基于Ethernet的分布式监控系统通信技术的研究-兰州理工大学学位论文.pdf
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1、兰州理工大学硕士学位论文基于Ethernet的分布式监控系统通信技术的研究申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰
2、州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。本学位论文属于1、保密口,在 年解密后适用本授权书。2、不保密E1。(请在以上相应方框内打“J”)基于以太网的分布式监控系统通信技术的研究插图目录图2监控系统体系结构图.-12-图3.1专用工业以太网控制系统结构方框图及拓扑结构图.,.-14-图 3.2 Ethemet/FCS 网络结构.-15-图3.3控制系统结构图.-16-图3.4控制系统软件功能模块图.-17.图3.5工业以太胸与OSI/ISO参考模型的分层对照.-18-图4.1基于OPC的Client/Serv
3、er结构模型.-26-图4.2 OPC接口方式.-27-图 4.3 OPC Client 与 OPC Server 的连接.-30-图 4.4 OPC Client 与 OPC Server 的断开.-30-图45 Modbus查询一回应示意图.-32-图4.6 RTU消息帧.-32-图4.7请求消息帧.-33-图4.8回应消息帧.-33-图4.9 Modbus与上位通讯的流程实现.-34-图4.10 Modbus与下位通讯的流程实现.-35-表1.变量对应表.-36-图5.1两层C/S结构的体系结构图.-42-图5.2三层结构的体系结构层.-44-图5.3三层WEB结构的数据库体系.-45.
4、图5.4混合模式系统图.-46-图5.5 B/S监控系统结构图.-47-图5,6数据库访问原理图.-48-图5.7 ODBC数据源管理器.-49-图5.8数据流流程.-54-图5.9登陆界面.-57-图5.10系统管理界面.-58.图5.1系统监控界面.:.-58-图5.12数据类型选择.-59-BH5.13数据查询界面.-59-4-硕士学位论文摘要对工业现场进行监控,及时取得生产现场的信息,对自动化程度日益增高的现代工 业企业实施高效的生产与管理无疑是一种有效和成功的实践。面对监控系统功能升级的 迫切要求,推向市场的工业监控产品也必然面对如何在激烈的竞争中保持竞争力,不断 高效合理地满足不同
5、用户进一步功能扩展的要求。进一步讲,如何高效地建立目标系统 的客户需求,建立功能和信息模型,向代码平滑过渡,利用这个模型进行测试和检验,如何进一步地完善系统是一个好的分布式监控系统的要求所在。本文针对上述问题,以甘肃省省长基金项目为背景,研究了一个基于工业以太网架 构的分布式监控系统。它综合利用了数据采集技术、计算机网络技术、通信技术及面向 对象的编程技术,充分运用了 Browser/Server模式和Client/Server模式各自的优点,采用了层次化、模块化的设计手段。同时,监控系统运用以太网的优势,克服现有的现 场总线的劣势,用OPC技术和软网关技术相结合的方法来实现信息网络与控制网络
6、的实 时数据交互。论文的重点放在监控系统的通信上,在分析比较了 B/S与C/S的特点后,综合利用 二者各自的优势,组建了混合模式的监控系统,利用WinSocket技术、面向对象的编程 技术实现了服务器和客户端相关的系统通信、监控信息显示、报警用户管理等功能模块。该监控系统提供了一种更完善的思路,综上所述,这种监控技术必将很好的运用于工业 乃至民用监控领域中。关键词:工业以太网,OPC,WinSocket,软网关,分布式基于以太网的分布式监控系统通信技术的研究AbstractObviously,it,s a kind of successful practice to monitor worki
7、ng fields,to get first-hand data from there and make management in higher efficiency for modern industrial enterprises.Industrial monitor system face imperative requirements as cruel competition from market,advanced function and diversified clients.中hat s more,how toexpress clearly requirements of t
8、he client system,modeling of function and information,how to transform from the model to software code smoothly and how to testify model and make system*s design much better are real foundation for better distributed monitoring systems.Aiming to above questions,this paper took the project funded by
9、Gansu province as the background,discussed the distributed monitoring system which built up on the basis of industry*s Ethernet controls.It has utilized the data acquisition technology,network technology,communication technology and object-oriented programming technology synthetically,fully used Bro
