（通信与信息系统专业论文）一种实时高可靠局域网测控系统研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，局域网技术在测控系统领域得到飞速发展和广泛应用。本课题 结合某遥测系统地面测控子系统项目，基于局域网通信技术、虚拟仪器技术 和数据采集技术，完成了实时高可靠测控系统软件的研究与开发，并成功应 用于项目试验。 在课题的研究过程中，综合分析了网络化测控系统的研究背景和发展现 状以及发展趋势；介绍了局域网测控系统的概念和组成，总结了局域网测控 系统的特点和面临的基本问题；结合课题实际需求，采用模块化的软件设计 思想，开发出局域网测控系统通信及其控制系列软件。 软件实现了在c s 通信模式下多路不同协议数据的融合或转换；结合课 题实际需要开发出虚拟设备上层控制驱动，并集成在系统软件中，达到访问 和控制硬件的目的。提出了面向局域网测控系统的基于u d p 的可靠通信协 议r u m p ，通过对r u m p 帧结构的定义和通信模型的建立，采用监控报文 确认和重传机制实现了通信的实时高可靠目标。 本文提出的局域网测控通信机制，满足了系统的实时可靠性要求，对基 于局域网的网络化测控技术的发展和应用有重要的参考价值。 关键词：局域网测控系统可靠性通信协议 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h el o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) t e c h n o l o g yi nm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya n du s e dw i d e l y t h i st h e s i su s e st h e l a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , c o m b i n e sw i t hag r o u n dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mp r o je c tu n d e rat e l e m e t r ys y s t e m ，t oa c c o m p l i s hr e s e a r c ha n dd e v e l o pa s e r i e so fr e a lt i m e a n dh i g hr e l i a b i l i t yc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea n df o u n d s u c c e s s f u l l yu t i l i z a t i o ni np r o je c tt e s t i nt h ec o u r s eo ft h es t u d y ，t h i st h e s i sg i v e sac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h e n e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h e d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n do fd e v e l o p m e n t ；t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p t a n dc o m p o s i t i o no ft h el a nb a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，s u m su p t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eb a s i cp r o b l e m so fc u r r e n tl a nb a s e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e m s ；t h i s t h e s i sh a sd e v e l o p e das e r i e so fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls o f t w a r ew i t hm o d u l a r i z e ds o f t w a r ed e s i g ni d e a t h i st h e s i sg i v e st h er e a l i z a t i o no fc sc o m m u n i c a t i o nm o d ef o rd i f f e r e n t p r o t o c o ld a t af u s i o no rc o n v e r s i o n ；c o m b i n e sw i t ht h ea c t u a ln e e d so f t h et a s kt o d e v e l o pt