基于B/S结构的网络控制系统开发

 1 引言

　　在工业自动化领域里，控制网络正向体系结构的开放性方向发展，信息沟通的领域正迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，基于 internet/intranet的企业综合自动化方案已经成为热门的研究方向。

　　通过internet浏览器相关人员能够进行生产过程的远程监视，远程设备调试和远程设备故障诊断、处理，不但可以提高企业自动化水平，实现无人职守，而且在很大程度上为企业生产运作的科学管理、安全运行和有效维护奠定了坚实的基础。但是，由于网络延时的存在，基于网络的控制系统不可能是一种闭环控制，采用的是远程监督控制方案，而逻辑控制功能由现场设备层完成。

        本文根据这一思想提出基于b/s结构进行的网络控制，并开发了一套基于plc和交流变频器的实时远程控制系统，该系统集工控组态软件、plc技术、变频控制技术，网络通信技术于一体。

　　2 browser /server结构的工业信息监控系统

　　客户/服务器(client/server)技术是目前广泛使用的一种信息处理模式[2]。与传统的集中式信息处理模式相比，它可以减少系统开支，将网络所连接的微机群信息处理性能大大提高，因为其分布式处理的特点，它可以提高系统的可靠性，此外，由于其采用模块化及开放式体系结构，使得它容易将不同的机器有效地连接在一起，易于系统的扩展升级，提高了系统的灵活性。但其也存在许多潜在的缺陷[3]，诸如布局困难、培训费用及系统维护费用高等，而且c/s结构也不能满足客户端跨平台的要求。因此，本文利用browser /server结构建造工业信息监控系统。

　　2.1 browser/server体系结构的特点

　　随着internet/intranet技术和应用的发展，www服务成为核心服务，用户可通过浏览器browser统一的界面上，完成网络上各种服务和应用功能。这种在20世纪90年代中期发展的，基于浏览器、web服务器和应用服务器的计算结构称为browser/service(b /s，浏览器/服务器)计算模式，b/s模式继承传统的c/s(客户/服务器)模式中的网络软、硬件平台和应用，但克服了c/s模式的上述缺陷，这种新的结构具有下列优点:

　　(1) 应用服务器的开发简单

　　b/s结构是一个包括了客户、web服务器和应用服务器的三层结构，涉及到四个组成部分:浏览器、web服务器、数据库服务器、应用服务器。这种划分使得程序的编制简单，例如应用服务器不必过多地考虑和客户端的通讯问题，大量的与客户端的数据传输由数据库服务器和web服务器完成，使开发者能够把更多的精力放在功能的完善上。

　　(2) 有许多现成的可供选择的外围程序

　　web服务器和数据库服务器可以采用现成的产品，只有应用服务器需要自己开发，而且由于web服务器负责与数据库服务器和客户端浏览器的一部分通信，减轻了应用服务器的开发负担。

　　(3) 客户端获取数据更加容易

　　采用b/s结构，最直接的和最大的变化体现在客户端上。客户端不再像传统的c/s结构中那样，只与一个应用服务器通信。客户端获取数据的渠道不止一条。对于非实时数据，浏览器可以直接向web服务器发出数据查询请求，而应用服务器只要负责把数据写入数据库即可，不参与客户端获取数据库中的数据这一过程。对实时数据，浏览器通过页面内嵌的activex控件，直接与应用服务器通信，而web服务器和数据库服务器对此将一无所觉。

　　2.2 browser/server结构的工业信息监控系统

　　b/s结构的工业信息监控系统是c/s结构的延伸，它们的网络结构基本相同，只是服务器端的功能更加分散，基本框图如图1所示。

　　工业信息监控系统采用b/s模式，客户端直接通过浏览器与服务器端进行动态交互，而c/s模式采用的是事件驱动方式。各子站得到现场控制单元的实时信息，并将其写入数据库服务器保存，web服务器将数据库服务器的实时数据动态发布到网上，客户端便能通过浏览器方便的得到这些实时信息;另一方面，客户端的控制信息也可以通过web服务器写入各子站，再由子站将数据写入现场设备，实现远程控制。b/s模式下浏览器代替专门的客户端软件，用户通过浏览器获得自己权限内的企业内部数据信息，同时做出决策。按照tcp/ip通信协议和www规范，通过嵌在web页面activex控件对数据端口的访问，实现现场数据的远程采集，同时根据采集的信息发出相应的指令对现场设备进行控制。因此，系统的开放性得到很大提高，开发与维护更加方便。

