要功能是为值班员提供 一个友好的界面，用以监控发射机。笔者编写的上位机程序界面如图l 一2 所示： ”限幅一一吩弓熙 。一- - 。“：，- ： - 一_ - 一- l _ - 图l 一2 ：府君i i j 电视监控上位机界面 本项目现已完成开发，正在天塔运行中，广电局对我们设计的软件十分满意。 通过这个项目，我们对工控系统设计有了实践上的支持，为研究b s 模式工控系 统设计奠定了实践基础。 第一章绪论 1 4 2 天津社区医疗平台系统概述 该项目为与天津第i 中心医院合作的项目，旨在打通忠者与医院、大医院与 社区医院之间的桥梁，提供一个综合性的社区医疗服务平台。该系统的丰要功能 如下： l 、网卜挂号 2 、上门服务预约与医学检查预约 3 、双向转诊转院预约与远程会诊预约 4 、个人病案中心 系统包括三个部分后台管理中心、医院用户中心、患者用户中心。其中， 后台管理中心负责设置各个医院的科室、医生编制，医学检查项目、上门服务项 目的设置等；医院用户中心可以完成转诊转院等各种医院预约行为及预约处理； 患者用户中心面向普通患者，提供患者自行预约功能和查询预约处理结果。 笔者参与该项目并负责软件部分的设计。该系统是一个典型的w e b 应用程 序，硬件平台采用标准的w e b 服务器配置。软件部分包括服务器端和客户端， 但根据b s 模式网络信息系统的基本原理，所有软件部署在服务器上。 系统服务器端采用j a v aw e b 系列技术开发，j d k 选用1 5 ，s e l e t 容器选用 t o m c a t6 0 m v c ( 模型一视图一控制器模式) 框架选用s t r i j t s 2 ，o r m ( 对象关 系映射) 框架选用h i b e m a t e 3 ，使用s p r i n 9 2 0 的i o c ( 控制反转) 整合各个组件。 客户端采用w e b 2 0 系列技术，客户端动态网贞采用j a v a s c r i p t 语言实现。系统 整合了a j a x 和j s o n 技术，使用g o o g l ej s o n p l u g i n0 3 在服务器端支持，客户 端选用p r o t o t y p e l 4 框架。编写的代码约4 1 万行。 图l 一3 为该系统的一1 个功能界面实例。该项口已在天津三l | j 心医院的服务 器上运行，已初步完成内部测试，正在进一步研发中。 通过该项的研发我们掌握rw e b 应用程序发计的1 般模式，为研究一1 ：控 6 第一章绪论 系统从c s 模式转向基于w e b 的b s 模式奠定了实践基础。本文在后面会详细 论述各种传统应用于w 曲程序的技术是如何应用于工控系统的。 1 4 3 课题研究的意义 我们在实践中发现，传统的c s 模式工控系统较b s 模式部署、安装、升级 都比较麻烦，同时，基于v c + + 编写用户界面，也远远不如网页设计方便，因此， 我们觉得，工控系统设计上，从传统的c s 模式转向b s 模式也是势在必行。 目前学界对b s 模式工控系统的开发已经有了一定的论述，但主要集中在自 动化、控制领域，而工控系统中注入网络规划、协议设计、拓扑结构等通信问题， 仍然没有得到透彻的论述；同时市场上也出现了一些b s 模式的工控组态软硬件 产品。但是，从目前的发展状况看，不能说已经能够完全适应工业生产的需要。 自行开发工控系统，还没有完整的设计模式可以依照；购买组态软件，又需要支 付高额的费用，同时不够灵活，不能适应特定应用。 因此，本文结合理论实践，深入研究了b s 模式远程工控系统设计中关于组 网、规划、设计、实现等等问题，并尝试得出了一个相对完整的设计方案，同时 通过实验验证了其可行性。希望能够丰富工控系统设计理论，为设计实践提供一 定的帮助。 顺便指出：本文论题虽然建立在工业以太网基础之上，但由前文所述，工业 以太网与商业以太网几乎可以完全兼容和平滑过渡，故本文得出的结论，亦可以 用于基于商业以太网上的控制系统。