h ev i r t u a ld e v i c ed r i v e rl a y e rc o n t r o lt oa c c e s sa n dc o n t r o lh a r d w a r e t h et h e s i sp r e s e n t sr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lr u m pb a s e do nu d p t ob e s u i t a b l ef o rl a nb a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，t h r o u g ht h er u m p f r a m es t r u c t u r ed e f i n i t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm o d e l ，b ym o n i t o r i n gm e s s a g e a c k n o w l e d g e m e n ta n dr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mt or e a l i z et h et a r g e to fr e a l t i m ea n dh i g hr e l i a b i l i t yc o m m u n i c a t i o n t h i st h e s i sp r e s e n t st h el a nc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，w h i c hm e e t st h e r e a l t i m e r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s o ft h e s y s t e m a n d p r o v i d e si m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g yb a s e do n t h el a n k e yw o r d s ：l o c a la r e an e t w o r k ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ；r e l i a b i l i t y ； c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1 绪论 1 1课题研究背景 随着工业的发展，工业现场的规模越来越大，几台甚至十几台计算机在 不同的地理位置完成不同的工业测量或控制任务。结合计算机技术、通信技 术以及控制技术的发展和应用，传统的工业测控领域正发生着革命性的变 化，体现出网络化、集成化、分布化、节点智能化，工业测控系统的控制对 象实时性要求更高等发展趋势m “。结合了网络技术进行数据采集测量和设备 控制任务的网络测控系统( n e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ) 应 运而生r 2 9 - 3 8 ，。网络测控系统以工业控制计算机和工作站为硬件基础，通过网 络来进行测量和控制任务，提高工业自动化水平和实现信息资源共享。网络 信息技术和测控技术的融合使得工业现场测控网络、远程测控网络、网络化 分布式测控等正成为国内外研究的热点晦1 。 在分布式的测控网络中，测控节点上不仅有工控机、工作站，还有智能 仪器仪表等，测控网络有与信息网络相似的体系结构和通信模型1 。 以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制 领域得到了越来越多的应用，。将以太网应用于工业测控领域有以下几个优 势 8 ( 1 ) 以太网应用广泛及较高性价比。 ( 2 ) 与i n t e r n e t 的连接简单有效。 ( 3 ) 以太网标准的统一性和透明性好。工控领域的分布化、开放性、节 点智能化趋势愈显明显。局域网支持几乎所有的网络通信协议，以t c p i p 为代表的开放性通信协议使得局域网技术在工业控制系统中被广泛采用。计 算机和局域网技术的发展使得技术人员共享某些资源信息，加强了用户之间 的交流。相比目前的种类繁多、协议互不兼容的现场总线技术，局域网在工 控领域通信这一关键环节具有无可比拟的优势。 本课题是某遥测系统的地面网络测控子系统。地面网络测控子系统实现 分布式地面设备的远程控制和测量任务。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2课题研究目的和意义 网络化测控系统是指在网络环境下实现的测量控制系统，是在某个区域 内一些现场检测、控制及操作设备和通信媒介的集合，用以提供设备之间数 据传输，使该区域不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作旧，。网络 化测控系统作为网络和控制的交叉学科涉及到的内容相当广泛，对控制系统 的分析也从简单的控制过程的分析过度到控制系统网络的稳定性、调度管理 等方面的分析n “。