遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

丁 律 顏文旭

(江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

丁 律 顏文旭

(江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

從工業(yè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，介紹工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。詳細(xì)闡述了基于B/S模式的3種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。分析了各種通信技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。最后給出了遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用前景。

遠(yuǎn)程監(jiān)控 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 遠(yuǎn)程通信 B/S模式 發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。以往的監(jiān)控系統(tǒng)一般采用大型儀表對(duì)相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)與狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，通過(guò)操作盤進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越龐大，設(shè)備分布越來(lái)越離散，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越多。

遠(yuǎn)程監(jiān)控是指遠(yuǎn)端的監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，以突破地域和環(huán)境的限制，降低維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控及信息管理等功能[1]。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，管理人員和工程師不必到現(xiàn)場(chǎng)就可以進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷，實(shí)現(xiàn)異地資源共享，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約成本。工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵，它主要包含兩層內(nèi)容：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，主要有有線和無(wú)線兩種通信網(wǎng)絡(luò)；從現(xiàn)場(chǎng)至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心并接收遠(yuǎn)程控制中心的控制命令。此外，Internet的普及和Web技術(shù)的發(fā)展極大地拓展了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控方式和通信手段，使得基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。在此，筆者從工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)，結(jié)合遠(yuǎn)程通信技術(shù)，介紹一種適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展。

1.1 工業(yè)有線通信網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展至今，現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的有線通信網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在現(xiàn)場(chǎng)裝置與自動(dòng)化裝置之間的數(shù)字式串行多點(diǎn)通信數(shù)據(jù)總線，是工業(yè)自動(dòng)化最底層的智能儀表、控制器等設(shè)備依據(jù)通信協(xié)議相互連接的通信網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、可維護(hù)性好及成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3～5]分別將Profibus、LonWorks和CAN應(yīng)用于工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形式掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線上與上位機(jī)監(jiān)控層進(jìn)行通信。然而現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，互通和互操作問(wèn)題難以解決，可連接的工作站有限，無(wú)法直接接入Internet，通信速率和通信距離差強(qiáng)人意，因此限制了現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，它不僅成本低、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、通信速度快，而且有多種傳輸介質(zhì)可選。早期的以太網(wǎng)主要用于辦公自動(dòng)化，其傳輸性能無(wú)法滿足工業(yè)場(chǎng)合的要求。而隨著交換技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和無(wú)碰撞全雙工通信的應(yīng)用，增強(qiáng)了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，延長(zhǎng)了傳輸距離，使以太網(wǎng)適合應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合[6]。但以太網(wǎng)通信仍舊無(wú)法滿足一些工業(yè)場(chǎng)合的高實(shí)時(shí)性要求。文獻(xiàn)[7]采用將現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)結(jié)合的通信方式，利用總線-以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀并發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控(圖1)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了提高。目前，許多現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議都與以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了整合，形成了多種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，因此將以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合將成為未來(lái)兩者的發(fā)展方向。盡管以太網(wǎng)在通信速度、開(kāi)放性及集成性等方面都優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)總線，但以太網(wǎng)存在不提供電源、安全性難以保障等缺點(diǎn)，所用的集線器、交換機(jī)等設(shè)備難以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，需要與Internet連接才能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的監(jiān)控。因此，將以太網(wǎng)與Internet連接將成為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的新選擇[8]。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線接入以太網(wǎng)

工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用有線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，雖然系統(tǒng)在可靠性和實(shí)時(shí)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在地域偏遠(yuǎn)、控制點(diǎn)分散的工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中只使用有線通信就會(huì)面臨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的巨大難題。

1.2工業(yè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后出現(xiàn)的一種新的技術(shù)熱點(diǎn)，雖然工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，然而在工況十分惡劣等不適合鋪設(shè)線纜的情況下，就有必要利用無(wú)線技術(shù)組建局域網(wǎng)。目前應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線技術(shù)主要有基于IEEE 802.15.1協(xié)議的藍(lán)牙技術(shù)、基于IEEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù)和WirelessHART技術(shù)、基于IEEE 802.11協(xié)議的WiFi技術(shù)。藍(lán)牙和ZigBee無(wú)線通信技術(shù)都具有成本低、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，但通信距離較短[9,10]，在智能家居、農(nóng)業(yè)等場(chǎng)合應(yīng)用較廣泛，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)只適合設(shè)備相對(duì)集中的系統(tǒng)。WirelessHART和WiFi無(wú)線通信技術(shù)都適合應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，WiFi的通信速率最快，通信距離也相對(duì)較遠(yuǎn)，但其功耗也最大；WirelessHART技術(shù)通信速率較低，功耗較低，安全性較高[11,12]。因此，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和系統(tǒng)各方面的要求綜合考慮選擇相應(yīng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

