基于Web的远程实时监控系统研究及应用.pdf
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浙江工业大学硕士学位论文基于Web的远程实时监控系统研究及应用姓名：
吴小红申请学位级别：
硕士专业：
控制理论与控制工程指导教师：
王万良20040501浙江工业大学硕士学位论义基于Web的远程实时监控系统研究及应用摘要。
随着网络技术的飞速发展，远程监控技术与网络技术紧密结合起来，本文研究了网络远程监控系统的基本层次模型，对控制网络技术和控制网络与信息网络的集成技术作了详细的讨论。
通过对不同软件结构的比较，提出了基于Web的远程监控方案。
结合远程监控对通信的实时性要求，以实现网络的实时数据交互为目标，在介绍Socket网络通信的基础上，本文研究了基于Web的网络远程实时监控技术，分析了服务器层作为远程监控系统中的中间层，与远程监控浏览器及现场监控服务器进行实时数据通信的方法，对JavaApplet技术，以及OPC技术作了详细介绍。
论文以水电站自动化改造项目为背景，设计了中小型水电站的远程监控系统，提出了基于Web的中小型水电站远程监控系统的具体硬件结构方案和软件的整体设计思路，控制网络采用工业以太网，实现了控制网络与信息网络的融合，应用OPC技术进行数据采集，使用JavaApplet和Socket通信技术解决远程实时通信问题。
根据水电站远程监控系统的设计方案，本文设计了远程实时监控实验系统，详细介绍了该实验系统具体的通信方案，实验服务器的功能和具体实现，远程立体仓库控制实验的网页设计和运行情况。
实验表明，基于Web的远程实时监控方案是可行的。
关键词：
基于Web，远程监控，实时通信，Socket技术，OPC技术浙i工丁业人学硕：
学位论义第一章绪论随着计算机技术的进步，计算机网络技术以一日千里的速度迅速发展。
从1969年第一个分组交换计算机网络的出现到今天，仅仅经过30多年的发展，计算机网络在现代信息社会中的地位已不能由第二种方式取代。
借助计算机网络，企业可以从事各种各样的经营活动，人们可以访问全球信息、娱乐和商务站点。
计算机和网络技术的发展使人类走进了信息时代，跨入了网络社会，以计算机、通讯和多媒体技术为基础的网络技术将成为联结未来信息社会的纽带。
网络将把世界上各个国家和地区联为一体，形成“地球村落”，促进人类的共同发展。
网络化使远程观测、远程信息反馈、远距控制、复杂市场的多方面跟踪监测成为可能，工业社会时代的流水线生产方式将被设计研制、施工生产、销售一体化的生产方式所取代。
计算机网络技术的飞速发展，使远程监控技术的研究进入到一个新的领域一一网络远程监控，使远程监控技术发展到一个新的阶段。
采用网络进行远程监控是计算机网络技术和远程控制技术发展的必然结果，尤其是因特网技术的发展，研究基于因特网的远程监控更是一个新的课题，有着广阔的发展前景。
11远程监控技术概述111远程监控的原理远程监控技术是远程监测与控制技术的结合，远程监测是指在远程获得作业现场的信息，远程控制是指远程发送命令控制作业现场设备的运行状态。
远程监控系统可以划分为：
远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现场设备监测与控制系统三部分。
各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制，远程监控终端系统远距离数据传输系统现场设备监测控制-挖制数据流状态数据流图11远程控制系统模型如图11所示远程控制系统模型。
浙江T业人学砸【：
学位论文
（1）远程监控终端系统远程监控终端系统是用以与现场设备进行交互的远程接El。
从功能角度来看，主要包括远程设备状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参数和状态数据进行必要的处理，以及其他操作。
目前，由于PC机的广泛应用和价格越来越低廉，并且用于远程监控的PC机远离工业现场，所以基于PC机的远程控制端软件技术发展迅速，PC机成为远程监控终端系统的主要操作平台。
（2）远距离数据传输系统远距离数据传输系统作为远程控制的信息的传输通道，进行各类控制数据、监测数据和图像的传输。
传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的操作措施；另一方面传输系统将监控端的控制信息反馈到现场的控制主机，使主机能对设备进行实际的控制。
（3）现场设备监测与控制系统现场监控系统是直接对现场设备进行监测控制的系统，包括现场设备数据监测与控制系统。
在整个远程监控系统中，现场监控系统根据远程监控终端的控制数据对设备进行控制，实时监测设备的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到远程监控端。
