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    引言 
     
     九十年代以來，隨著Internet的廣泛應用，計算機技術和網絡技術得到迅速發展，促使其相關技術也逐漸走向成熟。這些不僅對人們傳統的生活方式產生了巨大的沖擊,而且對其他領域技術的發展也帶來了深刻的影響。網上圖書館,電子商務和網上虛擬醫院已被大家所熟悉,而基于Internet的遠程測控技術更引起工業界的廣泛關注,并在核電站監控、石油的輸送管道遠程監測、電網運行監控和機器人的遠程控制等領域得到應用。基于Internet的遠程測控系統實現了數據共享,具有信息傳遞快捷和交互性強等特點,推動著控制技術向著網絡化、分布性和開放性的方向發展,這種發展趨勢使控制系統功能的擴展更加靈活,性能不斷提高，使用更加簡便。
    
     基于Internet遠程測控系統的構成 
     
     二十世紀六十年代后期,Internet首先在美國出現,八十年代得到廣泛的使用。尤其九十年代至今，Internet已經變成覆蓋全世界的計算機網絡,再加上網絡技術的日臻成熟和其給人們提供的數據共享、信息傳遞快捷可靠、不受時空限制和交互性等優點,使因特網已經成為信息時代的主要信息載體,并引起工業界和學術界的廣泛關注。 
     
     Internet是采用基于開放系統的網絡參考模型TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)模型.TCP/IP與開放系統互聯模型ISO（Open System Interconnection）不同，它有四層：應用層、運輸層、網絡互連層和主機和網絡連接層如表1。
   

     表1. TCP/IP參考模型

   
     應用層（FTP SMTP HTTP Telnet）
 
     運輸層（TCP UDP）
 
     網絡互連層（IP） 

     主機和網絡連接層
     　　
    主機和網絡連接層:該層在TCP/IP參考模型中不作定義,只要讓主機發送的IP報文能夠經連接層進行傳送。 
     
     網絡互連層:該層定義了互連網絡協議(IP)的報文格式和傳送過程。該層的工作負責把IP報文從源端送到目的端,協議采用非連接傳輸方式,不保證IP報文順序到達。負責解決路由選擇,跨網絡傳送等問題。 
     
     運輸層:該層定義了傳輸控制協議(TCP),它是面向連接的,在兩個對待實體(既可以是軟件實體如一個進程,也可以是硬件實體如智能輸入輸出芯片)間進行可靠傳輸的協議。它保證源終端發送的字節流毫無差錯地順序到達目的終端。該層還定義了另一個傳輸協議:用戶數據包協議(UDP),它是一個不加差錯控制、非連接的傳輸協議。 
     
     應用層：它是TCP/IP系統的終端用戶接口,該層包含了目前流行的、面向應用的協議,如:虛擬終端(Telnet)、文件傳輸協議(FTP)、超文本傳輸協議(HT-TP)、電子郵件協議(SMTP)等。 
     
     Internet得到快速的發展和廣泛的應用不僅得益于采用了國際通用標準TCP/IP協議,更重要的是C/S(Client/server)技術的實現。目前基于瀏覽器的客戶端/服務器的通信方式比C/S結構更為高效。B/S工作模式下,用戶只需在客戶端裝有通用的瀏覽器,就可以向網絡上的某一WEB服務器提出請求。WEB服務器對用戶身份進行驗證后,接受用戶的請求,執行相應的擴展應用程序與數據庫服務器進行連接,數據庫服務器接受WEB服務器對數據操作請求后,實現用戶對數據查詢、更改、更新等功能,把運行結果提交給WEB服務器。WEB服務器利用HTTP協議把運行結果通過主頁形式傳到客戶端,客戶機接收傳來的主頁文件,并把它顯示在WEB瀏覽器上。 
     
     計算機網絡技術發展的同時,工業控制系統也為適應控制系統越來越復雜的控制要求和滿足系統多功能的需要,出現了直接數字控制(DDC)系統、監督控制(SCC)系統、分級控制系統、集散型控制系統(DCS)和現場總線控制系統(FCS)。早期的控制系統DCC和SCC都是采用微處理器、PC、工控機為核心,總線為STD和PC,機的ISA、MULTIBUS、PCI總線等,這些總線由于采用集中式控制方式,降低了系統的可靠性,同時現場連線長且多,系統抗干擾性差。后來出現了集散控制系統,如日本的TDCS-2000系統和美國貝利控制公司的NETWORK-90系統等，它采用多臺微處理器分散在現場進行控制，總線為高速數據通道（HDW）。由于受計算機系統早期存在的系統早期存在的系統封閉這一缺陷的影響,各廠家的產品自成系統,不同廠家的設備不能互連,難以實現互換和互操作,另外系統聯網技術復雜,聯網手段和網絡結構不靈活。 
     