对于某些特定的、环境相对良好的工业现场， 为节省成本，普通的商业以太网也可以用于搭建控制网络。本文所提出的方法， 对其仍然适用。 7 第二章工控系统的组网设计 2 1 工控机简介 第二章工控系统的组网设计 工业控制计算机主要用于工业控制过程中的数据采集、检测与控制等。工 业控制计算机产品也逐步从专用机发展成为广泛适用的工业个人计算机 ( i n d u s t r i a lp e 体o n a lc o m p u t e r ，i p c ) 。工控机是工业自动化设备和信息产业基础设 备的核心，现已进入第三代紧凑型p c i 总线时期，通常采用开放式总线结构，将 各种过程通道做成相应的模块或模板，以便与工业现场的各种变送器及执行机构 直接连接，配合以功能齐全的控制软件，即可构成一套完整的工业控制计算机系 统。工控机有力地推动工业过程自动化、制造业自动化、仪器仪表虚拟化、公共 交通系统的智能化、下一代网络技术基础设备标准化等发展。 由于工控机是在工业环境中使用的计算机系统，需要与控制对象直接接口， 因此，在计算机系统结构设计方法及使用方面，需要考虑现场可能存在的高温、 潮湿、粉尘等恶劣环境条件及强电磁干扰。工控机具有如下的特点： 1 可靠性高：故障率低，维修时间短 2 实时性好：能够的现场变化迅速作出响应和处理 3 环境适应能力强：适应各种恶劣的工业现场环境 4 i o 模板配套好：具有丰富的i o 接口，便于各种模拟、开关量的输入输 出 5 通信功能强：支持各种通信机制，速度快。 6 开放性、扩充性好：便于扩充、升级 7 后备设施齐全：具有冗余性，可长时间不问断运行【4 l 在本设计中，硬件部分采用府君山电视发射机项目的硬件平台。详见1 4 1 节的论述。 2 2 工业以太网组网技术 组建一个工控系统关键的一个步骤是通信网络的设计。传统的工控系统通信 网络，往往使用各种现场总线来实现。现场总线技术往往有其专用性，即，一种 第二章工控系统的组网设计 现场总线主要适用于一种类型的工控系统。比如f f 、p r o f i b u s p a 适用于石油、 化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；l o n w r i 【s 、p r o f i b u s f m s 、d e v i e c e n e t 适用于楼宇、交通运输、农业等领域；d e v i c e n e t 、p r o f i b u s d p 适用于加工制 造业工控设备纠1 9 j 。依据选用的现场总线，来选定各种工控设备，部署组网。 工业以太网则提供了一种通用的组网模式，随着工业以太网的发展，出现了 各种各样支持工业以太网的设备模块，对于i p c 来说，以太网卡的价格非常低廉， 远远低于现场总线控制器的价格，而主要的设备要求，则放在了组网设备中，如 以太网交换机、路由器等等。 但是，由于工业以太网本身尚不成熟，还不能完全取代现场总线。因此，实 际工控系统组网中，往往将以太网与工业总线结合使用，即现场仪表、被控设备 等采用现场总线组成一个个小系统，各个系统再通过网关接入以太网。目前已经 出现了各种总线对以太网的转换模块，实际应用中依据需要选择组网即可。随着 工业以太网的成熟，逐步统一工业通信网络后，即可组建全以太网的工控网络， 这样组网就变得更加容易了。 工业以太网与商业以太网基本兼容，下层采用i e e e 8 0 2 3 链路层协议，上层 一般采用t c p i p 协议，因此，商业以太网的组网方式，可以借鉴到工业通信网 络中。但由于应用场合不同，具体上也有一定的区别，主要有以下几点： l 、主要业务类型：商业以太网需要支持多种应用，而且往往需要较大带宽 的支持，如视频声音等等。而工业以太网，支持的业务相对简单，往往都是简单 的控制、监测命令帧等等。当然，许多工控系统中需要对诸如视频监控等进行支 持，但总体来说，应用比较简单。 2 、可靠性：工控网络对可靠性的要求远远大于商业网络。由于现场环境恶 劣，所选设备应当能够忍受高压、高热、电磁等恶劣环境。