现场监控系统实际是一个计算机控制系统，是以计算机为中心的集现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统。
计算机远程监控系统是信息技术发展的产物，它是以计算机为核心、结合多媒体技术、网络技术及工业自动化技术的一种监控网络系统。
远程监控系统不仅能获得作业现场信息并发送到监控中心，通过计算机网络使其能够到达桌面计算机上，与信息管理系统融合在一起，而且可以充分发挥远程控制的功能，使操作者不必亲I临现场就可以控制现场设备的运行。
另外远程监控系统是伴随多媒体技术的发展产生的一种自动化、智能化的应用，它使得人们可以在异地看到现场设备的运作状况，同时对控制设备工作进行操纵，并对历史资料进行保存、管理和检索。
目前，远程监控系统广泛地应用于保安系统、交通系统、工业生产、医学系统、家庭自动化、水利系统、环保系统等各方面。
112远程监控方式分析远程监控是指远程计算机系统通过网络系统（特别是Internet）对现场的控制系统进行监测与控制，而监测和控制的对象是一个物理系统，如电网、生产线、流域水电站等等，它们由计算机系统进行控制和管理，因此远程监控是远程计算机监控现场计算机系统的运行情况。
浙江T业大学硕上学位论文根据控制方式的不同，远程监控可以分以下几类。
（1）保持型的远程监控方式远程监控仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。
这样就要求设备不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备的监控能力。
这种模式可实现远程设备的无人控制，可应用于危险环境、人力不能到达的地方等。
本文所研究的远程监控系统属于此类方式。
（2）完成型的远程监控方式远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程监控系统报告。
设备的操作控制完全在本地进行，设备在本地操作人员的监控下完成加工任务。
（3）完全型的远程控制方式设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控系统完成。
在这种方式中，设备控制系统和设备是分离的，而在设备控制系统内信号的传递速度要求很高，要求系统能够立刻对现场作出反应。
这种控制方式用在些特殊的行业。
（4）人机交互式远程监控方式设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，即设备在远程监控系统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。
在任务执行过程中，可随时建立连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随时在远程监控端采集。
这是目前使用比较多的一种监控方式。
根据通信网络的不同，目前主要研究的远程监控方式主要有：
（1）基于GsM网络的sMS方式的远程监控方式数字式移动通信网络GSM近年来发展迅速，覆盖的范围日益扩大，以及手机应用资费的下调，为远程监控提供了一个新的手段。
GSM系统提供的SMS业务，具有双向通信、具有一定的交互能力，占用GSM网络的信令通道等特点，利用手机的短信功能模块和接收终端可以实现远程监控。
（2）基于Internet的远程监控方式Intemet技术的发展，使得传统的远程监控技术产生了质的飞跃，使远程监控终端的位置更加灵活，真正可以做到随时随地监控。
基于Intemet的远程监控是目前研究的热点。
12远程监控技术的研究现状随着互联网技术的飞速发展，基于Internet的远程监控技术将成为新一代的监控模式。
国内外学者对远程监控技术已进行了深入的研究，主要集中在远程实验浙江工业大学硕I。
学位论文的研究，机器人远程控制的研究以及远程监控应用于工业领域的研究。
1基于Intemet的远程实验远程实验不仅能节省大量的实验资源，并能使实验者在不同的地点相互协助，也是进行远程控制研究的重要装置。
现代实验设备由于其高度的精密和复杂性以及大量的信息获取和处理要求，基本上涵盖网绍化生产与商业的技术问题，使得它成为一个非常好的前期模型。
正因为如此，远程科学实验的研究倍受工业界的关注汜。
基于网络技术的远程实验，将成为2l世纪科学实验室进行开放性研究的重要模式。
目前，国外一些大学已经有了这方面的研究。
澳大利亚RMIT大学设计的虚拟实验用于进行热传递过程的教学o，可以帮助学生快速掌握抽象的概念：
美国TennesseeatChattanooga大学的JimHenery设计的网上工程实验室提供了一系列远程控制实验，如：
压力控制、液面控制、温度控制、速度控制实验等，该远程实验系统由一台web服务器和五台客户机构成的，每台客户机与一套实际的设备相连。