网络化测控技术在现代科学技术、国防和工业生产等领域 中的应用十分广泛。测控技术的现代化，已经被公认为科学生产和技术现代 化的重要标志和实现条件。在现代远程测控领域，结合通讯技术、计算机技 术、电子技术的快速发展和广泛应用，必将极大的改变人们的生产、工作和 生活方式。 在工业测控系统的运行与管理中，往往由于工作环境的区别各个节点或 工作站不在同一区域，生产经营管理层需跨越工作间或工厂的局部区域来进 行过程监控、数据处理。同时伴随着智能仪器仪表在工业测控领域的广泛使 用，利用智能仪器或仪表能随时准确地分析、处理当前数据信息，实现快速 高效智能的采集数据并送往各个远程工作站，更需要建立一个智能化的软硬 件测控平台。实际上，由于在工业领域的绝大多数的测控只是对现场设备信 息的控制数据和状态采集数据，并不需要具备高速的数据处理能力、高清晰 度的图像显示或者高速网络通信条件，所以实现一个远程测控系统并不需要 进行海量数据传输。所以虽然局域网为我们提供了方便而且高速有效的控制 通道，但它是为数据通信网络而设计，而控制网络和数据通信网络不同，它 要求网络具有实时性、良好的可靠性和安全性，因此基于局域网的远程控制 对信息技术的依赖使得系统的可靠性难以保证。 所以，在现有的资源条件下，利用局域网数据共享、信息传递快捷和交 互性强等特点实现工业测控系统网络化的运行和管理，可以使企业以最快的 速度、最低的消耗来完成生产任务。通过建立主站和各个子站之间的实时可 靠的通信协议，形成一个网络协议模型，保证整个系统的实时性和避免冲突 的产生，解决如何统一协调各个站点之间的通信和数据的同步性、实时性， 以及通信的安全可靠性等问题，对于满足测控距离不是太长、通信数据量 不是太大、通信频繁且实时性、可靠性和安全性等要求具有重要的意义。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 国内外发展现状及存在问题分析 1 。3 1 网络化测控系统一般要求 网络化的测控系统应该保证数据传输的安全性、实时性以及可靠性。一 个成熟有效的网络化测控系统一般有以下几个要求： ( 1 ) 网络化测控系统需要较高的安全性n ”。由于网络化测控系统的测试 数据、控制指令通过网络t c p i p 协议传输，但t c p i p 协议的先天性不足， 存在有假冒地址和欺骗地址的隐患，因此可能受到病毒、黑客的非法入侵或 非法操作等威胁，系统加入安全性设计显得十分有必要口9 】 ( 2 ) 网络化测控系统的实时性和可靠性要求建立完整有效的通信服务模 型，研究实时有效的可靠通信服务机制，制定出面向测控系统的应用层或底 层通信协议，进而形成开放统一的标准； ( 3 ) 另外网络化测控系统操控平台无关性。网络化测控特性决定了测控 系统体系结构，软硬件必须联网协议化，兼容性强。达到系统的设计不依赖 特定供应商的设备、计算机软硬件技术。使用具有透明性的开发平台、操作 系统和编程语言。 1 3 2 网络化测控系统类型 目前应用比较广泛网络化测控系统主要有以下几种n3 ( 1 ) 专网专线网络测控系统 系统主站( 监控大厅p c ) 通过扩展的网口或者串行口与外部的各个子站 或智能仪器仪表设备相连，并控制子站完成数据采集或控制任务。子站或设 备采集的数据通过串行口或网口发送给主站，实现集中管理。 ( 2 ) 公网电话远程测控系统 以拨号方式来建立连接来实现通信量小、实时性和可靠性要求不高的远 程测控。 ( 3 ) 光纤网络测控系统 高速发展的光纤网络技术为高可靠性、稳定性、大容量性的网络通信提 供了优秀的平台，光纤和收发器之间通过光电的转换连接到网络当中。光纤 接口可以通过接收串口的控制信号来进行测控，这种测控系统抗干扰能力 强，适合要求高通信质量的测控系统中应用。 ( 4 ) 无线网络测控系统 适合工作环境恶劣且站点与站点之间距离较大的测控系统。采用无线电 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 波的发射和接收来实现端到端的数据通信。被广泛的应用在航空航天、遥测、 遥控领域。 5 ) i n t e m e t i n t r a n e t 网络测控系统 主要满足用户能够在任何时问任何地点都能高效和实时的获取数据的远 程测控系统。该网络测控系统面临的问题主要有数据传输的可靠性、实时性， 各个不同终端访问服务器的协议的兼容性等问题。 1 。3 3构建网络化测控系统主要技术 构建以上网络化测控系统主要有以下几种技术n 引h 0 】 ( 1 ) 基于客户服务器模式的网络测控系统 客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式，即是c s 模式，分为客户机和服务 器两层，二者可称作为前台程序和后台程序。客户机通过网络访问服务器， 驱使服务器做出对客户机的响应，服务器程序根据预定的规则进行应答，在 设计时，客户机和服务器两端同时具有数据处理和文件存储能力，这样可以 有效地降低网络通信量和服务器运算量，比较适合当前工业控制计算机的硬 件配备情况。但是c s 模式也有一些缺点，比如客户端和服务器的不对等关 系，负载的不均衡性、维护相当困难等晦”。 ( 2 ) 基于w e b 技术的网络测控系统 基于w e b 技术模式也是c s 模式的一种，被称为( b r o w s e r s e r v e r ) b s 模式，是在传统c s 模式基础上发展而来的一种改进模式。