盡管無(wú)線通信相比于有線通信在成本和結(jié)構(gòu)上更具有優(yōu)勢(shì)，但無(wú)線通信也存在路徑損耗嚴(yán)重、信道誤碼及通信距離不足等問(wèn)題，其實(shí)時(shí)性和可靠性無(wú)法滿足工業(yè)自動(dòng)化中一些閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求[13]。因此在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)線通信短期內(nèi)無(wú)法替代有線通信，而把有線通信與無(wú)線通信結(jié)合將是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行交互。目前，我國(guó)大部分地區(qū)都已接入公共電話網(wǎng)，而移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也基本覆蓋了每個(gè)地區(qū)。因此，可以利用公共電話網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1基于公共電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程通信

公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(Public Switched Telephone Network,PSTN)是一種全球語(yǔ)音通信電路交換網(wǎng)絡(luò)，它不僅在日常生活中應(yīng)用廣泛，而且可以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程通信。文獻(xiàn)[14,15]利用PSTN實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控站的通信(圖2)，分別完成了現(xiàn)場(chǎng)PLC和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)與Modem的連接，通過(guò)撥號(hào)方式接入PSTN，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。PSTN可以通過(guò)普通撥號(hào)電話線入網(wǎng)也可以租用電話專線入網(wǎng)，前者價(jià)格較低，通信速率較慢，適用于通信不太頻繁的場(chǎng)合；后者通信速率和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量相對(duì)較高，無(wú)需撥號(hào)，但需要電信局進(jìn)行架設(shè)和開(kāi)通。

圖2 基于PSTN的遠(yuǎn)程通信

非對(duì)稱數(shù)字用戶線路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)是一種基于PSTN的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。文獻(xiàn)[16]將ADSL應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控中，現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)均使用ADSL調(diào)制解調(diào)器接入Internet。ADSL技術(shù)在現(xiàn)有的PSTN基礎(chǔ)上，通過(guò)在線路兩端加裝ADSL調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行寬帶連接。ADSL技術(shù)利用現(xiàn)有的電話線，不需要重新布線，因此成本較低；通信速率比PSTN快，但線路越長(zhǎng)，其通信速率越慢，因此ADSL不適合較遠(yuǎn)距離的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2基于移動(dòng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程通信

將移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控中，可以充分利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，克服工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)控制點(diǎn)分散、跨地域所帶來(lái)的監(jiān)控困難的問(wèn)題，且無(wú)需敷設(shè)專用通信電纜，組網(wǎng)簡(jiǎn)便，建設(shè)周期短，系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本較低。目前，應(yīng)用在工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信方式主要有GSM網(wǎng)絡(luò)、GPRS技術(shù)及3G網(wǎng)絡(luò)等移動(dòng)通信技術(shù)。

文獻(xiàn)[17～19]分別將GSM短信模塊、GPRS-DTU模塊和3G網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控中，利用無(wú)線模塊將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控站(圖3)。GSM短消息業(yè)務(wù)可以結(jié)合移動(dòng)手機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)警、簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)查詢等功能，但其數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高、數(shù)據(jù)量較少的監(jiān)控系統(tǒng)。GPRS技術(shù)能兼容GSM，其傳輸速率相對(duì)較快，可接入Internet，但同樣不適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，而且運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高。3G網(wǎng)絡(luò)有著更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，隨著技術(shù)的逐漸成熟，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，將3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控中，不僅可以實(shí)現(xiàn)較大數(shù)據(jù)量的傳輸，還可以結(jié)合視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況的監(jiān)控。隨著4G技術(shù)的出現(xiàn)，無(wú)線傳輸速度越來(lái)越快，技術(shù)的成熟和資費(fèi)的降低將使3G和4G技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。

圖3 基于移動(dòng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程通信

3 基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)從軟件結(jié)構(gòu)方面主要分為兩種模式：C/S模式和B/S模式。C/S模式在客戶端擁有功能完整的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互并處理業(yè)務(wù)邏輯，服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫(kù)所要完成的功能。監(jiān)控系統(tǒng)中常用的組態(tài)軟件通常為C/S模式，然而C/S模式開(kāi)發(fā)成本較高，客戶端較為臃腫，升級(jí)維護(hù)繁瑣。B/S模式主要由瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成?？蛻舳瞬捎脼g覽器，界面統(tǒng)一、操作簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了客戶端的功能，Internet連接使系統(tǒng)更開(kāi)放，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理邏輯和頁(yè)面存儲(chǔ)管理的功能，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理邏輯的任務(wù)。B/S模式系統(tǒng)功能由不同服務(wù)器來(lái)完成，易于維護(hù)和拓展，信息資源共享程度高，正逐步取代C/S模式[20]。以下主要介紹3種基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1結(jié)合組態(tài)軟件Web發(fā)布的遠(yuǎn)程監(jiān)控