因此要求选择的设备 要尽可能可靠，包括交换机、传输线等等，还要进行电源浪涌保护、冗余电源等。 3 、实时性：工控网络对实时性的要求远远大于商业网络。一方面要求硬件 设备高效率，另一方面，对工控系统的设计也提出了要求，由于i e e e 8 0 2 3 定义 了c s m 刖c d 方式，如果在系统设计中尽量避免冲突，则可以降低链路层回退重 发率，提高实时性。 组建好工业以太网后，就可以设计工控系统了。 2 3 工控系统的构建 工控系统网络与一般的通信网络类似，有多种拓扑结构，如总线形、星形、 第二章工控系统的组网设计 环形、树型和混合型等等。这些结构，彼此之间并没有严格的优劣之分，实际应 用时应综合考虑需求、性能、成本等因素来选用。 工控系统种类繁多，性能各异，依据应用场合、性能要求等，包含各种不同 的功能。不能笼统地为工控系统的组成下一个严格定义。笔者在深入了解相关资 料，结合实践经验，对工控系统的系统构成理论重新整理如下：一般来说，一个 完整的工控系统主要包括以下几个基本组件： l 、下位机系统 下位机系统是安装在工业现场，与被控设备相连接的系统。主要功能包括： 采集被控设备状态，处理采集数据( 告知上位机、存数据库等) ；根据采集到的 信息，对被控设备进行自动控制；接受上位机的遥控指令，对被控设备下达控制 命令等等。如图所示： 被控设备 i i _ 设备接口 。卜_ 一主控单元卜_ 一。控制网络接口 i i i i 控制网络 图2 1 ：下位机系统基本架构 下位机系统主要包括三部分：主控单元、设备接口、控制网络接口。其中， 主控单元是下位机系统的核心，负责调度每个控制点的业务逻辑。其硬件部分主 要采用工控机、嵌入式工控机、嵌入式系统( m p u m c u 等) 、可编程逻辑控制 器( p l c ) 、s o c 等。一般来说必须含有对通信的支持。 通信部分主要包括两部分与被控设备的通信接口和与控制网络的通信 接口。与被控设备之间，主要包括模拟量和开关量两种信号的输入输出，硬件上 采用工控板卡或工控模块等。与被控设备之间，一般采用点对点的通信方式，从 网络层次体系结构的角度说，网络层和传输层为空。一般采用半双工方式，以保 证下位机系统对被控设备之间有明确的通信关系：下位机系统与控制网络之间， 则依据工控系统选用的控制网络类型而给予相应的支持。一般来说，控制网络会 采用各种现场总线技术或工业以太网，下位机中的控制网络接口，则负责主控单 元的通信模块与控制网络之间的物理层协议转换。有些接口也能包含链路层以上 第二章工控系统的组网设计 的协议，但这部分，主要仍然在主控单元中实现。 软件部分主要固化在主控单元中，依据硬件环境和控制逻辑复杂程度，选用 专用指令、脚本语言( 如p l c 的梯形图等) 或直接使用高级语言开发。对于专 用的控制模块，如p l c 等，厂商已经提供了通用的底层代码，通信部分也遵守 一定的标准，可以直接按照需要配置控制流程即可。但是，这种系统往往只适合 控制流程简单的控制系统，对于复杂的控制需求，则更多情况下，使用高级语言 直接编写。本文中也只探讨这种方式，讨论一种编写思路。 如果下位机系统的硬件采用工控机或性能强大的嵌入式主机，则往往使用一 个操作系统以简化开发。和硬件部分类似，软件部分也主要包括三个基本功能： 主流程控制、与被控设备的通信支持、与控制网络的通信支持。与被控设备的通 信支持上，一般都会有一个周期运行的任务，实时地采集被控设备的参数，并提 交给主控单元进行处理。与控制网络的通信支持上，则根据需要采用不同的流程 策略，这将在后文详细论述。 2 、上位机系统 上位机系统一般安装在工厂值班室、调度室等相关部门，与控制网络相连接。 主要功能包括：接收下位机发来的信息。为监测人实时提供被控设备的状态信息， 告知下位机、被控设备的动作情况；下达控制命令给下位机，并实时监测被控设 备响应控制指令的情况。上位机系统是整个工控机系统的用户接口，应提供外观 友好、操作简洁的界面，同时，应该包含一定的安全认证功能。 