基于Internet的遠程測控技術(shù)

 
引言 
　　九十年代以來(lái)，隨著(zhù)Internet的廣泛應用，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)得到迅速發(fā)展，促使其相關(guān)技術(shù)也逐漸走向成熟。這些不僅對人們傳統的生活方式產(chǎn)生了巨大的沖擊，而且對其他領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展也帶來(lái)了深刻的影響。網(wǎng)上圖書(shū)館，電子商務(wù)和網(wǎng)上虛擬醫院已被大家所熟悉，而基于Internet的遠程測控技術(shù)更引起工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并在核電站監控、石油的輸送管道遠程監測、電網(wǎng)運行監控和機器人的遠程控制等領(lǐng)域得到應用?；贗nternet的遠程測控系統實(shí)現了數據共享，具有信息傳遞快捷和交互性強等特點(diǎn)，推動(dòng)著(zhù)控制技術(shù)向著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化、分布性和開(kāi)放性的方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢使控制系統功能的擴展更加靈活，性能不斷提高，使用更加簡(jiǎn)便。 

1、基于Internet遠程測控系統的構成 　

　　二十世紀六十年代后期，Internet首先在美國出現，八十年代得到廣泛的使用。尤其九十年代至今，Internet已經(jīng)變成覆蓋全世界的計算機網(wǎng)絡(luò )，再加上網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的日臻成熟和其給人們提供的數據共享、信息傳遞快捷可靠、不受時(shí)空限制和交互性等優(yōu)點(diǎn)，使因特網(wǎng)已經(jīng)成為信息時(shí)代的主要信息載體，并引起工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。 

　　Internet是采用基于開(kāi)放系統的網(wǎng)絡(luò )參考模型TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)模型。TCP/IP與開(kāi)放系統互聯(lián)模型ISO（Open System Interconnection）不同，它有四層：應用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò )互連層和主機和網(wǎng)絡(luò )連接層如表1。 

　　表1 TCP/IP參考模型


　　應用層（FTP SMTP HTTP Telnet） 
　　運輸層（TCP UDP） 
　　網(wǎng)絡(luò )互連層（IP） 
　　主機和網(wǎng)絡(luò )連接層

　　主機和網(wǎng)絡(luò )連接層：該層在TCP/IP參考模型中不作定義，只要讓主機發(fā)送的IP報文能夠經(jīng)連接層進(jìn)行傳送。 


　　網(wǎng)絡(luò )互連層：該層定義了互連網(wǎng)絡(luò )協(xié)議(IP)的報文格式和傳送過(guò)程。該層的工作負責把IP報文從源端送到目的端，協(xié)議采用非連接傳輸方式，不保證IP報文順序到達。負責解決路由選擇，跨網(wǎng)絡(luò )傳送等問(wèn)題。 

　　運輸層：該層定義了傳輸控制協(xié)議(TCP)，它是面向連接的，在兩個(gè)對待實(shí)體(既可以是軟件實(shí)體如一個(gè)進(jìn)程，也可以是硬件實(shí)體如智能輸入輸出芯片)間進(jìn)行可靠傳輸的協(xié)議。它保證源終端發(fā)送的字節流毫無(wú)差錯地順序到達目的終端。該層還定義了另一個(gè)傳輸協(xié)議：用戶(hù)數據包協(xié)議(UDP)，它是一個(gè)不加差錯控制、非連接的傳輸協(xié)議。 

　　應用層：它是TCP/IP系統的終端用戶(hù)接口，該層包含了目前流行的、面向應用的協(xié)議，如：虛擬終端(Telnet)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、超文本傳輸協(xié)議(HT-TP)、電子郵件協(xié)議(SMTP)等。 

　　Internet得到快速的發(fā)展和廣泛的應用不僅得益于采用了國際通用標準TCP/IP協(xié)議，更重要的是C/S(Client/server)技術(shù)的實(shí)現。目前基于瀏覽器的客戶(hù)端/服務(wù)器的通信方式比C/S結構更為高效。B/S工作模式下，用戶(hù)只需在客戶(hù)端裝有通用的瀏覽器，就可以向網(wǎng)絡(luò )上的某一WEB服務(wù)器提出請求。WEB服務(wù)器對用戶(hù)身份進(jìn)行驗證后，接受用戶(hù)的請求，執行相應的擴展應用程序與數據庫服務(wù)器進(jìn)行連接，數據庫服務(wù)器接受WEB服務(wù)器對數據操作請求后，實(shí)現用戶(hù)對數據查詢(xún)、更改、更新等功能，把運行結果提交給WEB服務(wù)器。WEB服務(wù)器利用HTTP協(xié)議把運行結果通過(guò)主頁(yè)形式傳到客戶(hù)端，客戶(hù)機接收傳來(lái)的主頁(yè)文件，并把它顯示在WEB瀏覽器上。 

