工业以太网在远程监控中的应用

摘要：随着以太网和计算机技术的发展和普及，工业以太网在工业监测、监控等领域日渐重要，该文首先分析了工业以太网应用在监控系统中的优势和特点，接着简要介绍了工业以太网在远程监控领域中的几个主要解决方案，提出了基于Modbus TCP/IP的温湿度远程监控系统的设计思想。

关键词：以太网；嵌入式工业以太网；现场总线；Modbus TCP/IP

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3027-03

The Applications of Industry Ethernet in the Field of the Distance Monitoring

TANG Shu-ping1,2,SONG Jie1

(1.Departtment of Compute Science & Technology , Anhui University, Hefei 230039,China;2.Department of Compute Science, Bozhou Teachers College, Bozhou 236000,China)

Abstract: With the development of Industrial Ethernet and the widespread use of computer technology, it’s becoming more and more important.( The application of Industrial Ethernet in the industrial monitoring and so on ) Firstly, I analyze the advantages and characteristics of the application of Industrial Ethernet in the monitoring system in the paper. Then, some main solutions are put forward in the distance monitoring of Industrial Ethernet. Meanwhile the thought that’s called the distance monitoring of temperature and humidity based on Modbus TCP or IP is also put forward in the thesis.

Key words: ethernet; embedded of industrial etherner; fieldbus; Modbus Tcp/Ip

现代远程监控系统是实时在线监控系统，通过安装在现场各种监控设备以及软件实现在异地对现场工业设备的实时监控与诊断。工业以太网技术结合其它控制网络和诊断技术，能够完成分布数据的采集功能并且实现对远程设备的监控任务，最终实现远端的无人或少人值守，体现了工业的现代化操作水平。

1以太网技术在工业远程监控领域的优势及特点

1)真正实现远程预警和诊断：传感器和执行器层通过网桥连接到以太网，可以实现预警和诊断。

2)信息的传送和控制有明确的方向性：将传感器采集到的环境参数向监控中心传送，控制器提取中心数据中的控制信息转给执行设备，执行设备根据控制信息来控制设备的运行状态，并且通过工业以太网可以相对轻松的实现工业设备的网络扩展。

3)可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。

4)布线简单，易于调试和排除故障。

2以太网在工业远程监控领域的主要解决方案

2.1嵌入式工业以太网

嵌入式工业以太网是最近监控领域中的研究新热点，可以通过浏览器将用户信息传输到浏览器系统，实现远程检测和控制，是监控系统未来发展方向之一。嵌入式工业以太网通信技术是基于网络技术和标准协议实现的，随着嵌入式MCU和网络技术的发展，越来越多的嵌入式设备具有了以太网介入功能，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，利用以太网的开放性实现嵌入式控制系统的网络化，通过过浏览器访问设备层。

嵌入式以太网主要技术有SOPC技术、DSP技术、Microchip的TCP/IP协议栈。SOPC把处理器作为内核嵌入到FPGA芯片中，在可编程芯片中实现系统功能；DSP技术将DSP芯片作为接口转换器的微控制器就能解除这种限制，将串口的数据转换成网络格式，通过以太网来搭建数据交互的平台；Microchip的TCP/IP协议栈被独立于任何操作系统，它将TCP/IP分为多层，每层的代码驻留在一个独立的源文件中，栈中的许多层可以跃层访问下层，添加了两个新的协同式任务模块：StackTask(管理协议栈及其模块的操作)和ARPTask（管理地址解析协议层的服务）。

2.2 CAN现场总线在工业以太网远程监控系统中的应用

在工业监控中，普遍使用现场总线进行底层的数据传输，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之间以及现场总线标准，工业现场使用现场总线。使用工业以太网交换机连接现场总线网络、服务器、系统监控设备和现场高级智能设备，工业以太网使现场总线能更好的满足实时控制的要求，有效的解决了基础自动化控制网络与过程和管理控制系统之间的无缝集成问题。

在远程监控系统中，受气候和地理条件的限制，工业现场和监控中心之间的通讯距离成为对现场监控的主要障碍。需要通过将CAN现场总线以协议中的标准模块介入以太网的方法，实现CAN网络中的数据和以太网数据进行简单交换，以达到通过以太网把数据传输给监控中心。现场技术与控制技术相结合，使现场总线在以太网远程监控系统中得到了广泛的应用。

