基于B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)開發(fā)

 1 引言

　　在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，控制網(wǎng)絡(luò)正向體系結(jié)構(gòu)的開放性方向發(fā)展，信息溝通的領(lǐng)域正迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制、管理的各個(gè)層次，基于 internet/intranet的企業(yè)綜合自動(dòng)化方案已經(jīng)成為熱門的研究方向。

　　通過internet瀏覽器相關(guān)人員能夠進(jìn)行生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)視，遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試和遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷、處理，不但可以提高企業(yè)自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)無人職守，而且在很大程度上為企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作的科學(xué)管理、安全運(yùn)行和有效維護(hù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的存在，基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)不可能是一種閉環(huán)控制，采用的是遠(yuǎn)程監(jiān)督控制方案，而邏輯控制功能由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層完成。

        本文根據(jù)這一思想提出基于b/s結(jié)構(gòu)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)控制，并開發(fā)了一套基于plc和交流變頻器的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集工控組態(tài)軟件、plc技術(shù)、變頻控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體。

　　2 browser /server結(jié)構(gòu)的工業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)

　　客戶/服務(wù)器(client/server)技術(shù)是目前廣泛使用的一種信息處理模式[2]。與傳統(tǒng)的集中式信息處理模式相比，它可以減少系統(tǒng)開支，將網(wǎng)絡(luò)所連接的微機(jī)群信息處理性能大大提高，因?yàn)槠浞植际教幚淼奶攸c(diǎn)，它可以提高系統(tǒng)的可靠性，此外，由于其采用模塊化及開放式體系結(jié)構(gòu)，使得它容易將不同的機(jī)器有效地連接在一起，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)，提高了系統(tǒng)的靈活性。但其也存在許多潛在的缺陷[3]，諸如布局困難、培訓(xùn)費(fèi)用及系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高等，而且c/s結(jié)構(gòu)也不能滿足客戶端跨平臺(tái)的要求。因此，本文利用browser /server結(jié)構(gòu)建造工業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2.1 browser/server體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

　　隨著internet/intranet技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，www服務(wù)成為核心服務(wù)，用戶可通過瀏覽器browser統(tǒng)一的界面上，完成網(wǎng)絡(luò)上各種服務(wù)和應(yīng)用功能。這種在20世紀(jì)90年代中期發(fā)展的，基于瀏覽器、web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的計(jì)算結(jié)構(gòu)稱為browser/service(b /s，瀏覽器/服務(wù)器)計(jì)算模式，b/s模式繼承傳統(tǒng)的c/s(客戶/服務(wù)器)模式中的網(wǎng)絡(luò)軟、硬件平臺(tái)和應(yīng)用，但克服了c/s模式的上述缺陷，這種新的結(jié)構(gòu)具有下列優(yōu)點(diǎn):

　　(1) 應(yīng)用服務(wù)器的開發(fā)簡(jiǎn)單

　　b/s結(jié)構(gòu)是一個(gè)包括了客戶、web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的三層結(jié)構(gòu)，涉及到四個(gè)組成部分:瀏覽器、web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。這種劃分使得程序的編制簡(jiǎn)單，例如應(yīng)用服務(wù)器不必過多地考慮和客戶端的通訊問題，大量的與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和web服務(wù)器完成，使開發(fā)者能夠把更多的精力放在功能的完善上。

　　(2) 有許多現(xiàn)成的可供選擇的外圍程序

　　web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可以采用現(xiàn)成的產(chǎn)品，只有應(yīng)用服務(wù)器需要自己開發(fā)，而且由于web服務(wù)器負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和客戶端瀏覽器的一部分通信，減輕了應(yīng)用服務(wù)器的開發(fā)負(fù)擔(dān)。