　　計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，工業(yè)控制系統也為適應控制系統越來(lái)越復雜的控制要求和滿(mǎn)足系統多功能的需要，出現了直接數字控制(DDC)系統、監督控制(SCC)系統、分級控制系統、集散型控制系統(DCS)和現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)。早期的控制系統DCC和SCC都是采用微處理器、PC、工控機為核心，總線(xiàn)為STD和PC，機的ISA、MULTIBUS、PCI總線(xiàn)等，這些總線(xiàn)由于采用集中式控制方式，降低了系統的可靠性，同時(shí)現場(chǎng)連線(xiàn)長(cháng)且多，系統抗干擾性差。后來(lái)出現了集散控制系統，如日本的TDCS-2000系統和美國貝利控制公司的NETWORK-90系統等，它采用多臺微處理器分散在現場(chǎng)進(jìn)行控制，總線(xiàn)為高速數據通道（HDW）。由于受計算機系統早期存在的系統早期存在的系統封閉這一缺陷的影響，各廠(chǎng)家的產(chǎn)品自成系統，不同廠(chǎng)家的設備不能互連，難以實(shí)現互換和互操作，另外系統聯(lián)網(wǎng)技術(shù)復雜，聯(lián)網(wǎng)手段和網(wǎng)絡(luò )結構不靈活。 

　　目前，出現了最具生命力的工業(yè)控制系統--現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)，現場(chǎng)總線(xiàn)是應用于生產(chǎn)現場(chǎng)，在微機化測量控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，它的關(guān)鍵是把網(wǎng)絡(luò )化、信息化的概念徹底引人到控制領(lǐng)域和工業(yè)現場(chǎng)的控制中，構建完整的控制網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )。FCS系統突破了DCS系統中通信由專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的封閉系統來(lái)實(shí)現所造成的缺陷，把基于封閉、專(zhuān)用的解決方案變成了基于公開(kāi)化、標準化的解決方案，把控制功能完全下放到現場(chǎng)，依靠現場(chǎng)智能設備本身便可實(shí)現基本控制功能。 

　　現場(chǎng)總線(xiàn)既是新興的工業(yè)控制系統，又是低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò )。它可以與因特網(wǎng)(Internet)、企業(yè)內部網(wǎng)(Intranet)相連，位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò )結構的底層。它具有開(kāi)放統一的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，一方面將現場(chǎng)設備互連為通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現不同網(wǎng)段、不同現場(chǎng)通信設備間的信息共事，同時(shí)又將現場(chǎng)運行的各種信息傳送到遠離現場(chǎng)的控制監測室，并進(jìn)一步實(shí)現與操作終端、上層控制管理網(wǎng)絡(luò )的連接和信息共事。再把一個(gè)現場(chǎng)設備的運行參數、狀態(tài)和故障信息送往各相關(guān)的控制室，又將各種控制、維護、組態(tài)命令乃至現場(chǎng)設備的工作電源等送往各相關(guān)的現場(chǎng)設備，溝通了過(guò)程、現場(chǎng)、控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。 

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)從工業(yè)現場(chǎng)設備底層向上發(fā)展，逐步擴展到網(wǎng)絡(luò )化，開(kāi)放性和分布性s計算機網(wǎng)絡(luò )從互連網(wǎng)Internet頂層向下滲透，直至和底層的現場(chǎng)設備可以通信?；贗nternet遠程測控系統應運而生，它通過(guò)現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )(或現場(chǎng)總線(xiàn))、企業(yè)網(wǎng)和Internet網(wǎng)把分布于各局部現場(chǎng)、獨立完成特定功能的控制計算機互連起來(lái)，以達到資源共事、協(xié)同工作、遠程監測和集中管理、遠程診斷為目的的全分布式設備狀態(tài)監測和故障診斷系統，它是Internet、WEB數據庫技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、瀏覽器技術(shù)、設備故障診斷技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。系統組成如圖1。