与下位机系统不同，在整个功控系统中，上位机系统一般数量较少，只配置 l 台或几台就可以了。硬件上一般采用工控机，软件开发使用高级语言开发，通 信支持上需要包含对控制网络的支持。上位机系统的开发重点在于如何能够最佳 地与下位机系统协调工作，特别是在被控设备复杂，下位机逻辑复杂的情况下。 在课题调研中了解到，天津广电局的发射机房，各个频点的发射机型号各不相同， 每个频点的下位机功能也相应各异。因此，如何实现整个机房的监控上位机，是 研发的重点内容之一。 3 、数据库服务 工控系统一般还包括数据库服务，对于采集到的各种重要数据、被控设备报 警信息、动作信息等，要存档备查。实现数据存档功能，需要多个系统的配合， 一般会在整个工控系统中设置一个数据库服务器，数据库服务器要求可靠、高效， d b m s 一般选用s q ls e r v e r 、o 豫c l e 等大型商业数据库。数据库服务器接入控制 网络。 第二章工控系统的组网设计 下位机系统中需要包含对数据库的支持，其底层仍然是对控制网络的通信接 口。对于从被控设备采集到的数据，经主控单元处理后，需要存档的数据、信息， 从控制网络接口发送至数据库服务器保存。 4 、管理机系统 管理机系统一般安装在厂长、经理、技术总监等重要部门，与控制网络相连 接。主要功能是对整个工控系统进行设置，包括各种参数的设置，如报警门限、 各种延时时间等等。设置好的参数，一般会发送至相应下位机，同时也会保存在 数据库中以备查询。管理机系统同时还包含对数据库服务的操作，包括调阅既往 记录，管理数据库的备份、恢复等等。 管理机系统往往会与上位机系统融合，但从逻辑上讲，两部分的功能是不同 的。管理机系统同样需要友好的外观和界面，它对安全认证等更加严格。 5 、接入网关 在一个完整的工业自动化系统中，工控系统网络往往并不是孤立的，还需要 和工厂、企业的其他网络，甚至i n t e m e t 相连接，这时，就需要在工控网络中设 置一个网关，以连接内部工控网络和外部网络。在基于以太网的工控网络环境下， 向i i l t e m e t 汇聚是非常天然的，只需要通过一个路由器即可。 1 2 第三章t c p p 协议在工控系统中的应用 第三章t c p ，i p 协议在工控系统中的应用 3 1t c p i p 协议简述及在工控系统中的应用 t c p p 协议是最流行的网络层、传输层协议。一般的工业以太网上即运行 t c p i p 协议。 网络的标准模型是i s o o s l 模型7 层体系结构。该模型的目的是使各种硬件 在相同的层次上相互通信。这7 层是：物理层、数据链路层、网路层、传输层、 会话层、表示层和应用层。然而实际上，o s i 模型由于过于复杂严谨，致使其效 率很低，最终没能成为互联网事实的标准。 互联网事实上的标准协议是t c p 仰协议。它并不完全符合o s i 的七层参考 模型。而采用了4 层的体系结构。这4 层分别为： 应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输( s m l l p ) 、文件传输协 议( f 1 1 p ) 、网络远程访问协议( t c l n e t ) 等。本层将o s i 模型的表示层和会话层 也包含进来，因为实际应用中发现，每个特定的应用，往往都有自己特定的表示 层、会话层协议，因此，没有必要将这两层特意划分出来。在b s 模式工控设计 中，这部分可以使用自己自己编写的s o c k e t 应用，也可以使用h 1 m 协议。如 何使用合适的应用层协议来实现b s 模式的工控系统是本文主要讨论的问题之 一o 传输层：在此层中，它提供了端到端的数据传送服务，主要包括两个协议一 一传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 。t c p 和u d p 给数据包加入 传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达 并接收。