服务器和控制客 户端之间有有一个中间层，即是w e b 测试服务器。客户端要获取现场的采 集数据或进行工业控制，首先通过w e b 测试服务器，然后由w e b 测试服 务器调用服务程序完成相应操作。b s 模式的优点有便于维护、高效且可跨 平台。但b s 结构核心操作在w e b 测试服务器，大量用户访问必然加重 w e b 测试服务器的负担，影响其性能。 传统的控制协议如现场总线协议在工控领域取得了很大的成功，目前有 较大影响的现场总线有4 0 多种，如各种现场总线协议，其中比较流行的有 f f 、p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、c o n t r o l n e t 以及c c l i n k 等。 现场总线协议在实际应用中也存在着较多的不足，主要表现在： ( 1 ) 标准过多，可移植性通用性不强； ( 2 ) 现场总线是专用实时网络，构建成本比较高； ( 3 ) 速度普遍较低，不便与i n t e r n e t 进行相连。 为了加快新一代控制系统的发展与应用，解决扩展性和兼容性的问题， 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 各大厂商把目光聚焦到了在局域网中取得极大成功的以太网技术上。而网络 测控系统最核心的功能是控制命令和采集数据的传输功能，因此这些功能的 实现都首先建立在远程控制端和被控制端的网络通信基础之上。将局域网技 术应用于现代控制系统，会加强系统的可维护性和可扩展性。 1 4 基于局域网的地面实时高可靠测控系统 课题研究设计的基于局域网的实时高可靠地面网络测控系统，是某国防 基础技术研究项目某遥测系统地面组件的一部分。此局域网测控系统是以控 制计算机为核心的地面控制系统，是进行综合遥测实验前地面控制系统的基 本组成部分。 1 1 节提到，测控系统有网络化、集成化、分布化、节点智能化，工业 测控系统的控制对象实时性要求更高等发展趋势。这些发展趋势在本课题来 说体现在： ( 1 ) 基于局域网的测控系统完成对控制设备的网络化连接，实现远程控 制，组成网络化测控系统的软硬件采用标准化、模块化设计，打破设备地域 和数量限制，使得信息资源共享，体现出网络化的特点； ( 2 ) 本地控制系统完成不同协议数据之间的转换，实现串口数据到网络 数据的集成化； ( 3 ) 把不同功能的计算机归为分布式节点，并完成分布式节点数据的融 合，体现了系统的节点分布化和系统集成化； ( 4 ) 采用智能化虚拟仪器，实现网络的远程智能操控，减少人为干预； 同时通过系统软件实现控制界面的可视化、统一化、控制环境的多媒体化， 可以方便的实现对设备的智能化控制，体现出智能化的特点； ( 5 ) 改进网络通信协议，保证了网络测控系统的实时性和可靠性的要求。 基于以上特点和联系实际应用，本系统采用了串行口命令写入和数据读 取、大功率继电器卡状态控制、智能电源供电技术、多数据流融合技术、面 向对象的软件开发技术以及基于t c p i p 的网络传输技术，完成功能相对繁 多、结构复杂的网络测控任务。 对于任何一个遥测系统，都要进行全面和严格的地面组件的测试和管理， 来确认遥测系统是否满足技术规范要求和实验安全要求。所以开发基于局域 网的实时高可靠网络测控系统具有重要的现实意义。 根据系统功能角度不同，局域网测控系统软件部分可分为五个子系统： 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 多路无线数据采集系统、前置数据融合处理系统、远程监控终端系统、本地 控制系统、前端单片机数字采编器系统。在这个测控系统中各个测控子系统 部分相对独立，可完成电压电流等多种参数的采集；结果以多个数据流方式 发送到数据与实时处理设备或本地控制台设备实时接收存储和处理，并通过 网络把数据传送到远程监控终端监控界面；远程监控终端完成对前端数据的 显示与综合，以便对前端设备状态进行分析。 由于多路无线数据采集系统和前端单片机数字采编器系统只是完成数据 采集任务，为系统提供数据，不是本课题研究重点，故本文不予讨论和研究。 本课题主要研究讨论的是前置数据融合处理系统、远程监控终端系统和本地 控制系统连接与控制。 1 5 课题的研究内容和论文结构 根据遥测地面网络测控子系统的要求，需要开发一种功能齐全、网络传 输实时可靠的局域网测控系统，主要是系统软件的开发。本文正是在这种研 究背景下，结合系统要求，设计了实时高可靠的局域网测控系统软件的通信 和应用方案，给出了系统的构成和模块化软件的总体设计，最后提出了提高 系统网络通信实时性和可靠性的协议模型。 本文主要分为两个大部分：第一部分为系统构成和方案研究；第二部分 为实时高可靠局域网测控系统软件的应用设计和协议设计。共分为五章，其 中第三、四两章为重点内容，具体安排如下： 第一章绪论 介绍了测控系统发展现状和发展趋势，结合基于局域网的地面实时高可 靠测控系统的要求，提出了本文的研究方向和内容：开发一种局域网测控系 统软件，实现对控制设备的可靠控制和对数据的实时传输等功能。 第二章局域网测控系统分析 从局域网测控系统总体出发，介绍系统的概念和组成，说明局域网测控 系统的特点和实现网络通信需要处理的基本问题等。通过对计算机网络体系 结构和协议以及局域网测控系统自身的体系结构的论述说明本课题测控系 统的总体实现方式。 