基于WINCC的工业远程通讯.docx
《基于WINCC的工业远程通讯.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于WINCC的工业远程通讯.docx（90页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于WINCC的工业远程通讯
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名：
学号
学院：
专业：
设计题目：
专题：
指导教师：
职称
2011年06月10徐州
中国矿业大学毕业设计任务书
学院专业年级学生
任务下达日期：
2009年12月27日
毕业设计日期：
2011年3月1日至2011年6月18日
毕业设计题目：
基于WINCC的工业远程通讯
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
工业远程通讯中基于Internet的方式主要有建立VPN以及建立OPC和OPC-XML服务器/客户端等几种。
在目前的工业控制中，WINCC是使用比较广泛的上位机组态软件。
本文使用WINCC进行上位机界面的组态并通过OPC-XML、Web页面发布和VPN与OPC相结合三种方式实现过程值的远程监控。
其主要内容为：
1.了解并学习VPN，OPC及OPC-XML的原理
2.学习并掌握WINCC各个组件的安装与授权方式
3.用WINCC组态一个煤矿皮带运输系统的上位机监控界面
4.用OPC-XML服务器/客户端的方式实现远程过程值通讯
5.用Web发布的方式在同一网段内实现过程画面的监控
6.用VPN和OPC结合的方式实现跨网段的过程值通讯
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
本文介绍了工业控制系统从直接控制系统到集散式控制系统再到工业现场总线控制系统的发展过程。
在此基础上，介绍了一般工业远程控制的结构功能，并重点讨论了远程控制实现的方法以及各种方法的特点和适用场合。
然后，本文以一个煤矿的皮带运输系统为例，组态了上位机控制界面，实现了皮带机、给煤机等工业设备的远程监控。
该方案使用西门子公司的工业组态软件WINCC进行上位机的组态监控。
系统包括五条皮带机，八台给煤机以及报警设备和照明设备。
为每台设备的运行状况都设置了相应的变量。
其中，出了皮带机的速度和其驱动电机电枢电流外没有采用二进制变量外，其余都采用了开关了开关量控制。
组态画面形象地反映了当前各个设备运行的状态，并能通过变量记录查看变量的归档文件。
在组态好上位机软件后，分别采用OPC-XML客户机/服务器和Web发布两种方式实现了远程监控。
OPC-XML是OPC协议中近几年出现的版本。
在WINCC7.0中专家模式下集成了该功能。
通过WINCCOPC-WMLCLIENT对WINCCOPC-XMLSERVER的访问实现了变量的远程读写操作。
通过WebNavigator发布的页面可以使同一网段内的计算机在线浏览控制界面，从而进行远程控制。
最后进行了基于VPN的OPC连接,解决了OPC只能在同一网段内使用的局限。
所有访问和连接都是以本机为服务器和客户端测试的。
关键字：
工业控制远程控制上位机界面WINCCOPC-XMLWebNavigatorVPNOPC
Abstract
ThispaperintroducesthedevelopmentfromComputerControlSystemtoDistributedControlSystemtoFieldbusControlSystemofIndustrialControlSystem.Thenthispaperintroducesthetypicalstructureofindustrialremotecontrolsystemandexplainsthefunctionofeachpartwhilediscussingfeaturesandapplicablesituationsofdifferentrealizationsofremotecontrol.Atlast,thispapertakeabeltconveyorsystemofamineasexampleconfiguresauppercomputerinterface,whichisabletocontrolbeltconveyorsandfeedersremotely.
ThisplanusestheconfigurationsoftwareSIMATIACWINCCtoconfiguretheuppercomputertomonitortheprocess.Thesystemincludesfivebeltconveyors,eightfeeders,alarmdevicesandlightingequipments.Everydevicehasoneormoretagstorepresentthesituationofthedevice.Apartfromthearmaturecurrentofbeltconveyor’sdrivemotorandthespeedofbelt,thetagsareallbinaryvariable.
Theconfigurationinterfacedisplaystherunningstateofeverydeviceandprovidestagloggingservice.Aftertheconfiguration,theremotecontrolisrealizedthroughtwomethods:
OPC-XMLC/SandWebNavigator.OPC-XMLisanewversionofOPCwhichhasbeenestablishedjustforyears.IntheexpertmodeofWINCCtheOPC-XMLisintegrated.ThroughthevisitofOPC-XMLCLIENTtoOPC-XMLSERVERtagscanbeprocessedremotely.Throughwebpublishingcomputersinonenetcanbrowsingtheinterfacetotakeremotecontrol.Atlast,VPNbasedOPCisrealized.AlltestsiscompletedwithonePCactasserverandclient.