     目前,出現了最具生命力的工業控制系統――現場總線控制系統(FCS),現場總線是應用于生產現場,在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統,它的關鍵是把網絡化、信息化的概念徹底引人到控制領域和工業現場的控制中,構建完整的控制網絡和信息網絡。FCS系統突破了DCS系統中通信由專用網絡的封閉系統來實現所造成的缺陷,把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案,把控制功能完全下放到現場,依靠現場智能設備本身便可實現基本控制功能。 
     
     現場總線既是新興的工業控制系統,又是低帶寬的底層控制網絡。它可以與因特網(Internet)、企業內部網(Intranet)相連,位于生產控制和網絡結構的底層。它具有開放統一的網絡協議,一方面將現場設備互連為通信網絡,實現不同網段、不同現場通信設備間的信息共事,同時又將現場運行的各種信息傳送到遠離現場的控制監測室,并進一步實現與操作終端、上層控制管理網絡的連接和信息共事。再把一個現場設備的運行參數、狀態和故障信息送往各相關的控制室,又將各種控制、維護、組態命令乃至現場設備的工作電源等送往各相關的現場設備,溝通了過程、現場、控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯系。 
     
     現場總線技術從工業現場設備底層向上發展,逐步擴展到網絡化,開放性和分布性s計算機網絡從互連網Internet頂層向下滲透,直至和底層的現場設備可以通信。基于Internet遠程測控系統應運而生,它通過現場控制網絡(或現場總線)、企業網和Internet網把分布于各局部現場、獨立完成特定功能的控制計算機互連起來,以達到資源共事、協同工作、遠程監測和集中管理、遠程診斷為目的的全分布式設備狀態監測和故障診斷系統,它是Internet、WEB數據庫技術、TCP/IP網絡通訊技術、現場總線技術、瀏覽器技術、設備故障診斷技術發展的產物。系統組成如圖1。 
     
     

 
     
     基于Internet遠程測控系統的主要有以下幾部分組成:數據庫和WEB服務器;現場測控設備;監控設備;交換式以太網;瀏覽器等。交換式以太網是數據主通道,由于目前企業局域網。ntramt)廣泛采用以太網技術,較ATM戚本低、易實現,且以太網技術發展迅速,吉比特以太網產品已推向市場,并向下兼容,可以采用全雙工通信,消除發生沖突的可能。現場測控設備完成現場設備的數據采集和監測控制,上面可以是智能模塊如模糊控制,還可以PID模塊,使得控制功能下放；同時,設備運行狀態通過以太網的TCP或UDP傳送到遠程監控設備處理和顯示,這些數據并廣播存入數據庫中。遠程監測設備可以進行簡單的故障檢測和分析,把結果告訴現場測控設備,或通過Telnet技術直接控制調整現場設備。還可以擁有故障診斷數據庫進行知識的學習,解決更復雜的現場問題。瀏覽器可以是授權的客戶,允許通過HTTP查看或調度系統資源信息,優化系統整體運做。從圖1中可以看出現場設備可以直接接在以太網上,如網絡儀表,網絡傳感器和網絡PLC等,也可以是通過通信控制器把現場總線(HART總線、CAN總線、LONWORKS總線等)和以太網連在一起。
    
     系統實現的關鍵技術 
     
     要真正實現基于Internet遠程測控,不僅要考慮原有網絡技術和控制技術的特點,還要考慮現有系統的新特性。比如數據傳輸的可靠性和準確性,數據通信的準確性是遠程測控系統的首要要求,沒有可靠的數據是不可能進行控制的。還有某些設備的實時性要求,必須保證其優先級,另外協議的簡單化可實現少延遲,快速投遞;網絡數據庫的連接和更新不僅是動態的、實時的,而且要有高的編程效率和很好的兼容性;TCP/IP協議和現場總線協議的兼容性,真正達到數據暢通無阻。下面就部分關鍵技術進行討論: 
     
     1.網絡數據庫技術 
     
     在Internet上實現遠程測控,首先要通過Internet獲得系統的設備狀態和故障信息,同時又要讓遠程監控設備或故障診斷系統在異地的數據庫上得到查詢。Internet的WEB服務器包含的信息量巨大,覆蓋區域廣,以前它主要采用HTML編寫,表現形式多樣,表現力強。但用HTML所組成的是一種靜態文件,不適應WEB上數據的實時、動態更新,很難滿足設備的實時性要求。 
     
