基于Internet的远程测控技术
发布时间：2010-9-1 09:08
发布者：techshare
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九十年代以来，随着Internet的广泛应用，计算机技术和网络技术得到迅速发展，促使其相关技术也逐渐走向成熟。这些不仅对人们传统的生活方式产生了巨大的冲击，而且对其他领域技术的发展也带来了深刻的影响。网上图书馆，电子商务和网上虚拟医院已被大家所熟悉，而基于Internet的远程测控技术更引起工业界的广泛关注，并在核电站监控、石油的输送管道远程监测、电网运行监控和机器人的远程控制等领域得到应用。基于Internet的远程测控系统实现了数据共享，具有信息传递快捷和交互性强等特点，推动着控制技术向着网络化、分布性和开放性的方向发展，这种发展趋势使控制系统功能的扩展更加灵活，性能不断提高，使用更加简便。 1、基于Internet远程测控系统的构成 二十世纪六十年代后期，Internet首先在美国出现，八十年代得到广泛的使用。尤其九十年代至今，Internet已经变成覆盖全世界的计算机网络，再加上网络技术的日臻成熟和其给人们提供的数据共享、信息传递快捷可靠、不受时空限制和交互性等优点，使因特网已经成为信息时代的主要信息载体，并引起工业界和学术界的广泛关注。 Internet是采用基于开放系统的网络参考模型TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)模型。TCP/IP与开放系统互联模型ISO（Open System Interconnection）不同，它有四层：应用层、运输层、网络互连层和主机和网络连接层如表1。 表1 TCP/IP参考模型 应用层（FTP SMTP HTTP Telnet） 运输层（TCP UDP） 网络互连层（IP） 主机和网络连接层 主机和网络连接层：该层在TCP/IP参考模型中不作定义，只要让主机发送的IP报文能够经连接层进行传送。 网络互连层：该层定义了互连网络协议(IP)的报文格式和传送过程。该层的工作负责把IP报文从源端送到目的端，协议采用非连接传输方式，不保证IP报文顺序到达。负责解决路由选择，跨网络传送等问题。 运输层：该层定义了传输控制协议(TCP)，它是面向连接的，在两个对待实体(既可以是软件实体如一个进程，也可以是硬件实体如智能输入输出芯片)间进行可靠传输的协议。它保证源终端发送的字节流毫无差错地顺序到达目的终端。该层还定义了另一个传输协议：用户数据包协议(UDP)，它是一个不加差错控制、非连接的传输协议。 应用层：它是TCP/IP系统的终端用户接口，该层包含了目前流行的、面向应用的协议，如：虚拟终端(Telnet)、文件传输协议(FTP)、超文本传输协议(HT-TP)、电子邮件协议(SMTP)等。 Internet得到快速的发展和广泛的应用不仅得益于采用了国际通用标准TCP/IP协议，更重要的是C/S(Client/server)技术的实现。目前基于浏览器的客户端/服务器的通信方式比C/S结构更为高效。B/S工作模式下，用户只需在客户端装有通用的浏览器，就可以向网络上的某一WEB服务器提出请求。WEB服务器对用户身份进行验证后，接受用户的请求，执行相应的扩展应用程序与数据库服务器进行连接，数据库服务器接受WEB服务器对数据操作请求后，实现用户对数据查询、更改、更新等功能，把运行结果提交给WEB服务器。WEB服务器利用HTTP协议把运行结果通过主页形式传到客户端，客户机接收传来的主页文件，并把它显示在WEB浏览器上。 计算机网络技术发展的同时，工业控制系统也为适应控制系统越来越复杂的控制要求和满足系统多功能的需要，出现了直接数字控制(DDC)系统、监督控制(SCC)系统、分级控制系统、集散型控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)。早期的控制系统DCC和SCC都是采用微处理器、PC、工控机为核心，总线为STD和PC，机的ISA、MULTIBUS、PCI总线等，这些总线由于采用集中式控制方式，降低了系统的可靠性，同时现场连线长且多，系统抗干扰性差。后来出现了集散控制系统，如日本的TDCS-2000系统和美国贝利控制公司的NETWORK-90系统等，它采用多台微处理器分散在现场进行控制，总线为高速数据通道（HDW）。由于受计算机系统早期存在的系统早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连，难以实现互换和互操作，另外系统联网技术复杂，联网手段和网络结构不灵活。 