t c p 和u d p 的主要区别是是否面向连接，提供可靠的传输。前者面向 连接，提供流量控制，实现可靠传输；后者则面向无连接，主要保证较好的实时 性，但不保证可靠传输。传输对于工控系统来说，一般需要比较可靠的传输，因 此多使用t c p 协议，而且，对于b s 模式工控系统而言，如果应用层采用h r r p 协议，则必须在传输层基于t c p 协议来实现。 网络层：本层负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到 达目的主机( 但不检查是否被正确接收) 。本层最重要的协议是m 协议。m 层接 收由更低层发来的数据包，并把该数据包发送到传输层：相反，i p 层也把从t c p 或u d p 层接收来的数据包传送到更低层。i p 数据包是不可靠的，因为m 层是面 向无连接的，采用尽力而为的策略，不做任何流量控制等功能。p 数据包中含 1 3 第三章t c p 佃协议在工控系统中的应用 有发送它的主机的地址( 源地址) 和接收它的主机的地址( 目的地址) 。在工控 系统组网中，一般每个节点都会被配置一个i p 地址，这些地址可以使用内部地 址如1 9 2 1 6 8 x x ，根据网络的规模选择划分子网。上位机系统如果和各个下位机 在同一个子网内部，则同样配置内部i p 即可；如果工控网络经过网关与更大的 网络相连，则某些节点还需要在路由器上进行端口映射。 主机链路层：本层负责对实际的网络媒体进行管理，定义如何使用实际网络 ( 如以太网、串行链路等) 来传送数据。t c p i p 协议栈对于这一层没做定义， 即t c p i p 协议可以应用于各种物理层、链路层之上，例如t 1 和x 2 5 、以太网 以及r s 2 3 2 、4 2 2 、4 8 5 串行接口等等。我们讨论的工控系统是基于以太网的， 其网络接口层协议兼容i e e e 8 0 2 3 。 3 2 工控系统中的c s 设计 3 2 1c s 模式概述 传输层使用t c p 协议后，通信的双方必然不再对等。t c p 协议是一种面向 连接的通信方式，要求通信双方采用客户机服务器模式进行通信。在t c p m 协 议栈下，应用层使用s o c k 烈与下层进行通信。服务器开放某个端口并侦听，客 户端向端口请求连接，获得连接后，实现双向通信。在通信过程中，传输层负责 流量控制和网络控制，不需要上层关心。 其基本流程按如下步骤进行： l 、服务器周期侦听某端口，等待客户机请求。 2 、客户机向服务器发出连接请求。 3 、服务器响应客户机的连接请求，与客户机建立连接。 4 、开始通信。 5 、通信完成断开连接。 如何选定每个组件的角色，是工控系统设计的重要内容。本节主要讨论功控 系统中最重要的两个模块：下位机系统和上位机系统。 3 2 2 上位机做为服务器，下位机作为客户机 这种模式下，与工控系统的拓扑结构刚好吻合，即一台上位机为中心服务器， 多台下位机作为客户机。这种模式的主要优点是：首先减轻了数据通信的开销。 1 4 第三章t c p p 协议在工控系统中的应用 由于c s 模式下，首先必须由客户机发起连接请求，再由服务器响应。这样，下 位机就可以周期性地向上位机不断报告数据，甚至不必关心上位机是否收到数 据；上位机也同样不必对下位机发来的数据进行应答响应。其二，减轻了下位机 系统的软硬件开销。实现一个t c p 客户机所需要的开销要远远小于一个t c p 服 务器的开销。下位机系统由于数量多，往往使用资源有限的嵌入式系统来实现， 因此这种模式能够减小整个系统的开发软硬件成本。其三，如果系统中需要额外 添加新的被控设备和下位机，则上位机不需要进行额外的设置，即可以直接得到 新的数据。 但从另一个角度看，这种模式也有其自身的问题，主要有以下几点：首先， 许多工控系统中，上位机系统并不是常开的。在自动控制做为工控系统的主要功 能、人工遥控作为次要功能时，这种设计就显得很多余。因为下位机需要周期地 不断向上位机报告数据，如果上位机的传输层没有回复a c k 帧，则下位机需要 额外等待响应超时，造成系统性能的进一步下降。