　　(3) 客戶端獲取數(shù)據(jù)更加容易

　　采用b/s結(jié)構(gòu)，最直接的和最大的變化體現(xiàn)在客戶端上?？蛻舳瞬辉傧駛鹘y(tǒng)的c/s結(jié)構(gòu)中那樣，只與一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器通信。客戶端獲取數(shù)據(jù)的渠道不止一條。對(duì)于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，瀏覽器可以直接向web服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，而應(yīng)用服務(wù)器只要負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)即可，不參與客戶端獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)這一過程。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，瀏覽器通過頁面內(nèi)嵌的activex控件，直接與應(yīng)用服務(wù)器通信，而web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器對(duì)此將一無所覺。

　　2.2 browser/server結(jié)構(gòu)的工業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)

　　b/s結(jié)構(gòu)的工業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)是c/s結(jié)構(gòu)的延伸，它們的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本相同，只是服務(wù)器端的功能更加分散，基本框圖如圖1所示。

　　工業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)采用b/s模式，客戶端直接通過瀏覽器與服務(wù)器端進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互，而c/s模式采用的是事件驅(qū)動(dòng)方式。各子站得到現(xiàn)場(chǎng)控制單元的實(shí)時(shí)信息，并將其寫入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器保存，web服務(wù)器將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)發(fā)布到網(wǎng)上，客戶端便能通過瀏覽器方便的得到這些實(shí)時(shí)信息;另一方面，客戶端的控制信息也可以通過web服務(wù)器寫入各子站，再由子站將數(shù)據(jù)寫入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。b/s模式下瀏覽器代替專門的客戶端軟件，用戶通過瀏覽器獲得自己權(quán)限內(nèi)的企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，同時(shí)做出決策。按照tcp/ip通信協(xié)議和www規(guī)范，通過嵌在web頁面activex控件對(duì)數(shù)據(jù)端口的訪問，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，同時(shí)根據(jù)采集的信息發(fā)出相應(yīng)的指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。因此，系統(tǒng)的開放性得到很大提高，開發(fā)與維護(hù)更加方便。

　　3 基于b/s結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制實(shí)例

　　本文研究開發(fā)了一套基于plc和交流變頻器的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集工控組態(tài)軟件、plc技術(shù)、變頻控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體。

　　3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)是一個(gè)雙容水箱水位實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，采用一般化的監(jiān)控系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分成三級(jí):現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)(plc)、上位機(jī)監(jiān)控級(jí)(服務(wù)器)、遠(yuǎn)程控制級(jí)(客戶)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)以下功能:

　　(1) 通過對(duì)下位機(jī)(plc)的程序設(shè)計(jì)，使其能實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的pid控制和模糊控制。

　　(2) 通過通訊電纜實(shí)現(xiàn)下位機(jī)(plc)與上位機(jī)(組態(tài)王)的通訊。

　　(3) 通過對(duì)上位機(jī)工控軟件的開發(fā)，使其能采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將客戶端的用戶信息寫到下位機(jī)(plc)。

　　(4) 遠(yuǎn)程客戶與上位機(jī)通過實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)通信，使遠(yuǎn)程客戶能瀏覽水位實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖和歷史趨勢(shì)圖，并能進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，選擇控制方式，以及緊急事故處理(啟停泵)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)硬件配置

　　整個(gè)水位網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工藝流程的設(shè)計(jì)如下所述:通過plc控制程序?qū)λ贿M(jìn)行pid控制和模糊控制，把運(yùn)算的結(jié)果輸出到變頻器，來控制交流馬達(dá)的啟停和轉(zhuǎn)速，從而水位穩(wěn)定在設(shè)定值，此外通過plc與組態(tài)王的通信，以及遠(yuǎn)程客戶機(jī)與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程客戶端對(duì)給定值，高限，低限的設(shè)置，以及控制方式的選擇，控制參數(shù)的調(diào)整，并通過報(bào)警圖，趨勢(shì)圖對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)硬件具體配置如附表所示。

　　3.3系統(tǒng)軟件配置

　　由上述的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)分成三個(gè)層次，其軟件設(shè)計(jì)也由三個(gè)部分組成:

　　(1) 現(xiàn)場(chǎng)控制層軟件設(shè)計(jì):在這一部分要實(shí)現(xiàn)的功能是水位信號(hào)的采集、pid控制算法的實(shí)現(xiàn)、模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)、控制信號(hào)的輸出等。選用的控制器是西門子s7-300系列的可編程邏輯控制器，因此選擇與之配套的編程軟件step7，它可使用梯形邏輯，功能塊圖或語句表。利用step7編制控制程序，調(diào)試成功后將程序?qū)懭雙lc，這樣plc就可以脫機(jī)運(yùn)行了。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這一控制方案，控制精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，抗干擾能力強(qiáng)。

　　(2) 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì):這一部分主要是作為遠(yuǎn)程客戶機(jī)與下位機(jī)(plc)通信的橋梁，一方面負(fù)責(zé)采集plc數(shù)據(jù)，并將其傳送給遠(yuǎn)程客戶機(jī)，另一方面，接收遠(yuǎn)程客戶機(jī)的控制信息，并將其寫入plc。組態(tài)王自帶s7-300的驅(qū)動(dòng)程序，能方便地得到plc數(shù)據(jù)，并且其網(wǎng)絡(luò)功能較強(qiáng)，能快速實(shí)現(xiàn)基于 tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，因此，我們采用組態(tài)王作為上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境。

　　(3) 遠(yuǎn)程客戶端軟件設(shè)計(jì)

　　這一部分主要是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信以及監(jiān)控畫面的開發(fā)，為了便于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，采用統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境—組態(tài)王，將整個(gè)應(yīng)用程序分配給多個(gè)服務(wù)器，用以提高項(xiàng)目的整體容量結(jié)構(gòu)并改善系統(tǒng)的性能。服務(wù)器的分配可以是基于項(xiàng)目中物理設(shè)備結(jié)構(gòu)或不同的功能，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立專門的io服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、登錄服務(wù)器和web服務(wù)器等。

　　3.4 網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)現(xiàn)及安全管理

　　因?yàn)榻M態(tài)王是完全基于網(wǎng)絡(luò)的，是一種真正客戶/服務(wù)器模式，因此可以將“組態(tài)王”安裝在網(wǎng)絡(luò)版windows98/2000或nt上，并在配置網(wǎng)絡(luò)時(shí)綁定tcp/ip協(xié)議，即可利用其網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　在本系統(tǒng)中我們利用實(shí)驗(yàn)室原有的局域網(wǎng)，將其中1臺(tái)作為服務(wù)器，通過串行口與下位機(jī)(plc)相連，并將該機(jī)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)設(shè)為server，其余計(jì)算機(jī)作為遠(yuǎn)程客戶，將其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)分別設(shè)為client1、client2等，各主機(jī)安裝統(tǒng)一的操作系統(tǒng)windows2000，且都安裝組態(tài)王6.0。完成網(wǎng)絡(luò)連接之后，對(duì)各個(gè)站點(diǎn)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并且定義在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量，報(bào)警數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和引用等等。

　　在此系統(tǒng)中，程客戶端除了可以實(shí)時(shí)監(jiān)控雙容水箱的水位控制情況外，利用網(wǎng)絡(luò)的回寫功能，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改p、i、d參數(shù)，以提高控制效果。為確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，每個(gè)參數(shù)都有一定的修改權(quán)限，只有擁有該權(quán)限的用戶才能修改，這樣就確保了網(wǎng)絡(luò)控制的安全有效性。

　　4 結(jié)束語

　　本文客戶/服務(wù)器模式和瀏覽器/服務(wù)器模式進(jìn)行了分析比較，提出了基于瀏覽器/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。并以實(shí)驗(yàn)室雙容水箱水位控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，深入研究了組態(tài)軟件—組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)功能，并利用該組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而證明了利用b/s模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制的有效性。