組態(tài)軟件廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控層，通過(guò)提供軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境使用戶自主開(kāi)發(fā)監(jiān)控功能。組態(tài)軟件集成了圖形顯示界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、腳本語(yǔ)言及廣泛支持I/O設(shè)備等功能，且許多組態(tài)軟件支持用于過(guò)程控制的OLE(OLE for Process Control,OPC)技術(shù)，增強(qiáng)了其開(kāi)放性。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，越來(lái)越多的組態(tài)軟件集成了Web發(fā)布功能，通過(guò)在客戶端瀏覽器中下載、安裝或運(yùn)行插件來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫(huà)面的動(dòng)態(tài)顯示。文獻(xiàn)[21～23]分別采用WebAccess、WinCC和組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控軟件(均具有Web發(fā)布功能)，采用B/S結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與Web服務(wù)器建立在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，將工程監(jiān)控畫(huà)面發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)，這樣遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)無(wú)需安裝組態(tài)軟件，只需通過(guò)瀏覽器就可以獲取與組態(tài)軟件中同樣的工程監(jiān)控畫(huà)面、數(shù)據(jù)報(bào)表及報(bào)警信息等。利用Web發(fā)布結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)內(nèi)組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以組成一種B/S和C/S混合結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，滿足不同場(chǎng)合的需要。組態(tài)軟件的功能十分完整，但它對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，升級(jí)維護(hù)繁瑣，安全性較差；要獲得組態(tài)軟件的Web發(fā)布功能，通常需要購(gòu)買相關(guān)軟件，成本較高，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者在使用不同組態(tài)軟件前都需要進(jìn)行軟件的學(xué)習(xí)。

3.2結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，規(guī)模小、成本低的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始采用嵌入式Web服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)在嵌入式設(shè)備內(nèi)置Web服務(wù)器，如Boa、Thttpd及GoAhead等，將網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)存放在Web服務(wù)器中，Web服務(wù)器與客戶端瀏覽器之間需要建立TCP連接，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)指定地址向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，服務(wù)器分析請(qǐng)求信息，并相應(yīng)地向?yàn)g覽器發(fā)送指定網(wǎng)頁(yè)的HTML代碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。嵌入式設(shè)備可以通過(guò)外圍電路直接采集數(shù)據(jù)，也可以與其他控制器或儀表設(shè)備進(jìn)行通信，來(lái)發(fā)送控制命令并接收數(shù)據(jù)。對(duì)于監(jiān)測(cè)范圍大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多的分布式系統(tǒng)，可以采用多個(gè)嵌入式Web服務(wù)器對(duì)不同站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并與Internet連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

文獻(xiàn)[24,25]將視頻圖像采集功能加入嵌入式Web服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用S3C2410處理器并移植Linux系統(tǒng)，分別構(gòu)建Web服務(wù)器并完成與嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，通過(guò)USB攝像頭采集圖像信息，使遠(yuǎn)程監(jiān)控功能更全面，但該方案未考慮系統(tǒng)的安全性。封閉網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的監(jiān)控一般采取用戶權(quán)限設(shè)置的方法來(lái)保障系統(tǒng)的安全性，但對(duì)于開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)，則將面臨一些不確定的安全問(wèn)題。文獻(xiàn)[26]采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network,VPN)技術(shù)集成了VPN通道、加密和解密、密鑰管理、用戶和設(shè)備認(rèn)證技術(shù)，保障了系統(tǒng)的安全。文獻(xiàn)[27]提出一種B/S和C/S混合架構(gòu)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，B/S架構(gòu)中，Boa服務(wù)器利用TCP/IP的應(yīng)用層超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP)，執(zhí)行公共網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface,CGI)程序來(lái)進(jìn)行與底層硬件的交互，C/S架構(gòu)的應(yīng)用程序使用套接字來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。然而該系統(tǒng)需要同時(shí)構(gòu)建兩個(gè)服務(wù)器，處理器負(fù)載過(guò)重。

結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)極大地提高了監(jiān)控的質(zhì)量和范圍，降低了成本，但嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間均有限，若將嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，考慮到實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性的要求，在實(shí)現(xiàn)許多功能的同時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化。隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，嵌入式處理器和操作系統(tǒng)的性能也越來(lái)越優(yōu)越，嵌入式Web處理器將更多地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控中。

