基于Internet的遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)

 
引言 
　　九十年代以來，隨著Internet的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)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(duì)人們傳統(tǒng)的生活方式產(chǎn)生了巨大的沖擊，而且對(duì)其他領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展也帶來了深刻的影響。網(wǎng)上圖書館，電子商務(wù)和網(wǎng)上虛擬醫(yī)院已被大家所熟悉，而基于Internet的遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)更引起工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并在核電站監(jiān)控、石油的輸送管道遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控和機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域得到應(yīng)用?；贗nternet的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，具有信息傳遞快捷和交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，推動(dòng)著控制技術(shù)向著網(wǎng)絡(luò)化、分布性和開放性的方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)使控制系統(tǒng)功能的擴(kuò)展更加靈活，性能不斷提高，使用更加簡(jiǎn)便。 

1、基于Internet遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成 　

　　二十世紀(jì)六十年代后期，Internet首先在美國出現(xiàn)，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(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)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是采用基于開放系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參考模型TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)模型。TCP/IP與開放系統(tǒng)互聯(lián)模型ISO（Open System Interconnection）不同，它有四層：應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)互連層和主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)連接層如表1。 

　　表1 TCP/IP參考模型


　　應(yīng)用層（FTP SMTP HTTP Telnet） 
　　運(yùn)輸層（TCP UDP） 
　　網(wǎng)絡(luò)互連層（IP） 
　　主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)連接層

　　主機(jī)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(jī)發(fā)送的IP報(bào)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(bào)文格式和傳送過程。該層的工作負(fù)責(zé)把IP報(bào)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(bào)文順序到達(dá)。負(fù)責(zé)解決路由選擇，跨網(wǎng)絡(luò)傳送等問題。 

　　運(yùn)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(duì)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?shù)膮f(xié)議。它保證源終端發(fā)送的字節(jié)流毫無差錯(cuò)地順序到達(dá)目的終端。該層還定義了另一個(gè)傳輸協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，它是一個(gè)不加差錯(cuò)控制、非連接的傳輸協(xié)議。 

　　應(yīng)用層：它是TCP/IP系統(tǒng)的終端用戶接口，該層包含了目前流行的、面向應(yīng)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(yīng)用不僅得益于采用了國際通用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，更重要的是C/S(Client/server)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。目前基于瀏覽器的客戶端/服務(wù)器的通信方式比C/S結(jié)構(gòu)更為高效。B/S工作模式下，用戶只需在客戶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(qǐng)求。WEB服務(wù)器對(duì)用戶身份進(jìn)行驗(yàn)證后，接受用戶的請(qǐng)求，執(zhí)行相應(yīng)的擴(kuò)展應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接受WEB服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求后，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)查詢、更改、更新等功能，把運(yùn)行結(jié)果提交給WEB服務(wù)器。WEB服務(wù)器利用HTTP協(xié)議把運(yùn)行結(jié)果通過主頁形式傳到客戶端，客戶機(jī)接收傳來的主頁文件，并把它顯示在WEB瀏覽器上。 

　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，工業(yè)控制系統(tǒng)也為適應(yīng)控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜的控制要求和滿足系統(tǒng)多功能的需要，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)、監(jiān)督控制(SCC)系統(tǒng)、分級(jí)控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)(DCS)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。早期的控制系統(tǒng)DCC和SCC都是采用微處理器、PC、工控機(jī)為核心，總線為STD和PC，機(jī)的ISA、MULTIBUS、PCI總線等，這些總線由于采用集中式控制方式，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)連線長且多，系統(tǒng)抗干擾性差。后來出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)，如日本的TDCS-2000系統(tǒng)和美國貝利控制公司的NETWORK-90系統(tǒng)等，它采用多臺(tái)微處理器分散在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，總線為高速數(shù)據(jù)通道（HDW）。由于受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)早期存在的系統(tǒng)封閉這一缺陷的影響，各廠家的產(chǎn)品自成系統(tǒng)，不同廠家的設(shè)備不能互連，難以實(shí)現(xiàn)互換和互操作，另外系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜，聯(lián)網(wǎng)手段和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不靈活。 

　　目前，出現(xiàn)了最具生命力的工業(yè)控制系統(tǒng)--現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，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(xiàn)場(chǎng)的控制中，構(gòu)建完整的控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)。FCS系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，把控制功能完全下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身便可實(shí)現(xiàn)基本控制功能。 