目前，出现了最具生命力的工业控制系统——现场总线控制系统(FCS)，现场总线是应用于生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，它的关键是把网络化、信息化的概念彻底引人到控制领域和工业现场的控制中，构建完整的控制网络和信息网络。FCS系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，把控制功能完全下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本控制功能。 现场总线既是新兴的工业控制系统，又是低带宽的底层控制网络。它可以与因特网(Internet)、企业内部网(Intranet)相连，位于生产控制和网络结构的底层。它具有开放统一的网络协议，一方面将现场设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共事，同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制监测室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共事。再把一个现场设备的运行参数、状态和故障信息送往各相关的控制室，又将各种控制、维护、组态命令乃至现场设备的工作电源等送往各相关的现场设备，沟通了过程、现场、控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。 现场总线技术从工业现场设备底层向上发展，逐步扩展到网络化，开放性和分布性s计算机网络从互连网Internet顶层向下渗透，直至和底层的现场设备可以通信。基于Internet远程测控系统应运而生，它通过现场控制网络(或现场总线)、企业网和Internet网把分布于各局部现场、独立完成特定功能的控制计算机互连起来，以达到资源共事、协同工作、远程监测和集中管理、远程诊断为目的的全分布式设备状态监测和故障诊断系统，它是Internet、WEB数据库技术、TCP/IP网络通讯技术、现场总线技术、浏览器技术、设备故障诊断技术发展的产物。系统组成如图1。  图1 基于Internet的远程测控系统 基于Internet远程测控系统的主要有以下几部分组成：数据库和WEB服务器；现场测控设备；监控设备；交换式以太网；浏览器等。交换式以太网是数据主通道，由于目前企业局域网。ntramt)广泛采用以太网技术，较ATM戚本低、易实现，且以太网技术发展迅速，吉比特以太网产品已推向市场，并向下兼容，可以采用全双工通信，消除发生冲突的可能。现场测控设备完成现场设备的数据采集和监测控制，上面可以是智能模块如模糊控制，还可以PID模块，使得控制功能下放；同时，设备运行状态通过以太网的TCP或UDP传送到远程监控设备处理和显示，这些数据并广播存入数据库中。远程监测设备可以进行简单的故障检测和分析，把结果告诉现场测控设备，或通过Telnet技术直接控制调整现场设备。还可以拥有故障诊断数据库进行知识的学习，解决更复杂的现场问题。浏览器可以是授权的客户，允许通过HTTP查看或调度系统资源信息，优化系统整体运做。从图1中可以看出现场设备可以直接接在以太网上，如网络仪表，网络传感器和网络PLC等，也可以是通过通信控制器把现场总线(HART总线、CAN总线、LONWORKS总线等)和以太网连在一起。 2、系统实现的关键技术 要真正实现基于Internet远程测控，不仅要考虑原有网络技术和控制技术的特点，还要考虑现有系统的新特性。比如数据传输的可靠性和准确性，数据通信的准确性是远程测控系统的首要要求，没有可靠的数据是不可能进行控制的。还有某些设备的实时性要求，必须保证其优先级，另外协议的简单化可实现少延迟，快速投递；网络数据库的连接和更新不仅是动态的、实时的，而且要有高的编程效率和很好的兼容性；TCP/IP协议和现场总线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻。下面就部分关键技术进行讨论： (1) 网络数据库技术 在Internet上实现远程测控，首先要通过Internet获得系统的设备状态和故障信息，同时又要让远程监控设备或故障诊断系统在异地的数据库上得到查询。Internet的WEB服务器包含的信息量巨大，覆盖区域广，以前它主要采用HTML编写，表现形式多样，表现力强。但用HTML所组成的是一种静态文件，不适应WEB上数据的实时、动态更新，很难满足设备的实时性要求。 目前，基于组件的数据库技术刊实现了在分布异构下可重用、可移植、可互操作。