3.3結(jié)合Web數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控

在B/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，Web瀏覽器通過(guò)網(wǎng)頁(yè)完成與用戶的交互，而以往的靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)已經(jīng)無(wú)法滿足工業(yè)監(jiān)控的要求，這就需要?jiǎng)討B(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)通過(guò)Web服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地生成Web頁(yè)面。早期的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)主要采用CGI技術(shù)，而目前主流的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)有PHP、ASP和JSP[28]。Web數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)過(guò)程如圖4所示，用戶在客戶端瀏覽器通過(guò)HTTP協(xié)議將信息發(fā)送至Web服務(wù)器，Web服務(wù)器需要對(duì)其主機(jī)通信接口進(jìn)行監(jiān)控，以數(shù)據(jù)庫(kù)的中間件和接口技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)Web環(huán)境下應(yīng)用程序(如HTML、XML等)和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，發(fā)送SQL命令給數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將SQL指令執(zhí)行的結(jié)果以HTML代碼的格式或相應(yīng)的腳本語(yǔ)言格式發(fā)送至瀏覽器。常見(jiàn)的服務(wù)器有Apache、IIS及Tomcat等，數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，常用的數(shù)據(jù)庫(kù)有SQL Server、Oracle及Access等。

圖4 Web數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)過(guò)程

文獻(xiàn)[29～31]分別采用了JSP技術(shù)+Tomcat服務(wù)器+SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)、ASP技術(shù)+IIS服務(wù)器+SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)、PHP技術(shù)+Apache服務(wù)器+Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的組合，這3種組合是Web開(kāi)發(fā)中常用的方案，適用于開(kāi)發(fā)大型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。盡管利用瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控操作十分簡(jiǎn)單，但許多功能和應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)仍舊困難，需要利用ActiveX、Java等技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用，Web服務(wù)器負(fù)擔(dān)較重。將B/S與C/S結(jié)合可以充分發(fā)揮兩種模式的優(yōu)勢(shì)，B/S模式適合傳輸數(shù)據(jù)量不大的場(chǎng)合，可以滿足大多數(shù)訪問(wèn)者請(qǐng)求的功能界面；C/S模式適合傳輸信息量大的場(chǎng)合，只需實(shí)現(xiàn)少數(shù)人使用的功能應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，將B/S模式與C/S模式結(jié)合將是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)合理的B/S與C/S混合結(jié)構(gòu)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能更好地應(yīng)用在復(fù)雜場(chǎng)合。此外，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題至關(guān)重要，它不僅涉及公司內(nèi)部機(jī)密，還關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。在Web服務(wù)器和Internet網(wǎng)絡(luò)之間加入代理服務(wù)器或防火墻可以過(guò)濾訪問(wèn)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的不安全因素，可有效阻止外部對(duì)內(nèi)網(wǎng)的非法訪問(wèn)，還可以利用用戶身份驗(yàn)證、安全套接層協(xié)議保障遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全[32～34]。

4 前景與展望

工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展至今，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展使得工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、穩(wěn)定性及安全性等不斷提高。移動(dòng)通信技術(shù)和公共電話網(wǎng)促進(jìn)了遠(yuǎn)距離監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的監(jiān)控方式，將瀏覽器作為人機(jī)界面替代監(jiān)控軟件和觸摸屏設(shè)備，不僅在制造、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療等場(chǎng)合取得了較好的應(yīng)用，而且國(guó)內(nèi)外許多高校也開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

雖然目前有很多先進(jìn)的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐著遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，但遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在同一系統(tǒng)中還存在著不同的局域網(wǎng)、不同的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議及不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備等，這就需要進(jìn)一步對(duì)綜合技術(shù)與集成支撐技術(shù)進(jìn)行研究。在Internet的支持下，充分利用B/S模式和C/S模式各自的優(yōu)勢(shì)，研究建立支持新一代監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與參考模型。隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”的提出，信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的“智能工廠”成為第四次工業(yè)革命的主題，而遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展始終與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及嵌入式技術(shù)等前沿技術(shù)的發(fā)展緊密相連，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“智能制造”意義重大，因此必須緊隨相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將最新技術(shù)及時(shí)應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控中，這樣才能使遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)不斷發(fā)展，更好地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，使我國(guó)“工業(yè)4.0”邁上新臺(tái)階。

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ResearchonKeyRemoteMonitoringTechnologiesandTheirApplication

DING Lv, YAN Wen-xu

(MOEKeyLaboratoryofAdvancedProcessControlforLightIndustry,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

Starting with communication networks of the remote monitoring system, the key technologies for both industrial communication networks and remote communication networks were introduced; and the B/S mode-based three remote monitoring systems were expounded, including the shortcomings and advantages and development trend of communication and monitoring technologies as well as the remote monitoring technologies’ application prospect.

remote monitoring,industrial communication network, remote communication, B/S model, development trend

TH865

A

1000-3932(2016)06-0563-06

2015-11-24(修改稿)