10、wser/Server mode and Client/Server mode one s own advantages,and adopted the hiberarchy and module design means,Meanwhile,the monitoring system used the advantage of Ethernet and The way of OPC technology and soft gateway technology,overcame the inferior position of the exiting fieldbus,carried out
11、the real-time data of the control network.The key point of the thesis was put in the communication of monitoring system.After analysed and advantages synthetically,and set up the monitoring system of mixing the mode,utilized WinSocket technology and object-oriented programming technology to achieve
12、systematic communication between server and customer end,and show the control information and report to the police and user person who manage function module.This monitoring system has offered a kind of new thinking in remote control system.After some time,remote control!ing technology will be used
13、extensively in industry and even in civilly.Keyword:Industrial Ethernet OPC Winsocket Soft Gateway Distributed-6-硕士学位论文第1章绪论1.1 引言随着计算机网络技术迅速发展和计算机价格的降低,人们迫切希望能通过Internet 来管理生产过程与外界联系。而Internet、Intranet、Infranet之间的互联使这种希 望成为可能。随着计算机领域的局域通信逐步被以太网垄断,过程控制领域中上层的通 信也逐步统一到以太网和快速以太网。以太网被用于网络控制系统已成为一种趋势,产 品
14、如德国的JenerAG。但由于当初以太网并不是为工业控制设计的,自身的特点使其不 能满足工业现场控制要求,所以目前还只能用于网络控制系统顶层(信息层和管理层)。但这种状况可能会随着新的以太网标准的提出和技术的发展而有所改观。至于以太 网最终是否能完全替代现场总线,实现网络控制系统的大统一,目前还众说纷纭,没有 定论。但从网络控制系统的特点和发展趋势来看,以太网是最适合的,而且标准的统一 有利于推动网络控制发展和应用推广,会赢得更多的市场。以随着监控系统的发展,早期的基于专用机和专用操作系统的集中式监控系统已经不 能适应需要,分布式的监控网络应运而生。分布式监控系统,是相对于集中式的监控系 统而
15、言的一种新型计算机系统,它是在集中式监控系统的基础上发展、演变而来的。这 种分布式的监控系统实现了集中管理与分散控制相结合,性能稳定、可靠性高、易于操 作和维护。0i1.2 国内外发展现状前面已经提及,不同的现场总线间的通信协议差异使FCS的开放性、分散性和互操 作性等特点难以体现,而且给用户的使用带来了不便,由于各方面的利益冲突使得在最 近一段时间内难以产生一个统一的总线标准,而与此形成鲜明对比的是以太网技术迅猛 发展。目前,国内外以以太网为控制网的研究已由理论过渡到开发阶段。惠普公司应用 IEEE1451-2标准,生产嵌入式以太网控制器,可运行FTP、HTTP、TCP以及UDP协议,应用于
16、传感器、驱动器等现场设备。NETsilicon公司有NET+ARM体系,生产嵌入式 Ethernet/Internet芯片。此外,几个主要的现场总线组织迫于压力也在开发基于以太 网的现场总线协议,例如,FF提出的IEC61158标准中所定义的HSE(High Speed Ethernet Protocol),用高速以太网作为H2的一种替代方案,选用100Mbps速率的以太网的物 理层、数据链路层协议,可以使用低价位的以太网器件。在国内,上海交通大学自动化 系提出了一种改进型的以太网介质访问控制协议,在该协议中,非实时节点遵循1 一坚 持的CSAM/CD协议,实时节点遵循实时节点访问控制协议RT
17、-CSAM/CD。浙江大学先进控 制研究所也在消化吸取FF的HSE标准的基础上提出了真正实现信息管理和底层控制一-7-基于以太网的分布式监控系统通信技术的蜕允体化的工业以太网标准模型,即基于EPA(Ethernet for Plant Automation)的分布式网 络控制系统模型。助他许多的国际组织,如 MIMOSA(Machinery Information Open System)、MFTP(Society for Machinery Failure Prevention Technolgy)、COMADEM(Condition Montori ng and Engineering M