　　3 基于b/s结构的远程控制实例

　　本文研究开发了一套基于plc和交流变频器的实时远程控制系统，该系统集工控组态软件、plc技术、变频控制技术，网络通信技术于一体。

　　3.1 系统总体结构

　　本系统是一个双容水箱水位实时检测和控制系统，采用一般化的监控系统分层结构，整个系统分成三级:现场控制级(plc)、上位机监控级(服务器)、远程控制级(客户)。实验台实现以下功能:

　　(1) 通过对下位机(plc)的程序设计，使其能实现对水位的pid控制和模糊控制。

　　(2) 通过通讯电缆实现下位机(plc)与上位机(组态王)的通讯。

　　(3) 通过对上位机工控软件的开发，使其能采集现场数据，并将客户端的用户信息写到下位机(plc)。

　　(4) 远程客户与上位机通过实验室局域网通信，使远程客户能浏览水位实时趋势图和历史趋势图，并能进行控制参数的调节，选择控制方式，以及紧急事故处理(启停泵)系统框图如图2所示。

3.2 系统硬件配置

　　整个水位网络控制系统的工艺流程的设计如下所述:通过plc控制程序对水位进行pid控制和模糊控制，把运算的结果输出到变频器，来控制交流马达的启停和转速，从而水位稳定在设定值，此外通过plc与组态王的通信，以及远程客户机与上位机的通信，实现在远程客户端对给定值，高限，低限的设置，以及控制方式的选择，控制参数的调整，并通过报警图，趋势图对水位进行监控。系统硬件具体配置如附表所示。

　　3.3系统软件配置

　　由上述的网络结构，整个系统分成三个层次，其软件设计也由三个部分组成:

　　(1) 现场控制层软件设计:在这一部分要实现的功能是水位信号的采集、pid控制算法的实现、模糊控制算法的实现、控制信号的输出等。选用的控制器是西门子s7-300系列的可编程逻辑控制器，因此选择与之配套的编程软件step7，它可使用梯形逻辑，功能块图或语句表。利用step7编制控制程序，调试成功后将程序写入plc，这样plc就可以脱机运行了。通过实验，验证了这一控制方案，控制精度高，运行平稳，抗干扰能力强。

　　(2) 上位机软件设计:这一部分主要是作为远程客户机与下位机(plc)通信的桥梁，一方面负责采集plc数据，并将其传送给远程客户机，另一方面，接收远程客户机的控制信息，并将其写入plc。组态王自带s7-300的驱动程序，能方便地得到plc数据，并且其网络功能较强，能快速实现基于 tcp/ip协议的网络通信，因此，我们采用组态王作为上位机软件开发环境。

　　(3) 远程客户端软件设计

　　这一部分主要是实现与上位机的通信以及监控画面的开发，为了便于实现与上位机的通信，采用统一的开发环境—组态王，将整个应用程序分配给多个服务器，用以提高项目的整体容量结构并改善系统的性能。服务器的分配可以是基于项目中物理设备结构或不同的功能，用户可以根据系统需要设立专门的io服务器、历史数据服务器、报警服务器、登录服务器和web服务器等。

　　3.4 网络控制的实现及安全管理

　　因为组态王是完全基于网络的，是一种真正客户/服务器模式，因此可以将“组态王”安装在网络版windows98/2000或nt上，并在配置网络时绑定tcp/ip协议，即可利用其网络功能实现远程控制。

　　在本系统中我们利用实验室原有的局域网，将其中1台作为服务器，通过串行口与下位机(plc)相连，并将该机网络标识设为server，其余计算机作为远程客户，将其网络标识分别设为client1、client2等，各主机安装统一的操作系统windows2000，且都安装组态王6.0。完成网络连接之后，对各个站点设置网络参数，并且定义在网络上进行数据交换的变量，报警数据和历史数据的存储和引用等等。

　　在此系统中，程客户端除了可以实时监控双容水箱的水位控制情况外，利用网络的回写功能，还可以实现远程修改p、i、d参数，以提高控制效果。为确保系统的安全运行，每个参数都有一定的修改权限，只有拥有该权限的用户才能修改，这样就确保了网络控制的安全有效性。

　　4 结束语

　　本文客户/服务器模式和浏览器/服务器模式进行了分析比较，提出了基于浏览器/服务器模式的网络架构。并以实验室双容水箱水位控制系统为研究对象，深入研究了组态软件—组态王的网络功能，并利用该组态软件实现了网络远程控制，进而证明了利用b/s模型进行网络控制的有效性。