     目前,基于組件的數據庫技術刊實現了在分布異構下可重用、可移植、可互操作。組件是一個分布對象,規定了組件必須按照統一的接口規范向外界聲明服務;組件也是一塊獨立可重用的二進制代碼,它既可以用不同平臺開發,也可以分布在網絡上的不同平臺上,被不同的平臺所重用。由對象管理組織OMG(Object Management Group)推出的公共對象請求代理CORBA(Common Object Request Broker Architecture)實現了WEB服務器與數據庫服務器的通信接口,它是國際上一個最主要的應用的分布式軟件組件對象標準之一。應用C0RBA對象所提供的數據庫系統可以在多平臺上移植,并可以被其它的CORBA對象調用,具有開放性和可重用性,而且具有良好的可擴充性,增加一個服務功能,只需增加一個接口。應用組件數據庫技術實現的WEB數據庫可以滿足遠程測控系統的需要。 
     
     2.現場總線技術 
     
     作為新一代控制系統的體系結構,現場總線技術具有如下特點: 
     
     (1)實現系統的全分散控制。 
     
     (2)系統的開放性。 
     
     (3)設備的智能化與功能自治性。 
     
     (4)互操作與互用性。 
     
     (5)對現場環境的適應性。 
     
     現場總線的這些特點和傳統控制系統的體系結構相比,具有節省硬件數量和投資、減少安裝費用、降低維護開銷、用戶具有高度的系統集成自主權、提高了系統準確性和可靠性、便于實現基于網絡的遠程監控等優點。 
     
     但目前,由于現場總線技術出現的時間還不長,仍處于發展階段。現在應用的現場總線產品主要是低速總線產品,而高速現場總線產品正展開激烈的競爭。高速現場總線主要應用于控制網絡內的互連,連接控制計算機、PLC等智能程度高、處理速度快的設備,以及實現低速現場總線網橋間的連接。以太網是高性能現場總線的最好選擇,不僅保證實現現場總線與Internet的數字式互連、互操作性和開放性,還可以保證網絡的實時性、可靠性等。采用Ethernet的現場總線可保證技術的持續發展,千兆Ethernet技術已走上成熟,吉比特以太網產品也推向市場,另外Ethernet受到廣泛的軟、硬件開發技術的支持,幾乎所有的編程語言都支持Ethernet的應用開發,例如Java、Visual C++、Visual Basic等。采用Ethernet作現場總線來實現遠程測控,必將推進控制領域的徹底開放,實現控制技術更加迅速的發展。 
     
     以太網采用的是一種隨機訪問協議――帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)介質訪問控制協議,一般認為它不能滿足控制系統的實時性要求。目前在工業控制領域的Ethernet應用中,通過限制總線上是站點總數目,控制網絡流量,使總線保持在輕負載工作條件下,以滿足控制的實時性要求。近些年來出現了快速交換式以太網技術,采用全雙工通信,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便地實現優先級機制,保證網絡帶寬的最大利用率和最好的實時性能。它完全避免了CSMA/CD、主從、令牌等可能的低效率。 
     
     3.遠程監控網絡中的延時處理技術 
     
     系統中的延時處理技術是實現基于Internet遠程監控的關鍵,處理不好將影響整體系統的性能。系統的延時主要有數據采集延時和數據傳輸延時所組成,采集系統一般采用雙緩沖方式,采集延時=采集間隔+緩存點數。一旦采集方式確定,系統的信號延時就主要有網絡傳輸延時決定了。 
     
     對于采用介質訪問控制協議的交換式以太網,來實現遠程測控的網絡系統來說,有兩個有效的方法來解決時延問題。采用全雙工通信快速交換式以太網不會有延遲,也不會產生延遲的不確定性,但目前已安裝的以太網卡90%都只支持半雙工通信方式,系統容易產生“捕獲效應”,導致一個節點獨占傳輸通道,而其它網絡節點都不能傳輸數據。PACE交互訪問技術已把最大訪問延遲降低到實時應用需要的水平,典型的應用是取允許發生的最大沖突次數為6或7,此時,最大訪問延遲在5ms以內。另一個方法就是努力減小通信數據量,可以按照媒體的壓縮方法:按信號工程特性減少信號的冗余信息和按視覺顯示原理降低信號的冗余度,對系統信號進行壓縮,華中理工大學也由此進行了基于工程特征的數據壓縮法的研究實踐,并獲得了滿意的結果。
     
     4.網絡化儀器儀表技術 
     
     微電子技術和Internet技術的發展已使國內外許多廠家正抓緊研制和推廣網絡芯片,從而這樣能使傳統的微控制器或工控機(PLC等)在網上被直接控制。基于Internet遠程測控系統采用此類現場監控設備,將更加保證信息的快捷實時性,減少不必要的通信控制器,實現系統的完全分散控制。 
     
     由武漢力源電子股份有限公司研制并具有產權的WEB接口芯片Webchip,既具有低成本、易于掌握等優點,又可以使微控制器(MCU)應用系統與Internet實現便捷連接。PS2000是WEB接口芯片中的一種,它主要由核心控制單元、UART、嵌入式Modern接口模塊、標準Modern接口模塊、RS485收發控制單元、LED顯示控制、DS2401接口、SPI接口模塊等組成。核心控制單元主要完成通信與協議轉換,PS2000片內駐留有網絡協議解釋與網絡協議編譯程序模塊。它與MCU應用系統的信息交換由17條指令控制;與PC機網關通信時,負責對網絡協議進行規范或解釋。由于PC機網關能提供HTTP服務,可以與計算機瀏覽器接口,故MCU應用系統通過PS2000上網十分方便。 
     