18、anagement)等纷纷通过网络进行了诊断咨询和技术推广工作,并制定了 一些信息交换的格式标准。国内的清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等高等院 校也先后推出了各自特色的监控系统,将以太网与TCP/IP技术应用到自动化系统中,连接并控制所有设备。将Internet技术引入到控制领域,通过连接不同的网络,形成 一致的网络结构可以十分自然地将网络规范应用于控制领域,实现信息的完全共享。监 控技术的应用,极大地提高了对复杂生产过程的检测、监督和控制功能,实现了分散集 中式的监控即分布式监控,实现了资源的共享,提高了系统的利用率。.砌1.3 本课题研究的背景与意义按照互联网参考的7层协议,Eth
19、ernet只提供了物理层和链路层协议,且通常与 TCP/IP等协议结合应用。由于应用层协议不同,因此难以保证其互操作性。传输控制协 议/网际协议(TCP/IP)是Intemet的网络层和传输层协议。在商业领域,它的互操作 性由Intemet的应用层的文件传输(FTP)、终端访真(Telnet)、电子邮件(SMTP)和 其他公共协议保证;在自动化领域,尚无标准的应用层,各自动化厂商都有自己的应用 层,如Modbus就是一种应用层协议。为了在不同的网络设备中实现互操作,当前,多 个组织正在为工业自动化领域的TCP/IP定义公共应用层协议。特别是将Ethernet用于 现场设备级,是当前的热点课题。
20、例如,面向制造自动化的Ethernet,产生了一种基于 控制和信息的协议(CIP)0这是为传输控制协议/用户数据协议/协议(TCP/UDP/IP)定 义的。CIP是专为工业控制设计的应用层协议,提供了访问数据和控制设备操作的服务集。它采用用户数据协议/网际协议(UDP/IP)和传输控制协议/网际协议(TCP/IP)作为 Ethernet网上的控制和信息协议,允许发送显式(信息)和隐式(控制)报文。其中,隐式报文是对时间有苛刻要求的I/O信息(事件触发、控制器互锁等),通过UDP/IP完 成的隐式报文中数据区包含实时I/O数据(CIP的控制部分)。显式报文是无时间苛刻要 求的点对点信息,可由TC
21、P/IP完成(CIP的信息部分)。CIP向终端用户提供了自动化 系统必不可少的控制、组态、数据采集服务功能,为面向自动化领域提供了 Ethernet 网上的工业自动化设备的互操作性和可换性。1.Ethernet作为现场总线的前景随着自动化系统和管理系统的进一步融合,WEB技术和无线技术等应用促使自动化 网络采用通用的Etherneto主流自动化厂商对Ethernet工业应用的积极态度将起到强大的推动作用,同时也-8-硕士学位论文缓解总线之争的负作用。Ethernet本身的迅速发展,在性能价格上还有很大的改善空间。Ethernet本身未解决互操作性问题,随着TCP/IP在工业控制中的应用,从而为
22、之 铺平了道路。在单元和模板以上,Ethernet已具有优势。但在传感器级别,性价比还不具竞争力。在仪表等领域,Ethernet要满足本安型应用有一定难度,也很难满足对仪表供电等 要求。随着市场集中度进一步提高,Ethernet有显著增长。但主要厂商目前的动态表明,对Ethernet的预期仍然保守。2.促进工业Ethernet应用对中国产业界的影响现今,国对内总线竞争未付出大的代价,同时也没有一种总线在中国占压倒性优势,我们要跟踪并采用国际先进技术,可以发挥后起优势,迅速缩短与发达国家的差距。采用开放、免费的Ethernet和TCP/IP技术,可以节约资金,减少技术的领带性,并且能得到自主知识
23、产权技术的开发。通过采用Ethernet和TCP/IP等开放的技术,能够减少专有网络的影响,有利于形 成公平的市场竞争环境有利于中国与国际接轨,降低项目投资费用。而且可以促进WEB 自动化等更先进技术和模式在中国应用,有利于制造业中间件软件市场的形成,为中国 参与下一波国际技术竞争创造良好的条件。本课题研究的意义表现在:1.吸取了计算机网络平台的最新技术,充分体现了分布式监控的功能和特点,实 现了更大范围的资源共享,有效地避免了系统的重复开发。2.采用 OPC(OLE For Process Control)技术这种软总线和基于 Modbus+TCP/IP 协议的软网关相结合,规范了工业控制设
24、备与应用软件之间的数据存储,通过0PC服务 器和VC编写接口程序访问过程数据,克服了异构网络结构和接口协议之间的差异。3.采用以太网这种目前应用最广泛的局域网技术,利用Ethernet+TCP/IP,使得 开放性和低成本为可能。1.4 本课题研究的内容本论文针对物料混合控制系统的实际情况,选择“基于以太网的分布式监控系统的 通信技术”作为研究方向。结合Internet技术的最新进展,把以太网技术应用到监控 层的数据交换,消除各种自动化系统之间的“信息孤岛”,将OPC技术、软网关技术、现场总线技术、工业以太网技术和Internet技术相融合,从物料混合控制系统中的过 程控制出发构建网络化的监控系
25、统。系统有四个部分:数据采集、数据通信、监控软件、远程监控。数据采集是根据现场设备的具体要求配置。本文主要介绍数据通信与B/C和 C/S混合模型的监控软件。1.控制系统的构建。将多种现场总线以及PLC、FCS集成在同一以太网上,选取具 二号以太网的分布式监控系统通信技术的研究有以太网接口的硬件,实现现场设备间的通信,同时,通过通信模块将数据上传到上位 机以供监控和控制。2.数据通信。采用OPC(OLE For Process Control)接口规范和软网关相结合,解决了多现场总线、多设备的控制系统的兼容问题,使得上层应用软件能采用一致的方 式存取下层的设备信息。3.监控软件。利用阳nSock
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