第三章局域网测控系统的总体设计 结合本课题系统硬件结构和功能来总体设计局域网测控系统的系列软 件。系统软件采用模块化的设计理念，详细介绍一系列软件核心模块的系统 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 工作流程和实现过程。 第四章r u m p 协议设计 综合t c p 和u d p 网络协议的优缺点，提出面向测控系统的可靠u d p 协 议r u m p ( r e l i a b l eu d pf o rm e a s u r e & c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，从而实现局域网测 控系统实时高可靠的网络测控通信。 论文最后对课题研究进行总结并提出今后工作需要改进的不足之处。 1 6 本章小结 第一章是课题的绪论部分。介绍了课题研究的背景以及研究的目的和意 义。分析了国内外测控系统的发展现状和存在的问题，提出了课题的研究方 向和研究内容。最后给出了论文的结构安排。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 局域网测控系统分析 2 1局域网测控系统概念及组成 局域网测控系统一般是指以通信技术为基础，在局域网范围内将信号检 测，数据采集、传输、处理、存储，设备控制等功能集成在一起，提供实时 监控和信息共享及查询的工业控制系统。 基于局域网的测控系统结构相对比较简单，是因为采用了许多以太网的 通用标准技术，如网络接入设备可使用一般的网卡、集线器以及路由器，通 信协议一般采用透明的t c p i p 协议。局域网测控系统从功能角度来看可以 主要分为三个模块：远程监控终端、数据传输通道和本地控制系统。三部分 分工协同工作，完成相应的工业测控任务。局域网测控系统模型如图2 1 所 示。 一纛 一蘩 远程监控终端数据传输通道 本地控制系统 斗 + 一一一一一一一 控制命令 反馈信息 图2 - 1 局域圈测控系统 fig 2 - 1l a nb a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r ois y s t e m ( 1 ) 远程监控终端 远程监控终端的主要功能是负责远程控制人员与测控系统的人机交互。 它的主要功能包括系统主要参数配备、发送控制命令、显示被控设备的反馈 信息或者其他必要的操作。作为远离被控现场的一端，远程监控终端要求操 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 作动作安全、显示信息简洁明了，主要以计算机为操作运行平台，通常作为 网络结构c s 模式的c l i e n t 端，发出对s e r v e r 端的连接请求。 ( 2 ) 数据传输通道 数据传输通道负责远程监控终端到本地控制台的数据传输。它是双向通 道，一个方向是把远程监控终端的控制或查询命令传送到本地控制台，另一 方向为把本地控制系统的反馈信息反馈到远程监控终端，以便远程监控终端 的操作人员及时了解被控设备的命令执行情况和采集的数据，进而决定下一 步的执行措施。数据传输通道的传输接口通常为网口、串行口以及u s b 等。 ( 3 ) 本地控制系统 本地控制系统包括本地控制台和被控设备，是局域网测控系统的核心部 分。本地控制台是此模块的核心部分，主要负责解析远程监控终端的控制和 查询命令，并调用设备驱动来控制板卡设备、智能仪器仪表等进行数据采集 或分析。完成控制任务后，控制台进行对设备状态数据的处理、分析、存储 和传输。控制台通常作为c s 模式的网络服务器端，监听客户端的连接请求， 发送反馈信息。 2 2局域网测控系统的特点 相对比传统的点对点控制系统，局域网测控系统具有连接布网方便、远 程监视和控制、信息资源共享、维护性和可扩展性强、灵活性和可靠性高等 优点。具体来说有以下几点： ( 1 ) 布网方便。局域网能以较小的信息传输代价来实现远程的监视和控 制，完成了模拟信息到数字信号的传输变革，实现控制设备间数字化互连。 ( 2 ) 控制现场的分散化。网络化的测控系统使得原先由集中式控制实现 的控制任务分散到各个相互独立现场设备上执行，明确故障源，减小危险因 素，大大提高系统的可靠性和安全性。 ( 3 ) 信息资源共享。局域网测控系统子站或测量节点大部分都能够记录 处理数据，节点和节点之间通过局域网相连实现信息的传输和共享，提高工 作效率。 ( 4 ) 开放性”。局域网的协议透明性使得系统的可扩展性和可维护性 大大增加。不同厂商的产品之间可以在同一网络中相互兼容和通信，降低了 控制成本。 ( 5 ) 系统的稳定性。基于局域网的测控系统可以采用光纤作为传输介质， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 光纤所具有的抗噪抗干扰性是数据的传输愈加稳定，适合实时监控的高干扰 设备现场环境。而且千兆甚至1 0 g 以太网正在不断拓展范围，能够满足网络 化测控系统大量数据传输的需要。更高的带宽增加了系统的稳定性。 正是由于以上这些显著特点，网络化的测控系统在汽车控制系统、电力 系统和工业过程控制系统等传统工业领域得到了广泛的应用。 但是在网络引入工业测控领域后，由于网络传输时延的不确定性，再加 上数据出错和丢失等现象，网络化测控系统不可避免地出现一些问题。