Keywords:
industrialcontrolremotecontroluppercomputerinterfaceWINCCOPC-XMLWebNavigatorVPNOPC
1绪论
1.1工业控制系统的发展
计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。
最早在50年代中后期，计算机就已经被应用到控制系统中。
60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制（DirectDigitalControl,DDC）。
70年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期，1975年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系统（DistributedControlSystem,DCS）。
进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。
80年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的DDC控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。
于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到大量应用。
进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存在很大困难。
从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是4~20mA/24VDC信号，而是数字信号，这就是现场总线。
由于它解决了网络控制系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。
从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。
1.2集散式控制系统
DCS（DistributedControlSystem）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化的控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
集散控制系统一般有以下四部分组成：
1.现场控制级又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。
输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。
这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。
比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。
它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。
在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。
拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。
它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。
至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。
由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。
2.过程控制级又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。
生产工艺的调节都是靠它来实现。
比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。
3.过程管理级DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。
操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况。
这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。
是DCS的核心显示、操作跟管理装置。
操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。
这一级别在军队中算是很高的“上校”了。
它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。
4.经营管理级又称上位机，功能强、速度快、容量大。
通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。
这是全厂自动化系统的最高一层。
只有大规模的集散控制系统才具备这一级，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。
它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。
DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有系统构成灵活的特点。
从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。
你可以把他现象成“因特网”。
根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。
系统组态很灵活。
1.3现场总线控制系统
FCS（FieldbusControlSystem），现场总线控制系统，是以现场总线技术为核心，随着计算机与电子技术的发展以及当今对自动化控制系统数字化、智能化、网络化的要求而产生。
它通过现场总线，将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备何通信设备连接成网络系统，连接在总线上的设备之间可直接进行数控传输和信息交换，同时，现场设备和远程监控计算机也可实现信息传输。
但FCS系统同样存在着互操作问题，现有的各种现场总线系统采用了完全不同的通信协议。
要实现这些总线的相互兼容和互操作，几乎是不可能的。
随着以太网特别是高速以太网技术的发展，以太网控制系统也成为工业控制系统的发展方向。
几乎所有的网络编程语言都支持以太网应用开发。
当前，现场控制网络与企业信息网络的集成也成为共控网络发展的重要课题。
越来越多的企业建立了Intranet网络，该网络对外可以接入Internet，与全球信息网融为一体，对内则可实现内部的信息交流与资源共享。
由于控制网络成为企业信息网的底层部分，管理部门以及相关部门都可以监控到生产现场的实时状况，从而能更有效地进行决策管理，提高企业的竞争力。
现场总线控制系统构成：
系统中的输入输出节点虽然有许多不同的类型，但在应用中最常用的是24V直流的2线、3线传感器或机械触点。
该节点具有IP67的防护等级，有防水、防尘、抗振动等特性，适合于直接安装在现场。
另一个节点是端子式节点，独立的输入/输出端子块安装在DIN导轨上，并连接着一个总线耦合器。
该总线直流耦合器是连接总线的网关。
这种类型的节点是开放式的结构，其防护等级为IP20，它必须安装在机箱中。
端子式输入/输出系统包含有许多种开关量与模拟量输入/输出模块，以及串行通讯、高速计数与监控模块。
端子式输入/输出系统可以独立使用也可以结合使用。
而节点地址连接一个辅助电源，该电源用于驱动电磁阀和其他的电器设备。
通过将辅助电器与总线电源分开可以极大地降低在总线信号中的噪音。
另外大部分总线节点可以诊断出电器设备中的短路状态并且报告给主控器，即使发生短路也不会影响整个系统的通讯。
普通传感器等现场装置可以通过输入输出模块连接到现场总线系统工程中，也可以单独装入总线通讯接口，连接到总线系统中。
总线电缆和终端电阻。
总线电缆一般分为主干缆和分支电缆。
各种总线协议对于总线电缆的长度都有所规定，不同的通讯波特率，对应不同的总线电缆长度。
同时，分支电缆的长度也是有所限制的。
网络的最后部分是终端电阻。
在一些总线系统中。