2.3基于Modbus TCP/IP工业以太网的监控系统

Modbus协议实现的是一台主机和多个从机通讯的机制。而Modbus/TCP协议是Modbus家族中应用于自动控制装备上的开放的通信协议，它利用TCP/IP协议将Modbus消息封装成IP包，使Modbus与以太网和TCP/IP结合，是一种面向连接需要相应的传送，这样就可以实现工业以太网的数据交换功能，Modbus/TCP组件体系结构模型在通信应用层提供Client/ServerModbus接口，这种通信方式使交换式以太网具有很高的确定性。这种方案即可用于控制，也可以传输文件，其网络速度远远高于传统的现场总线系统，是一种理想的应用于远程监控的解决方案。

3基于Modbus TCP/IP的远程温湿度监控系统的设计和实现

3.1系统的软件构架

系统利用组态软MCGS和OPC服务器软件ZOPC_SERVER实现基于ModbusTCP/IP总线的温湿度远程监控系统。

系统通过MCGS开发应用程序，OPC Server作为客户端组态软件MCGS跟Modbus网络进行数据传输的桥梁。在MCGS管理窗口中添加OPC设备，接下来就可以把组态工程中的数据对象与OPC设备的通道的连接起来，映射关系建立成功以后，在其工程中就能通过通信模块访问和控制外接设备。

3.2系统的硬件结构

系统主要由通信、数据采集、输出控制、电源、温湿度传感器、控制装置等模块组成。硬件组成及设置如下：

1）PC机：将PC机IP地址设置为与工业以太网教学实验开发平台相关设备的IP地址都处在一个网络段。

2）网关MPort：连接交换机的1号端口，设置为正常模式下的RS232模式，即将网关上的两个开关拨到最左边。

3）工业交换机：模块通过交换机与主机相连。

4）温、湿度传感器。

5）电机：模拟执行设备。

6）NDAM-3800模拟量输入模块：通过拨码开关将设备地址设置为0x01。

7）NDAM-2808继电器输出模块：通过拨码开关将设备地址设置为0x01。

3.3系统整体结构

本系统通过Modbus/TCP总线采集温湿度数据，并通过控制装置对温湿度进行调控。其系统结构图如图1所示。

图1系统结构图

3.4系统所实现的功能

有上位机采集数据并控制设备运行，温湿度传感器实现实时温湿度的采集、输出给NDAM-3800模块，然后显示到PC机的客户端软件MCGS的应用程序里，调节设备借助硬件驱动程序通过NDAM-2808接受上位机的控制。主要实现了如下4方面的功能：

1)数据采集功能

系统对对温湿度进行数据采集，将采集到的数据进行加工，然后将加工后的结果输出在系统人机界面和数据库中。

2)自动和手动控制功能

根据采集到得数据和控制策略形成控制输出，来实时控制温湿度调节装置和气体成分调节装置的启停,以达到保持参数恒定的最佳值，在紧急情况和特殊情况的需要下，可以适时使用手动控制方式。

3)数据库功能

将测量到的数据和设备的运行状况进行存盘，需要有历史数据和实时数据的存盘功能，系统还需要具备对系统存盘数据进行不同形式的查看和分析的功能。

4以太网在工业监控领域系统中的关键问题

4.1网络通信技术

网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，现阶段的网络一般采用Socket技术，限制了信息的流量。

4.2系统结构

目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，且存在着不同局域网、不同平台、同一局域网内的编程语言不同，增加了相互之间通信的难度。

4.3网络系统管理

随着网络规模的扩大，网络管理的功能的重要性也就越突出，网络管理应当满足网络系统的所有要求：动态的相应操作错误和环境（网络）的变化，管理信息的收集、显示、监控、和更新，错误的检测、诊断和清除。

4.4稳定性和可靠性

工业现场的外部条件对网络的可靠性提出了更高的要求，工业网络必须具有良好的可靠性、稳定性、可恢复性及可维护性。

4.5安全性

远程监控的网络特性决定了其存在的网络安全问题，工业网络可能会受到外界的各种安全威胁，可以使用防火墙、病毒扫描、接入控制工具、在交换机中加入访问控制表、数据加密等安全管理方法。

4.6监控装置

现场智能监控装置是构建监控网络的基础和关键，采用高端嵌入式技术实现智能化设备的功能自制性，使用以太网控制芯片，可将数据包发到以太网，通过以太网接入Internet。

5小结

工业以太网结合其它网络和技术的应用已经从设备层蔓延到了控制层和信息层，体现了工业以太网发展的新趋势。随着网络和信息技术的日趋成熟，工业以太网和TCP/IP协议作为最主要的通信接口和手段，使监控系统从集中监控向网络监控方向发展，对远程监控系统的发展产生了深远的影响。

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