组件是一个分布对象，规定了组件必须按照统一的接口规范向外界声明服务；组件也是一块独立可重用的二进制代码，它既可以用不同平台开发，也可以分布在网络上的不同平台上，被不同的平台所重用。由对象管理组织OMG(Object Management Group)推出的公共对象请求代理CORBA(Common Object Request Broker Architecture)实现了WEB服务器与数据库服务器的通信接口，它是国际上一个最主要的应用的分布式软件组件对象标准之一。应用C0RBA对象所提供的数据库系统可以在多平台上移植，并可以被其它的CORBA对象调用，具有开放性和可重用性，而且具有良好的可扩充性，增加一个服务功能，只需增加一个接口。应用组件数据库技术实现的WEB数据库可以满足远程测控系统的需要。 (2) 现场总线技术 作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术具有如下特点： 实现系统的全分散控制； 系统的开放性； 设备的智能化与功能自治性； 互操作与互用性； 对现场环境的适应性。 现场总线的这些特点和传统控制系统的体系结构相比，具有节省硬件数量和投资、减少安装费用、降低维护开销、用户具有高度的系统集成自主权、提高了系统准确性和可靠性、便于实现基于网络的远程监控等优点。 但目前，由于现场总线技术出现的时间还不长，仍处于发展阶段。现在应用的现场总线产品主要是低速总线产品，而高速现场总线产品正展开激烈的竞争。高速现场总线主要应用于控制网络内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接。以太网是高性能现场总线的最好选择，不仅保证实现现场总线与Internet的数字式互连、互操作性和开放性，还可以保证网络的实时性、可靠性等。采用Ethernet的现场总线可保证技术的持续发展，千兆Ethernet技术已走上成熟，吉比特以太网产品也推向市场，另外Ethernet受到广泛的软、硬件开发技术的支持，几乎所有的编程语言都支持Ethernet的应用开发，例如Java、Visual C++、Visual Basic等。采用Ethernet作现场总线来实现远程测控，必将推进控制领域的彻底开放，实现控制技术更加迅速的发展。 以太网采用的是一种随机访问协议——带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)介质访问控制协议，一般认为它不能满足控制系统的实时性要求。目前在工业控制领域的Ethernet应用中，通过限制总线上是站点总数目，控制网络流量，使总线保持在轻负载工作条件下，以满足控制的实时性要求。近些年来出现了快速交换式以太网技术，采用全双工通信，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。它完全避免了CSMA/CD、主从、令牌等可能的低效率。 (3) 远程监控网络中的延时处理技术 系统中的延时处理技术是实现基于Internet远程监控的关键，处理不好将影响整体系统的性能。系统的延时主要有数据采集延时和数据传输延时所组成，采集系统一般采用双缓冲方式，采集延时=采集间隔+缓存点数。一旦采集方式确定，系统的信号延时就主要有网络传输延时决定了。 对于采用介质访问控制协议的交换式以太网，来实现远程测控的网络系统来说，有两个有效的方法来解决时延问题。采用全双工通信快速交换式以太网不会有延迟，也不会产生延迟的不确定性，但目前已安装的以太网卡90%都只支持半双工通信方式，系统容易产生“捕获效应”，导致一个节点独占传输通道，而其它网络节点都不能传输数据。PACE交互访问技术已把最大访问延迟降低到实时应用需要的水平，典型的应用是取允许发生的最大冲突次数为6或7，此时，最大访问延迟在5ms以内。另一个方法就是努力减小通信数据量，可以按照媒体的压缩方法：按信号工程特性减少信号的冗余信息和按视觉显示原理降低信号的冗余度，对系统信号进行压缩，华中理工大学也由此进行了基于工程特征的数据压缩法的研究实践，并获得了满意的结果。 (4) 网络化仪器仪表技术 微电子技术和Internet技术的发展已使国内外许多厂家正抓紧研制和推广网络芯片，从而这样能使传统的微控制器或工控机(PLC等)在网上被直接控制。基于Internet远程测控系统采用此类现场监控设备，将更加保证信息的快捷实时性，减少不必要的通信控制器，实现系统的完全分散控制。 由武汉力源电子股份有限公司研制并具有产权的WEB接口芯片Webchip，既具有低成本、易于掌握等优点，又可以使微控制器(MCU)应用系统与Internet实现便捷连接。