这些 问题将在下一章节进行讨论。 2 3局域网测控系统的基本问题 虽然基于局域网的工业测控系统研究已经得到了较快的发展，但还存在 很大的空间来开发功能更加强大的服务和应用。下面是局域网测控系统面临 的挑战n 8 】 ( 1 ) 实时性 实时性是指系统能够在规定的时间内给予响应( 即为响应时间足够短) ， 以足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地。响应时间的简单算法 如下： 在网络测控应用中，实时性有两个方向： 一个是被控设备响应的实时性，被控设备在收到控制命令后能够在规定 时间范围内做出正确反应。另一个是通信网络数据传输的实时性。而实时网 络是指数据在网络中传输的时间是可预测的，即是说实时网络中的数据的传 输是有时限的。 远程监控终端发送控制命令时，如果把控制命令在远程监控终端处理时 间、信道中的传输时间、命令执行前本地处理时间分别用t r p ，、t o t l 、t x p l 来 表示，那么控制命令响应时间t 】为 t 12t r p l + t 吐l t l p l ( 2 1 ) 相反方向当被控设备执行完设备控制命令后把反馈数据发送给远程监控 终端时，把反馈信息在控制台的处理时间、信道中的传输时间、远程监控终 端处理时间分别用t l p 2 、亿2 、t r p 2 来表示，那么反馈信息延迟时间t 2 为： t 2 = t r p 2 + | r c + t l p 2( 2 - 2 ) 如果l 或t 。大于某个阈值，即系统的实时性无法保证，则一方面造成远 程监控终端的控制命令不能及时由被控设备执行，造成系统非正常运行，很 西南科技大学硕士研究生学位论文第1l 页 可能出现重大系统事故；另一方面，如果通信网络不能将本地控制系统的反 馈数据及时地传送给远程监控终端，就可能会导致在判断被控设备状态时出 现延时，造成下一步的操作失误。 ( 2 ) 可靠性 可靠性是网络化测控系统的又一个重要的指标。控制系统的可靠性是指 在一定的条件下，系统在规定的时间阶段内完成指定功能的能力，即为系统 正常工作的能力。一定的条件是指系统现场的工作环境、工作人员的操作维 护等；影响可靠性的重要特征还有规定的时间内因素，如可靠度、失效率、 平均故障时间、平均维护时间等。 一般来说，网络测控系统的实时性和可靠性主要与以下几个方面有关： 系统本身的硬件条件 网络方面包括网络的拓扑结构、通信媒介、网络接口的传送速率等；被 控设备方面包括设备的可连续工作时间、使用寿命、工艺制造水平等。通信 媒介的传送速率越高、网络接口的传输速率越快，网络的实时性当然就会越 高。通信媒介的抗干扰力越高，被控设备的失效率越低，系统的可靠性就会 越高。 网络通信协议 包括媒体的访问控制方式、网络通信协议的层次结构、传输的可靠性、 有无连接控制等等n 。可靠性要求，网络通信协议具有内部状态和差错报告 能力，在通常发生的故障纠正后，通信网络能够自动恢复，能够支持通信节 点的加载、启动、停止、再加载和系统复位。越是简单的网络层次结构，系 统的实时性越高，但实时性与可靠性总是矛盾的，有连接控制的通信协议实 时性要比无连接控制的实时性低，但系统的可靠性高，所以在系统硬件条件 已定的条件下，合理有效的选择网络通信协议非常重要，这是提高系统实时 性和可靠性的主要途径阳“。 网络的负载 是指网络在一定时间内需要传送的信息量。网络的负载越低，其系统的 实时性越好。减少网络负载，在不影响传输所需有效信息的前提下，需要优 化数据结构，增加数据有效性。 ( 3 ) 稳定性： 稳定性是指系统在运行过程中，能够避免出现跳变、震动、中断等非正 常现象。影响系统稳定性的因素主要有以下几个方面： 由于网络的干扰因素产生的数据跳变，造成本地控制系统的判断失误， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 从而做出错误的控制动作。 本地控制系统出现错误状态或其他异常情况，需要远程监控终端的调 整，而传输时延造成系统实时性问题，导致远程监控滞后，出现不可预知结 果。 系统实时性和可靠性的不足，导致系统在处理完上条指令后没有及时 接受下一条控制指令，从而产生控制过程的中断，若没有本地控制系统的补 救性措施，就可能会导致工作的失败，影响工作效率。 ( 4 ) 安全性 网络测控系统的众多设备信息和采集数据对外部未授权人员来说可能具 有相当的价值，而网络技术的透明性很高，任何熟知网络通信技术的人员都 有可能挟持、干扰、窃取设备的测控信息，因此网络化的测控系统的安全性 相当重要。 网络测控系统的安全性包括三个方面：机密性( 防止泄露给未授权的个 人) 、完整性( 防止被改变或被破坏) 可用性( 防止对授权用户访问资源手 段的干扰) 。 5 ) 网络控制系统和信息网络系统的集成 工厂企业网络一般包括控制网络( 网络化测控系统) 和信息网络( 信息 管理系统) 两部分。信息网络的主要作用为把控制网络的数据信息加以收集 分析，为企业生产提供计划决策和销售管理等全面的信息服务。控制网络和 信息网络的关系如图2 2 所示。 控制网络和信息网络是不同功能，不同网络结构和不同组织形式的网络。 跨平台的数据访问需要有跨平台的网络互连方式。目前应用的集成技术主要 有w e b 技术、动态数据交换技术、数据库互访技术旺“。