 
圖1 基于Internet的遠程測控系統 


　　基于Internet遠程測控系統的主要有以下幾部分組成：數據庫和WEB服務(wù)器；現場(chǎng)測控設備；監控設備；交換式以太網(wǎng)；瀏覽器等。交換式以太網(wǎng)是數據主通道，由于目前企業(yè)局域網(wǎng)廣泛采用以太網(wǎng)技術(shù)，較ATM戚本低、易實(shí)現，且以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，吉比特以太網(wǎng)產(chǎn)品已推向市場(chǎng)，并向下兼容，可以采用全雙工通信，消除發(fā)生沖突的可能?，F場(chǎng)測控設備完成現場(chǎng)設備的數據采集和監測控制，上面可以是智能模塊如模糊控制，還可以PID模塊，使得控制功能下放；同時(shí)，設備運行狀態(tài)通過(guò)以太網(wǎng)的TCP或UDP傳送到遠程監控設備處理和顯示，這些數據并廣播存入數據庫中。遠程監測設備可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障檢測和分析，把結果告訴現場(chǎng)測控設備，或通過(guò)Telnet技術(shù)直接控制調整現場(chǎng)設備。還可以擁有故障診斷數據庫進(jìn)行知識的學(xué)習，解決更復雜的現場(chǎng)問(wèn)題。瀏覽器可以是授權的客戶(hù)，允許通過(guò)HTTP查看或調度系統資源信息，優(yōu)化系統整體運做。從圖1中可以看出現場(chǎng)設備可以直接接在以太網(wǎng)上，如網(wǎng)絡(luò )儀表，網(wǎng)絡(luò )傳感器和網(wǎng)絡(luò )PLC等，也可以是通過(guò)通信控制器把現場(chǎng)總線(xiàn)(HART總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)、LONWORKS總線(xiàn)等)和以太網(wǎng)連在一起。

2、系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)


　　要真正實(shí)現基于Internet遠程測控，不僅要考慮原有網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)的特點(diǎn)，還要考慮現有系統的新特性。比如數據傳輸的可靠性和準確性，數據通信的準確性是遠程測控系統的首要要求，沒(méi)有可靠的數據是不可能進(jìn)行控制的。還有某些設備的實(shí)時(shí)性要求，必須保證其優(yōu)先級，另外協(xié)議的簡(jiǎn)單化可實(shí)現少延遲，快速投遞；網(wǎng)絡(luò )數據庫的連接和更新不僅是動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的，而且要有高的編程效率和很好的兼容性；TCP/IP協(xié)議和現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的兼容性，真正達到數據暢通無(wú)阻。下面就部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論： 

　　(1) 網(wǎng)絡(luò )數據庫技術(shù) 

　　在Internet上實(shí)現遠程測控，首先要通過(guò)Internet獲得系統的設備狀態(tài)和故障信息，同時(shí)又要讓遠程監控設備或故障診斷系統在異地的數據庫上得到查詢(xún)。Internet的WEB服務(wù)器包含的信息量巨大，覆蓋區域廣，以前它主要采用HTML編寫(xiě)，表現形式多樣，表現力強。但用HTML所組成的是一種靜態(tài)文件，不適應WEB上數據的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)更新，很難滿(mǎn)足設備的實(shí)時(shí)性要求。


　　目前，基于組件的數據庫技術(shù)刊實(shí)現了在分布異構下可重用、可移植、可互操作。組件是一個(gè)分布對象，規定了組件必須按照統一的接口規范向外界聲明服務(wù)；組件也是一塊獨立可重用的二進(jìn)制代碼，它既可以用不同平臺開(kāi)發(fā)，也可以分布在網(wǎng)絡(luò )上的不同平臺上，被不同的平臺所重用。由對象管理組織OMG(Object Management Group)推出的公共對象請求代理CORBA(Common Object Request Broker Architecture)實(shí)現了WEB服務(wù)器與數據庫服務(wù)器的通信接口，它是國際上一個(gè)最主要的應用的分布式軟件組件對象標準之一。應用C0RBA對象所提供的數據庫系統可以在多平臺上移植，并可以被其它的CORBA對象調用，具有開(kāi)放性和可重用性，而且具有良好的可擴充性，增加一個(gè)服務(wù)功能，只需增加一個(gè)接口。應用組件數據庫技術(shù)實(shí)現的WEB數據庫可以滿(mǎn)足遠程測控系統的需要。 

　　(2) 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù) 

　　作為新一代控制系統的體系結構，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有如下特點(diǎn)： 

　　

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