PS2000是WEB接口芯片中的一种，它主要由核心控制单元、UART、嵌入式Modern接口模块、标准Modern接口模块、RS485收发控制单元、LED显示控制、DS2401接口、SPI接口模块等组成。核心控制单元主要完成通信与协议转换，PS2000片内驻留有网络协议解释与网络协议编译程序模块。它与MCU应用系统的信息交换由17条指令控制；与PC机网关通信时，负责对网络协议进行规范或解释。由于PC机网关能提供HTTP服务，可杂爰扑慊??榔鹘涌冢?蔒CU应用系统通过PS2000上网十分方便。 网络化技术迅猛发展给仪表技术产生的巨大冲击，将使远程测控系统有坚实的基础。网络化仪表的发展出现了强大势头：测控仪表提供网络接口，允许通过TCP/IP协议进行远程控制和信息共事，将成为仪表性能的重要指标之一，中国国防科技大学设计研究的虚拟数字示波器已充分体现新时代仪表的特性；网络化智能传感器已开始投入研究阳，也将使测控现场产生深刻的变化。 (5) 故障诊断技术 传统故障诊断技术采用的专家系统的知识库是封闭的或半封闭的，其知识库的构造和知识的输入与修改均需由设计者来进行。而适合远程测控系统的故障诊断专家数据库必须基于WEB数据库开发式的体系结构，专家系统的设计者只需要完成一个简单实用的专家系统框架，不需要设计者去填充专家系统的知识库，知识库的填充是由系统的维护和使用者在使用的过程中不断去充实，从故障诊断的成功经验中提取相关的知识。 (6) 网络安全技术 随着Internet应用普及，网络安全问题日益突出。基于Internet的远程测控必须把网安全问题放在重要的位置。网络通信的数据安全主要包括：数据传输的安全性，即保证在Internet上传输的数据不被第三方窃取；数据的完整性，即数据传输过程中不被篡改；身份验证，保证交换数据时确认对方的真实身份。 目前，网络安全已成为数据通信领域的一个重要研究方向，人们研究开发了各种各样的网络安全技术来保证网络通信的安全，采取的安全措施主要有防火墙技术、数据加密技术和身份确认技术等。远程测控可根据不同的网络安全要求采取不同的安全措施，对安全有特殊要求的系统，可以采用专用的网络；对网络安全要求一般的系统，可使用网络防火墙，并对数据进行加密。无论采用何种安全措施，最重要要加强网络安全管理意识。 3、基于Internet远程测控的应用与前景 Internet和工业控制技术的结合，给控制技术带来了飞速的发展。国内外已积极地开展了远程控制的应用与研究，并取得良好的效益。 中国科学院等离子体物理研究所的HT-7超导托卡马克装置规模大、参数多。整个系统采用不同类型的计算机，操作系统也不同，而且各个子系统的控制计算机分布在不同的实验现场，相距甚远。实验的特殊性要求控制系统能完成实时控制，而且各功能子系统间的数据传输量也大。为实现整个系统的实时监控及诊断保护，系统采用了基于交换式快速以太网的网络技术，利用基于TCP/IP协议的Socket网络编程，不仅实现了数据共享、高速可靠的数据传输，而且系统具有组网简单、升级方便和高的性能价格比等优点。 由西安交通大学开发的基于Internet的快速成型和快速加工技术，只要用户安装WWW浏览器，就可以通过HTTP获得远程服务部TSB(Tele-Service Bureau)在线技术支持和数据交换。比如提供3D CAD文件和物理模型，加工测试数据反馈给TSB等。另外此项目得到国家863计划的资助。1998年，Swiss Federal技术学院的P。Saucy博士进行了基于Internet的移动机器人的远程控制实验。 现在，基于Internet的远程测控系统已投人到实际的应用领域，并取得很好的经济效益，其应用前景是十分广阔的。在广泛的工业领域中，可实现数据网络和控制网络的集成，即现场总线和计算机网络融为一体，实现真正的虚拟工厂(Virtual Plant)和虚拟制造(Virtual Manufacture)。远程测控技术的成熟也将促进其在环境监测、电网监控上巨大作用。另外，基于Internet的远程测控将使机器人完成更多更复杂的任务，如深海探测、井下作业和空间探测等。 结束语 基于Internet的远程测控技术已逐渐走向成熟，必将推进远程测控系统更广泛的应用。利用远程测控系统进行监控，它将实现实时控制、及时消除隐患、提高系统的可靠性，还可以节省人力和财力、消除一些人的不确定因素。另外远程测控系统将与企业网融合在一起，使企业的生产、管理、销售和科研真正实现在一个大系统中，使企业的内部资源达到优化配置和外部条件达到最佳利用，在竞争中处于有利位置。 |
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