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 2网络控制系统与信息管理系统的关系图 fig 2 - 2r eia tio n s hipc h a r to fn e t w o r k e dc o n t r ois y s t e ma n dm a n a g e m e n t ln f o r m a tio ns y s t e m 2 4基于局域网的测控系统的实现方式 根据上一章节的分析，基于局域网的网络化测控系统主要实现数据传输 和设备控制等功能。网络测控系统采用计算机网络作为数据传输通道，最重 要的功能是实现控制命令和反馈信息的传送，所以系统实现的核心问题是开 发能够满足网络化测控需要的网络程序。在这一章节介绍基于局域网的测控 系统的实现方式。 2 4 1 局域网测控系统的体系结构模型 一个系统的体系结构是用指定组件表示的结构。整体目标是确保结构能 满足现在和将来可能的需求，满足一般性原则。主要关心的方面有系统的可 靠性、可管理性、适应性和性价比以及各个组成部分的独立性。根据现阶段 局域网测控系统的实际应用，结合测控系统的一般硬件构成，本节给出局域 网测控系统的总体体系结构图，包括软件和硬件部分，如图2 3 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 7 l 平台 图2 - 3局域网测控系统体系结构参考模型 fig 2 - 3l a nb a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r ois y s t e ma r c hit e c t u r e r e f e f e n c en o d ei 硬件层：硬件层包括计算机硬件、被控设备及网络通信硬件，处于此参 考模型的最底层，为上一层提供最基本的硬件保障。 操作系统：提供系统的编程接口、方便进程之间的通信和协调。主要的 操作系统有w i n d o w s 、l i n u x 、p o w e rp c 、v x w o r k s 等等。为上一层提供开 发环境和工作环境。 由于硬件层和操作系统为整个网络化的测控系统提供了开发和运行平 台，二者可以统称为网络测控系统的平台层。 中间层：也可叫做软件层，是整个局域网测控系统的核心层。主要提供 数据处理接口、制定网络通信协议、数据共享等。本论文主要在中间层即系 统软件展开研究。 应用服务层：为工程人员提供用户接口，即人机交互界面。比如设备参 数、网络参数设置，采集数据、设备状态显示等。 2 4 2 计算机网络体系结构与协议 2 4 2 1网络协议 在计算机网络中要做到正确的数据传输，就必须遵守一些事先约定好的 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 规则。这些用来管理数据通信的内容、方式和时间的一组规则成为网络协议 ( n e t w o r kp r o t o c 0 1 ) ，简称为协议。网络协议的三要素是语法、语义和同步 ( 也叫做时序) m 1 。语法( s y n t a x ) 即数据与控制信息的结构或格式。语义 ( s e m a n t i c s ) 即需要发出何种信息、完成何种动作以及做出何种反应。时序 ( t i m i n g ) 即事件实现顺序额的详细说明和数据传输速率等。 2 4 2 2通信参考模型 国际化标准组织( i s o ) 在1 9 8 3 年公布i s 0 7 4 9 8 国际标准，定义了网络 互连的七层框架，即o s i 参考模型。在o s i 参考模型中，协议层由下往上依 次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。虽 然o s i 七层参考模型的概念清楚、理论比较完善，但是比较复杂和不实用。 拥有四层体系结构的t c p i p 协议却得到了广泛的应用，成为了i n t e r n e t 最基 本的协议。t c p i p 的四层体系结构从下往上依次为主机至网络层、网络层、 传输层、应用层。t c p i p 参考模型与o s i 参考模型对比如图2 4 所示。 t c p i p 协议的核心是传输层的t c 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 ，传 输控制协议) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据包协议) 、网络层 的i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ，互联网协议) 。 t c p 是面向连接的传输层协议，提供可靠交付的服务，通过t c p 连接传 送的数据无丢失、无乱序、无重复、无差错。但t c p 是个流协议，t c p 并 不知道所传送的字节流的含义。t c p 不保证接收方应用程序所收到的数据块 和发送方应用程序所发送的应用程序的数据块具有对应大小的关系，接收方 程序必须有能力识别接收到的数据流的含义并反映到应用层数据。同时由于 t c p 的高可靠性是以三次握手的机制来实现的，增加了系统开销，牺牲了传 输的实时性。u d p 在传送数据之前不需要首先建立连接，对方接收到数据之 后也不会有确认行为，不能保证传送数据的有序性、完整性、可靠性，提供 的是不可靠的运送服务。