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)場設(shè)備到控制、管理的各個層次，基于 internet/intranet的企業(yè)綜合自動化方案已經(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)自動化水平，實現(xiàn)無人職守，而且在很大程度上為企業(yè)生產(chǎn)運作的科學(xué)管理、安全運行和有效維護奠定了堅實的基礎(chǔ)。但是，由于網(wǎng)絡(luò)延時的存在，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和交流變頻器的實時遠(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)所連接的微機群信息處理性能大大提高，因為其分布式處理的特點，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器有效地連接在一起，易于系統(tǒng)的擴展升級，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)費用及系統(tǒng)維護費用高等，而且c/s結(jié)構(gòu)也不能滿足客戶端跨平臺的要求。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

　　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)器的計算結(jié)構(gòu)稱為browser/service(b /s，瀏覽器/服務(wù)器)計算模式，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:

　　(1) 應(yīng)用服務(wù)器的開發(fā)簡單

　　b/s結(jié)構(gòu)是一個包括了客戶、web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的三層結(jié)構(gòu)，涉及到四個組成部分:瀏覽器、web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。這種劃分使得程序的編制簡單，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，只與一個應(yīng)用服務(wù)器通信?？蛻舳双@取數(shù)據(jù)的渠道不止一條。對于非實時數(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)庫即可，不參與客戶端獲取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)這一過程。對實時數(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)庫服務(wù)器對此將一無所覺。

　　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)器端進行動態(tài)交互，而c/s模式采用的是事件驅(qū)動方式。各子站得到現(xiàn)場控制單元的實時信息，并將其寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存，web服務(wù)器將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)動態(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時信息;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)場設(shè)備，實現(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控件對數(shù)據(jù)端口的訪問，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，同時根據(jù)采集的信息發(fā)出相應(yīng)的指令對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。因此，系統(tǒng)的開放性得到很大提高，開發(fā)與維護更加方便。

　　3 基于b/s結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制實例

　　本文研究開發(fā)了一套基于plc和交流變頻器的實時遠(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)是一個雙容水箱水位實時檢測和控制系統(tǒng)，采用一般化的監(jiān)控系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)分成三級:現(xiàn)場控制級(plc)、上位機監(jiān)控級(服務(wù)器)、遠(yuǎn)程控制級(客戶)。實驗臺實現(xiàn)以下功能:

　　(1) 通過對下位機(plc)的程序設(shè)計，使其能實現(xiàn)對水位的pid控制和模糊控制。

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

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

　　(4) 遠(yuǎn)程客戶與上位機通過實驗室局域網(wǎng)通信，使遠(yuǎn)程客戶能瀏覽水位實時趨勢圖和歷史趨勢圖，并能進行控制參數(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

　　整個水位網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工藝流程的設(shè)計如下所述:通過plc控制程序?qū)λ贿M行pid控制和模糊控制，把運算的結(jié)果輸出到變頻器，來控制交流馬達的啟停和轉(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)程客戶機與上位機的通信，實現(xiàn)在遠(yuǎn)程客戶端對給定值，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，并通過報警圖，趨勢圖對水位進行監(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)，整個系統(tǒng)分成三個層次，其軟件設(shè)計也由三個部分組成:

　　(1) 現(xiàn)場控制層軟件設(shè)計:在這一部分要實現(xiàn)的功能是水位信號的采集、pid控制算法的實現(xiàn)、模糊控制算法的實現(xiàn)、控制信號的輸出等。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就可以脫機運行了。通過實驗，驗證了這一控制方案，控制精度高，運行平穩(wěn)，抗干擾能力強。

　　(2) 上位機軟件設(shè)計:這一部分主要是作為遠(yuǎn)程客戶機與下位機(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，另一方面，接收遠(yuǎn)程客戶機的控制信息，并將其寫入plc。組態(tài)王自帶s7-300的驅(qū)動程序，能方便地得到plc數(shù)據(jù)，并且其網(wǎng)絡(luò)功能較強，能快速實現(xiàn)基于 tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，因此，我們采用組態(tài)王作為上位機軟件開發(fā)環(huán)境。

　　(3) 遠(yuǎn)程客戶端軟件設(shè)計

　　這一部分主要是實現(xiàn)與上位機的通信以及監(jiān)控畫面的開發(fā)，為了便于實現(xiàn)與上位機的通信，采用統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境—組態(tài)王，將整個應(yīng)用程序分配給多個服務(wù)器，用以提高項目的整體容量結(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)控制的實現(xiàn)及安全管理

　　因為組態(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)時綁定tcp/ip協(xié)議，即可利用其網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　在本系統(tǒng)中我們利用實驗室原有的局域網(wǎng)，將其中1臺作為服務(wù)器，通過串行口與下位機(plc)相連，并將該機網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識設(shè)為server，其余計算機作為遠(yuǎn)程客戶，將其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識分別設(shè)為client1、client2等，各主機安裝統(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，對各個站點設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并且定義在網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)據(jù)交換的變量，報警數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲和引用等等。

　　在此系統(tǒng)中，程客戶端除了可以實時監(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)的安全運行，每個參數(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)。并以實驗室雙容水箱水位控制系統(tǒng)為研究對象，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)軟件實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，進而證明了利用b/s模型進行網(wǎng)絡(luò)控制的有效性。