　　現(xiàn)場(chǎng)總線既是新興的工業(yè)控制系統(tǒng)，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(nèi)部網(wǎng)(Intranet)相連，位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層。它具有開放統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一方面將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備間的信息共事，同時(shí)又將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種信息傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制監(jiān)測(cè)室，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、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(hù)、組態(tài)命令乃至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作電源等送往各相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，溝通了過程、現(xiàn)場(chǎng)、控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的聯(lián)系。 

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備底層向上發(fā)展，逐步擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)化，開放性和分布性s計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)從互連網(wǎng)Internet頂層向下滲透，直至和底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以通信。基于Internet遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它通過現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)(或現(xiàn)場(chǎng)總線)、企業(yè)網(wǎng)和Internet網(wǎng)把分布于各局部現(xiàn)場(chǎng)、獨(dú)立完成特定功能的控制計(jì)算機(jī)互連起來，以達(dá)到資源共事、協(xié)同工作、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和集中管理、遠(yuǎn)程診斷為目的的全分布式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，它是Internet、WEB數(shù)據(jù)庫技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、瀏覽器技術(shù)、設(shè)備故障診斷技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。系統(tǒng)組成如圖1。




 
圖1 基于Internet的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng) 


　　基于Internet遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的主要有以下幾部分組成：數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)器；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備；監(jiān)控設(shè)備；交換式以太網(wǎng)；瀏覽器等。交換式以太網(wǎng)是數(shù)據(jù)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(xiàn)，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(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)通過以太網(wǎng)的TCP或UDP傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備處理和顯示，這些數(shù)據(jù)并廣播存入數(shù)據(jù)庫中。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障檢測(cè)和分析，把結(jié)果告訴現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備，或通過Telnet技術(shù)直接控制調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。還可以擁有故障診斷數(shù)據(jù)庫進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)，解決更復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)問題。瀏覽器可以是授權(quán)的客戶，允許通過HTTP查看或調(diào)度系統(tǒng)資源信息，優(yōu)化系統(tǒng)整體運(yùn)做。從圖1中可以看出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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，也可以是通過通信控制器把現(xiàn)場(chǎng)總線(HART總線、CAN總線、LONWORKS總線等)和以太網(wǎng)連在一起。

2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)


　　要真正實(shí)現(xiàn)基于Internet遠(yuǎn)程測(cè)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(xiàn)有系統(tǒng)的新特性。比如數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性是遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的首要要求，沒有可靠的數(shù)據(jù)是不可能進(jìn)行控制的。還有某些設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求，必須保證其優(yōu)先級(jí)，另外協(xié)議的簡(jiǎn)單化可實(shí)現(xiàn)少延遲，快速投遞；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的兼容性，真正達(dá)到數(shù)據(jù)暢通無阻。下面就部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論： 

　　(1) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù) 

　　在Internet上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控，首先要通過Internet獲得系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)和故障信息，同時(shí)又要讓遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或故障診斷系統(tǒng)在異地的數(shù)據(jù)庫上得到查詢。Internet的WEB服務(wù)器包含的信息量巨大，覆蓋區(qū)域廣，以前它主要采用HTML編寫，表現(xiàn)形式多樣，表現(xiàn)力強(qiáng)。但用HTML所組成的是一種靜態(tài)文件，不適應(yīng)WEB上數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)更新，很難滿足設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求。


　　目前，基于組件的數(shù)據(jù)庫技術(shù)刊實(shí)現(xiàn)了在分布異構(gòu)下可重用、可移植、可互操作。組件是一個(gè)分布對(duì)象，規(guī)定了組件必須按照統(tǒng)一的接口規(guī)范向外界聲明服務(wù)；組件也是一塊獨(dú)立可重用的二進(jìn)制代碼，它既可以用不同平臺(tái)開發(fā)，也可以分布在網(wǎng)絡(luò)上的不同平臺(tái)上，被不同的平臺(tái)所重用。由對(duì)象管理組織OMG(Object Management Group)推出的公共對(duì)象請(qǐng)求代理CORBA(Common Object Request Broker Architecture)實(shí)現(xiàn)了WEB服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的通信接口，它是國際上一個(gè)最主要的應(yīng)用的分布式軟件組件對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)之一。應(yīng)用C0RBA對(duì)象所提供的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以在多平臺(tái)上移植，并可以被其它的CORBA對(duì)象調(diào)用，具有開放性和可重用性，而且具有良好的可擴(kuò)充性，增加一個(gè)服務(wù)功能，只需增加一個(gè)接口。應(yīng)用組件數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)的WEB數(shù)據(jù)庫可以滿足遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的需要。 

　　(2) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 

　　作為新一代控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有如下特點(diǎn)： 

　　

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