其次，在c s 模式下，服务器 无法首先与客户机建立连接并通信，因此，如果需要从上位机下达遥控指令，只 有等到下位机发来数据时，才能在响应帧中添加控制指令，这样，下位机对于控 制指令的响应就不灵敏了。再次，如果系统中需要额外添加一台上位机，即需要 在其他地方实施监控，则所有的下位机都需要重新配置新上位机的地址和端口， 造成维护上的麻烦。 综上所述，这种c s 模式以其优缺点，主要适用于如下特点的工控系统设计： 1 以监测为主，控制为辅的系统 2 上位机系统基本稳定，下位机有可能根据需要增减 3 下位机软硬件资源有限 3 2 3 下位机作为服务器，上位机作为客户机 实际工控系统设计中，这种模式是相对使用比较多的。 和3 2 2 节所述的模式相反，这种模式的优缺点与其刚好反过来。下位机作 为服务器，上位机作为客户机，则拓扑上与物理拓扑结构刚好反向。成为以客户 机为中心的网络结构。在这种模式下，对于监测功能，上位机必须周期性地轮询 各个下位机，与每个下位机建立连接后，要求下位机发回数据，下位机在收到上 位机请求后，发回数据给上位机。如果上位机未开，则下位机只需要侦听端口即 可，不必维护额外的通信功能。而对于控制功能，则直接由上位机发给下位机即 可。 从这个角度看，这种设计模式对于控制的响应比较好，而对于监测的实时性 第三章t c p 口协议在工控系统中的应用 稍差。但如果综合考虑网络软硬件条件，则不能轻易下这样的结论。 采用这种方式，相当于整个系统中的通信功能，是由上位机系统主动控制的， 即主动控制网络中传送某个下位机( 控制点) 的数据。( 由于功控系统中还有其 他的组件，这种说法不完全准确，但由于上位机、下位机是最重要的组件，这种 说法仍不失意义。) 这样就减小的链路层的开销。即使组网设备采用集线器等总 线型组网设备，也不会造成链路层帧的频繁碰撞。如果采用交换机，则也不会造 成上位机端口的阻塞。因此，虽然这种方式降低了应用层的实时性，但提高了链 路层性能，综合考虑，仍然能够满足工控系统对于实时性的要求。 从网络拓扑结构上看，服务器成为一个集群，客户机的数量比较少。这里面， 服务器( 下位机) 只服务于一个被控设备和上位机，功能简单；而客户机( 上位 机) 则需要协调许多下位机的通信以及完成各种与操作人员的对话，功能复杂。 因此成为了一种“胖客户机瘦服务器”的模式。下位机需要维护一个侦听端口 的线程，如果上位机的个数不止l 台，则下位机系统甚至还需要做好服务多个客 户机的准备，即“瘦服务器”“瘦”的程度，需要依据需要来选定。 另外需要指出，由于工控系统中的其他组件，如数据库服务，往往要求：即 使下位机对上位机呈现服务器的角色，而对于其他组件，也可能呈现客户机的角 色。因此，下位机系统中，一般都还包含t c p 客户机的模块。这样，与3 2 2 节 所述的功控系统c s 设计，可以获得一种融合，即上位机系统中再包含一个t c p 服务器组件，从而获得一个全双工的通信模式：监测信息主动由下位机发给上位 机的t c p 服务器，控制指令直接由上位机发给下位机1 p 服务器。这种设计模 式的开销确实是比较大的，如果网络性能非常好，下位机软硬件资源也非常丰富 时，可以选择这种模式，以获得最大的性能。下位机机系统硬件上应选用工控机、 嵌入式服务器或性能好的单片机等来实现。 综上所述，这种c s 模式以其特点，适用于如下特点的工控系统设计： l 、监测与控制并重的工控系统，如果偏向自动控制，监测为辅，则更加适 用 2 、下位机性能较好的工控系统 随着硬件技术的发展，这种设计模式较前一种所带来的额外开销的成本已经 越来越低，所以，这种模式应当成为工控设计的主流方式。前一种方式，只在某 些特定的场合使用。而且，后面我们会讨论b s 模式工控系统，在b s 模式下， 上位机系统毫无选择地使用浏览器，必定是一个客户机，因此，从后文可以看到， 当以浏览器为中心时，必然使用这种c s 模式来设计系统，当然，b s 模式工控 系统还需要