     網絡化技術迅猛發展給儀表技術產生的巨大沖擊,將使遠程測控系統有堅實的基礎。網絡化儀表的發展出現了強大勢頭:測控儀表提供網絡接口,允許通過TCP/IP協議進行遠程控制和信息共事,將成為儀表性能的重要指標之一,中國國防科技大學設計研究的虛擬數字示波器已充分體現新時代儀表的特性；網絡化智能傳感器已開始投入研究陽,也將使測控現場產生深刻的變化。 
     
     5.故障診斷技術 
     
     傳統故障診斷技術采用的專家系統的知識庫是封閉的或半封閉的,其知識庫的構造和知識的輸入與修改均需由設計者來進行。而適合遠程測控系統的故障診斷專家數據庫必須基于WEB數據庫開發式的體系結構,專家系統的設計者只需要完成一個簡單實用的專家系統框架,不需要設計者去填充專家系統的知識庫,知識庫的填充是由系統的維護和使用者在使用的過程中不斷去充實,從故障診斷的成功經驗中提取相關的知識。 
     
     6.網絡安全技術 
     
     隨著Internet應用普及,網絡安全問題日益突出。基于Internet的遠程測控必須把網安全問題放在重要的位置。網絡通信的數據安全主要包括:數據傳輸的安全性,即保證在Internet上傳輸的數據不被第三方竊取;數據的完整性,即數據傳輸過程中不被篡改;身份驗證,保證交換數據時確認對方的真實身份。 
     
     目前,網絡安全已成為數據通信領域的一個重要研究方向,人們研究開發了各種各樣的網絡安全技術來保證網絡通信的安全,采取的安全措施主要有防火墻技術、數據加密技術和身份確認技術等。遠程測控可根據不同的網絡安全要求采取不同的安全措施,對安全有特殊要求的系統,可以采用專用的網絡;對網絡安全要求一般的系統,可使用網絡防火墻,并對數據進行加密。無論采用何種安全措施,最重要要加強網絡安全管理意識。
    
     基于Internet遠程測控的應用與前景 
     
     Internet和工業控制技術的結合,給控制技術帶來了飛速的發展。國內外已積極地開展了遠程控制的應用與研究,并取得良好的效益。 
     
     中國科學院等離子體物理研究所的HT-7超導托卡馬克裝置規模大、參數多。整個系統采用不同類型的計算機,操作系統也不同,而且各個子系統的控制計算機分布在不同的實驗現場,相距甚遠。實驗的特殊性要求控制系統能完成實時控制,而且各功能子系統間的數據傳輸量也大。為實現整個系統的實時監控及診斷保護,系統采用了基于交換式快速以太網的網絡技術,利用基于TCP/IP協議的Socket網絡編程,不僅實現了數據共享、高速可靠的數據傳輸,而且系統具有組網簡單、升級方便和高的性能價格比等優點。 
     
     由西安交通大學開發的基于Internet的快速成型和快速加工技術,只要用戶安裝WWW瀏覽器,就可以通過HTTP獲得遠程服務部TSB(Tele-Service Bureau)在線技術支持和數據交換。比如提供3D CAD文件和物理模型,加工測試數據反饋給TSB等。另外此項目得到國家863計劃的資助。1998年,Swiss Federal技術學院的P.Saucy博士進行了基于Internet的移動機器人的遠程控制實驗。 
     
     現在,基于Internet的遠程測控系統已投人到實際的應用領域,并取得很好的經濟效益,其應用前景是十分廣闊的。在廣泛的工業領域中,可實現數據網絡和控制網絡的集成,即現場總線和計算機網絡融為一體,實現真正的虛擬工廠(Virtual Plant)和虛擬制造(Virtual Manufacture)。遠程測控技術的成熟也將促進其在環境監測、電網監控上巨大作用。另外,基于Internet的遠程測控將使機器人完成更多更復雜的任務,如深海探測、井下作業和空間探測等。
    
     結束語 
     
     基于Internet的遠程測控技術已逐漸走向成熟,必將推進遠程測控系統更廣泛的應用。利用遠程測控系統進行監控,它將實現實時控制、及時消除隱患、提高系統的可靠性,還可以節省人力和財力、消除一些人的不確定因素。另外遠程測控系統將與企業網融合在一起,使企業的生產、管理、銷售和科研真正實現在一個大系統中,使企業的內部資源達到優化配置和外部條件達到最佳利用,在競爭中處于有利位置。