用户通过Intemet访问Web服务器，选择控制参数，然后Web服务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机，客户机收到这些参数后，控制实验设备来完成实验，并把实验数据通过web服务器生成实验结果图，返回给用户。
另外，新加坡国立大雪（NUS）的虚拟实验室洱”允许用户通过Internet进行远程实验，可以实现昂贵实验设备的共享。
上海交通大学的纳米科技研究中心的蔡英文等在分析因特网信息传输机制的基础上，采用协议和客户机服务器模式实现了多用户远程分权控制扫描隧道显微镜仪TCPIPSTM仪器。
应用该软件系统可以对远程设备进行实时控制，同时用户与操作者之间可以进行任意两者之间的语音与视觉交流，从而实现了科学实验的设备无关性，突破了现有科学研究对操作时间与地点的限制，为大幅度提高现有设备的使用效率和创建新的科研模式奠定了基础。
该系统成功地实现了北京上海两地之间的远程演示。
2远程监控在机器人技术中的应用由于机器人控制技术出现较早，国际上对于机器人的远程控制研究要早一些旧1。
早在20世纪60年代，国外就有一些专家学者开始致力于机器人远程控制的研究。
1994年美国南加州大学完成Mercury项目，该项目允许远程用户通过Wcb测览器控制一机械手进行文物挖掘。
英NlBradford大学工业技术系于1996年研制的RoboticTelescope天文望远镜，天文爱好者可通过IntemetjfllWeb浏览器访问其主页，控制望远镜的角度和焦距。
德国Bonn大学开发的用于博物馆导航的Rhino和Minerva旧等则在基于Web的远程自主式移动机器人的两大主要应用领域进行了积极的尝试。
国内的一些高校也进行了类似的研究。
复旦大学计算机系陆璐等人采用三层浙江工业大学颁卜学位沦文模型结构“，提出了一种基于www并利用XML和Java语言的远程监控机器人系统的方案，并在实际系统中进行了应用。
北京航空航天大学机器人研究所将互联网技术、机器人远程控制技术和计算机技术有机结合起来，建立了一个基于互联网的机器人远程实验系统。
操作者可以在任何时间和任何地点通过互联网来控制和操作机器人臂手集成系统。
用户通过互联网可以进行机器人语言的学习、编程及直接控制机器人关节运动，完成一些简单的操作，也可以利用带有力觉和触觉反馈的人机交互设备，在虚拟仿真规划的基础上，完成复杂的操作任务。
3远程监控技术在工业领域中的应用研究对工业过程的远程监控是工业自动化发展的一个重要方向，国际控制基金会2002年在西班牙举行了基于Internet控制研究的研讨会。
许多学者和开发人员已经开始研究设计基于Internet的远程监控技术实现对工业过程的监控。
如SunMicrosoft和cvberonics的一组发酵器的新代控制系统，在这个系统中，由话门子PLC控制的发酵器，由一个SunJavaStation网络计算机监控“劲，由Java应用程序控制温度、PH值等。
由西安交通大学开发的基于Intemet的快速成型和快速加工技术，只要用户安装wwwi刘览器，就可以通过HTTP获得远程服务部TSB（TeleServiceBureau）在线技术支持和数据交换。
比如提供3DCAD文件和物理模型，加工测试数据反馈给TSB等。
杨双华博士研究了基于Intemet的远程监控的层次结构，他把整个过程控制分为四个层次：
全厂范围优化层、监控层、常规层以及过程控制和保护层。
提出实现基于Internet控制的方法是在原有的四个层次上增加个Intemet层，Intemet层与各层的连接可以进行不同方式的远程监控，每一种方式具有不同的特点。
并指出设计和实现Intemet远程控制的关键问题是解决由于Intemet的介入带来的时延不确定性、用户的不确定性等问题“引。
图12为过程控制层次模型及与Intemet的连接示意图。
浙江T业人学坝L学位论文图1-2过程控制的层次结构及与Internet的连接上述远程监控系统典型实例中，系统的连接基本上分为两种类型，一种类型是点对点的连接方式，另一种类型是基于网络的连接方式。
两种类型的共同特点是，整个系统都分为三个部分：
远程客户端、服务器以及控制对象。
它们的区别在于，点对点的连接方式中，服务器与控制对象之间使用串口、数据采集卡或者专用总线进行连接，这种方式的软件结构可采用CS模式，也可以采用BS模式。
基于网络的连接方式中，一般采用BS方式，Web服务器与控制对象分离，控制对象通过串口、总线等与控制计算机连接，Web服务器与控制计算机都处于同一局域网中。
13本课题研究的背景和意义本课题的提出来源于两个项目的研究，其中之一是重点实验室建设项目，实验室具有七套控制实验设备，包括过程控制实验、DCS实验、运动控制实验等。
实现远程监控是该实验室建设项目的一个重要内容。
传统的教学实验方式必须规定学生、教师在相同的时间、实验室进行实验，由于同一时间有一组学生做实验，还必须配备一定量的重复实验设备。