这个终端电阻只是连接到两数据线的简单电阻。
它是用来吸收网络信号传输过程中的剩余能量。
现场总线控制系统的特点：
具有较高的性能价格比。
系统综合成本及一次性安装费用减少40%。
由于导线、连接附件的大幅度的减少。
使原来的几百根，甚至几千根控制电缆减少到一根总线电缆，从而也使接线端子、电缆桥架等附件大幅度的减少。
所以设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少，维护和改造的停工时间减少60%。
原来繁琐的原理图、布线图设计变得简单易行；标准接插件快速、简便的安装，使人力、物力大量的减少；强大的故障诊断能力，使系统的调试和维护工作量大幅减少。
1.4总结
本章介绍了工业控制系统的发展进程，重点分析了DCS和FCS的各自组成及特点。
从上文可以看出，FCS和DCS有着本质的差别：
DCS系统的关键是通信。
也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。
由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。
数据公路的媒体可以是：
一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。
FCS的关键要点有三点：
FCS系统的核心是总线协议，即总线标准前文已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定；FCS系统的基础是数字智能现场装置；数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制；FCS系统的本质是信息处理现场化对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。
实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。
现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。
2工业远程控制系统
2.1工业远程控制网络典型结构
从总体结构来讲，工业远程控制系统主要可以分为三个层次：
管理层、控制层和现场设备层。
其具体结构如图2-1所示。
图2-1工业控制网络结构
设备层，控制层和管理层各自功能如下：
设备层。
底层的工业现场设备通过工业现场总线连接起来，并通过现场总线接收来自控制层的命令和监视。
现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种“全数字化，双向．多变量，多点多站的通信系统”其本质含义表现在以下六个方面：
现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能模块和开放式互连网络。
现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，依照现场总线的协议标准，设备采用功能块的结构，通过组态设汁，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能；此外，通过智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。
控制层。
从现场设备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。
控制层的功能一般由上位计算机完成，一方面，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；另一方面，通过专门的现场总线接口（转换器）实现现场总线网段与以太网段的连接。
其关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的正确解释和传输。
控制层除上述功能外，还为实现先进控制利远程操作优化提供支撑环境。
管理层。
主要是办公自动化系统，同时从监控层提取有关生产数据用于制定综合管理决策。
管理层一般使川通用以太网，方便操作，并可连入外部网络。
在互联网诞生之前，远程控制网络传输数据一般使用的是公用电话网（PSTN）或者一些专用网络。
2.2远程通讯技术
随着信息技术的发展，远程通讯的方法变得十分多样化。
每种方法各自有着
的优缺点，分别适应不同条件和要求下的远程控制。
下面将分别介绍几种比较成熟的远程通讯技术。
2.2.1基于PSTN电话网络的远程控制系统
PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork）定义公共交换电话网络，一种常用旧式电话系统。
即我们日常生活中常用的电话网。
工作原理公共交换电话网络是一种全球语音通信电路交换网络，包括商业的和政府拥有的。
所谓公用电话交换网（PSTN——PublicSwitchTelephoneNetwork），即我们日常生活中常用的电话PSTN网。
众所周知，PSTN是一种以模拟技术为基础的电路交换网络。
在众多的广域网互连技术中，通过PSTN进行互连所要求的通信费用最低，但其数据传输质量及传输速度也最差，同时PSTN的网络资源利用率也比较低。
通过PSTN可以实现的访问有拨号上Internet/Intranet/LAN；-两个或多个LAN之间的网络互连和其它广域网技术的互连尽管PSTN在进行数据传输时存在这样或那样的问题，但这是一种仍不可替代的联网介质（技术）。
特别是Bellcore发明的建立在PSTN基础之上的xDSL技术和产品的应用拓展了PSTN的发展和应用空间，使得联网速度可达到9Mbps～52Mbps之间。
PSTN提供的是一个模拟的专有通道，通道之间经由若干个电话交换机连接而成。
当两个主机或路由器设备需要通过PSTN连接时，在两端的网络接入侧（即用户回路侧）必须使用调制解调器（Modem）实现信号的模/数、数/模转换。
从OSI七层模型的角度来看，PSTN可以看成是物理层的一个简单的延伸，没有向用户提供流量控制、差错控制等服务。
而且，由于PSTN是一种电路交换的方式，所以一条通路自建立直至释放，其全部带宽仅能被通路两端的设备使用，即使他们之间并没有任何数据需要传送。
因此，这种电路交换的方式不能实现对网络带宽的充分利用。
PSTN的入网方式比较简便灵活，通常有以下几种：
通过普通拨号电话线入网。
只要在通信双方原有的电话线上并接Modem，再将Modem与相应的上网设PSTN备相连即可。
目前，大多数上网设备，如PC或者路由器，均提供有若干个串行端口，串行口和Modem之间采用RS-232等串行接口规范。
这种连接方式的费用比较经济，收费价格与普通电话的收费相同，可适用于通信不太频繁的场合。
通过租用电话专线入网。
与普通拨号电话线方式相比，租用电话专线可以提供更高的通信速率和数据传输质量，但相应的费用也较前一种方式高。
使用专线的接入方式与使用普通拨号线的接入方式没有太大的区别，但是省去了拨号连接的过程。
通常，当决定使用专线方式时，用户必须向所在地的电信局提出申请，由电信局负责架设和开通。
经普通拨号或租用专用电话线方式由PSTN转接入公共数据交换网（X.25或Frame-Relay等）的入网方式。
利用该方式实现与远地的连接是一种较好的远程方式，因为公共数据交换网为用户提供可靠的面向连接的虚电路服务，其可靠性与传输速率都比PSTN强得多。
2.2.2基于专线网络的远程控制系统
笼统来说，专线网络就是网络服务提供商给用户提供专用的信道，让用户的数据传输变得可靠可信，专线的优点就是安全性好，QoS可以得到保证。
不过，专线租用价格也相对比较高，而且管理也许要专业人员。
目前应用比较广泛的专线网络主要有：
帧中继（FrameRelay）、数字数据网（DDNDigitalDataNetwork）、异步传输模式（ATMAsynchronousTransferMode）、X.25（分组交换业务网）、第三代ADSL（非对称用户数字链路）、虚拟专用网络（VPNVirtualPrivateNetwork）以及E1等，其中DDN应用最为广泛。
DDN是数字数据网DigitalDataNetwork的英文简称，是利用数字信道传输数据信号的数据传输网。
它可向用户提供专用的数字数据传输信道，为用户建立专用数据网提供条件。
它的传输媒介有光缆、数字微波、卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线。
DDN向用户提供的是半永久性数字连接，
升级会员 