u d p 采用的是以报文为传送单元的机制，通信方式 简单有效，有利于测控系统设备控制的时间驱动和事件驱动，适合数据帧短、 通信频繁的工业控制；另一方面来说，利用u d p 通信也更符合测控系统的 实时性要求。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 t c p i p 应用层 t c p i p 传输层 t c p i p 网络层 t c p ! 机至网 2 o s i 第 5 7 层 o s i 传 输层 o s i 网 络层 图2 - 4t c p i p 参考模型与0 s i 参考模型对比图 f i g 2 - 4c o m p a ris o nc h a r to ft c p i pr e f e r e n c em o d e ia n dt h eo s i 2 5本章小结 本章主要分析了基于局域网的网络测控系统的概念、组成及其特点。重 点讨论了局域网测控系统的基本要求或面临的基本问题。随后根据实际应 用，提出了局域网测控系统的体系结构模型。最后介绍测控系统在局域网环 境下的基本实现方式，包括网络协议和通信参考模型。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 局域网测控系统的总体设计 3 1 系统硬件结构和功能 基于局域网的实时高可靠测控系统主要完成对基于单片机的数字采编器 命令写入和采集数据接收、网络智能模块电源加电、基于继电器板卡的状态 锁存和转化、基于用户软件接口的系统参数配置等基本控制功能。同时保障 系统的实时性和可靠性、系统日志记录、数据处理和显示、系统状态监视和 报警、网络数据传输等功能。 根据网络化测控系统一般组成和结合本课题具体需求，系统硬件组成为： ( 1 ) 网络设备：千兆以太网交换机作为简单的数据交换是局域网不可缺 少的网络交换设备，同时为了保障网络的实时性和可靠性传输，在交换机与 交换机之间采用光纤作为传输介质，本课题采用具有光电转换功能的 s r w 2 0 2 4l i n k s y s2 4 端口千兆带宽自适应以太网交换机。同时采用i n t e r p r o 1 0 0 0 网络适配器作为网络接口卡。 ( 2 ) 计算机设备：采用一般配置插槽式c p c i 工业控制计算机，可插入 工业控制板卡。 ( 3 ) 继电器板卡设备：采用凌华公司a d l i n kp x i 7 9 0 11 6 路通用s p d t 开关模块板卡，作为智能模块化电源的切换控制设备；采用美国n i 公司n i p x i 2 5 6 41 6 路5 as p s t 开关模块，作为电源输入和电源备份设备。 ( 4 ) 智能化电源设备：由于负责数据采集的数字采编器设备需要多个电 源的驱动和转换，同时能够满足远程监控终端的网络化控制，故采用a g i l e n t n 6 7 0 0 系列模块化电源进行供电。 ( 5 ) 串行口设备：多个r s 4 2 2 串行通讯接口。串行口主要作为与单片 机数字采编器设备进行全双工通讯( 即传送控制指令和接收采集数据) 设备。 ( 6 ) 其他设备：如基于单片机的数字采编器设备和其他多个无线数据源 采集设备等。 整个测控系统的硬件结构和外部接口关系如图3 1 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第l8 页 无线多路数据采集系统 虚拟仪器 器 图3 - 1局域网测控系统硬件结构和外部接口关系图 fig 3 1l a nb a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r ois y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ea n d t h ee x t e r n aiin t e r f a c ec h a r t 3 2 系统软件设计 系统编程环境为v i s u a lc + + 6 0 ，上层界面设计采用b c g s o f t1 0 0 界面库 开发。软件运行环境操作系统为w i n d o w sx ps p 3 。 前面已经分析过，系统的体系结构采用c s 模式，所以从远程监控终端 到本地控制台系统服务器或前置数据融合处理系统服务器的数据传输采用 c s 模式的s o c k e t 通信机制的网络程序来实现的。 ( 1 ) s o c k e t 通信机制及w s a e v e n t s e l e c t 模型 s o c k e t 在s e v e r 和c l i e n t 端程序之间起到一个传输通道的作用，c l i e n t 端程序在结束时会发出一个结束请求，s e v e r 端程序关闭s o c k e t 开始等待下 一个连接请求。s o c k e t 通信的t c p 、u d p 方式连接流程图如图3 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 9 页 服务器 声明一个s o c k e t 对象 绑定( b i n d ) 一 个通信端口 监听( 1 i s t e n ) 网 络请求 接( a c c 求e p 。f连接请求i 读取( r e a d # e c v ) 发送