这对于昂贵的实验设备来说，是一种资源的浪费。
远程实验的研究可以解决这个问题，可以灵活地充分利用设备资源和学生浙江I业犬学硕士学位论文的时间，使学生在不同地点共同协助完成实验。
另一方面，远程监控实验的研究为远程监控真正进入到工业应用领域建立了一个模型，在这个模型中，我们可以充分模拟工业现场的工况，为它真正应用到实际应用领域做准备。
另一项目为对于本省某小水电站的自动化改造项目。
我国水电站自动化技术进步的标志之一是“无人值班”（少人值守）的实行。
“无人值班”（少人值守）是推动减人增效、提高管理水平的一项重要举措，其基础是良好的主、辅机设备和监控技术ll“。
中小型水电站是我国电力工业的一支重要力量，由于条件所限，对中小水电站尤其是小水电站的重视程度尚不够，电子信息技术在小水电站的应用比较欠缺，但近年来，已经有了较大的发展。
据不完全统计，有近百座水电站在局部控制和保护方面使用了微电脑开发的产品，如黄岗山水电站实现了无人值班，定时巡视；浙江省盘溪梯级水电站实现了“四遥”（遥测、遥信、遥控、遥调）。
本文就中小型水电站的实际情况进行分析，以安全、经济实用、结构简单为原则，设计了基于Web的水电站远程监控系统。
给出了具体的实拖方案，重点是实现对中小型水电站的“四遥”，由于“四遥”实际上是对远程对象运行状态的监测和运动的远程控制与调节，因此为验证该方案的可行性，本文模拟水电站监控方案在控制实验室中设计了远程实验系统，并作了运动控制器远程控制的实验，实现了立体仓库实验设备的远程监控。
本课题的研究对于自动化系统的远程监控有着重要的意义，基于Web的远程控制实验系统的实现为远程控制技术在工业自动化系统中的应用建立了个很好的前期模型，而基于Web的远程监控在水电站远程监控中的应用为水电站的自动化改造，真正实现无人值班，降低水电站的营运成本，改善工作人员的条件提供了新的方案。
14本文的工作和论文结构本文主要工作如下：
（1）研究和分析远程监控的原理、方式，以及国内外在远程实验、机器人、工业控制领域中的远程监控技术研究现状。
（2）研究网络远程监控系统的层次结构以及各层的功能，对控制网络技术以及控制网络与信息网络的集成技术进行了详细的介绍。
通过对两层CS模式、三层CS模式及多层CS模式的比较，提出基于Web的远程监控方案，并提出具有实时性远程监控系统的基本框架。
（3）以提高实时性为目标，在介绍TCPIP协议和Socket网络通信技术的基础上，研究基于Web的网络远程监控系统中三层之间的数据交互技术，主要包括浙江工业大学硕士学位论文JavaApplet技术、Socket网络通信技术、实时数据库技术及OPC技术等，并对各种通信方式进行分析和比较。
（4）设计基于Web的中小型水电站远程监控系统，详细介绍网络硬件系统的结构和软件设计方案，控制网络采用工业以太网，使用OPC接口实现数据采集，采用Socket通信技术和内嵌Applet的网页实现实时数据的通信。
（5）根据水电站的远程监控方案，设计远程实验监控系统，介绍远程实验室的网络结构，以及实验系统的整体设计，并详细介绍了实验代理服务器和立体仓库实验的实现过程。
本文的论文结构安排如下：
第一章为绪论，介绍远程监控的原理和发展现状，本文在第二章中阐述了网络远程监控系统的结构，并对三个层次的功能、主要的技术作了详细的讨论，并提出基于Web的远程监控系统的方案；第三章研究了基于Web的远程监控系统WBRMS的通信技术；第四章研究了WBRM技术在中小型水电站中的应用，并设计了详细的方案；第五章详细介绍了远程监控实验系统的设计和实现。
第六章是总结和展望。
浙江工业大学颁士学位论文第二章基于网络的远程监控技术远程监控技术是计算机技术和通信技术发展的产物，远程监控的连接方式分为点对点的连接和基于网络的连接方式。
基于网唼各的远程监控技术是企业未来的自动化结构变革的一个重要目标，是实现企业管、控一体化的基础。
本文研究的基于Web的远程监控技术正是在对企业的运作模式和综合自动化改造方向进行分析的基础上提出的，并以实际应用为目标。
21网络监控系统的分层结构基于网络的远程监控系统通常可以分为三层“”：
现场智能设备层、SCADA层、远程监控层。
1现场智能设备层现场智能设备层的核心是现场总线，现场设备则是以网络节点的形式挂接在现场总线上。
依照现场总线的协议标准，底层智能设备采用了功能块的结构，通过组态设计，从而完成数据采集、AD转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制以及阀位补偿等各种模块。
2SCADA监控层网络监控系统的第二层结构是SCADA（数据采集和监控）监控层，这一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。
监控层的功能一般由上位计算机完成，一般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；或者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，这种连接方式使系统配置更加灵活。
监控层处于以太网中，因此它的关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口部分，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。
监控层除了上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。
3远程监控层远程监控层的主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。
首先要将中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工作状况，对生产过程进行实时的远程监控。
用户被赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运浙i工T业大学顺lj学位论文行参数，从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递。
目前，远程监控实现的途径就是通过Intemet，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。
由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。
22控制网络技术221现场总线控制网络1现场总线的特点现场总线本质上是一种控制网络，控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。
为满足这些特性，般只包括ISOOSl7层模型中的3层：
物理层、数据链路层和应用层。
另外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。
综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。
现场总线是工厂底层信息与数据传递的主体，在整个工厂的信息网络中，现场总线处于重要的基础地位。
现场总线与传统的DCS相比，它突破YDCS样I对封闭的限制，它将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。
目前比较有影响的现场总线标准，如：
基金会现场总线（FFFoundationFieldbus）、LonWork总线、ProfibuS、CAN控制局域网等。
现场总线系统（Fcs）与传统的集散控制系统（Dcs）相比，有以下特点：
（1）总线式结构一对传输线（总线）挂接了多台现场设备，双向传输多个数字信号。
这种结构比对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。
（2）开放互操作性现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，而在传统NDCS中，不同厂家的设备是不能相互访问的。
FCS采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成。
（3）彻底的分散控制现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站CPU的计算负担。
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学位论文（4）信息综合、组态灵活通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。
此外，FCS引入了功能块的概念，通过统一的组态方法，使系统组态简单灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路。
（5）多种传输媒介和拓扑结构。
FCS采用了数字通讯方式，因此可以用多种传输介质进行通信。
根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。
这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的旎工带来了极大的方便。
2现场总线控制网络的不足现场总线控制网络的体系结构虽然克服了传统的DCS的技术瓶颈，但也存在不足之处。
（1）随着控制要求的提高，很多场合将要求传输现场设备的图像和视频信息，而现场总线属于低速总线，通信带宽比较窄，传输数据量比较有限，因此系统的
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