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中北大学学位论文基于Web的设备远程监控系统的设计与实现摘要随着互联网的快速发展，企业渐渐的意识到远程监控的重要性。远程监控技术是互联网技术与现场控制技术的完美结合,它主要应用于远程控制和远程监控两个领域。其中，远程监控是指客户通过浏览器、服务器、数据库的信息交互来获取现场的设备信息和产品的生产状况，并且最后将信息存储在数据库中。本文介绍的远程监控系统以服务器、数据库、监控机以及现场控制器为核心设计开发的。通过监控机的浏览器向服务器发送请求，服务器处理请求后与数据库实现数据传输，最终动态的显示在浏览器上。通过远程监控系统实现了控制现场设备、现场信息的实时显示等重要功能。本文提出的系统设计方案克服了地域性的限制，提高了企业生产效率，从而实现了真正的远程监控。本文首先了解了远程监控技术的发展现状，分析了远程技术的未来发展趋势。其次对监控系统的实施方案进行了确定。方案包括采用了B/S的系统结构、MVC的设计模式、Java开发语言等。而且针对系统开发时使用的技术分别做了简单的介绍。详细的介绍了系统从现场层到监控层每层的通信实现和系统各个模块的具体实现流程。最后，本文着重介绍在传输现场信息起着重要作用的串口通信技术及其程序设计。关键词：远程监控,Web,PLC,串口通信 中北大学学位论文DesignandimplementationbasedonWebequipmentremotemonitoringsystemAbstractWiththerapiddevelopmentoftheInternet,Enterprisesgraduallyrealizetheimportanceofremotemonitoring.RemotemonitoringtechnologyistheperfectcombinationofInternettechnologyandfieldcontroltechnology.Itismainlyusedtotwofieldsoftheremotecontrolandremotemonitoring.Remotemonitoringisthattheclientobtainthesceneoftheproductionsituationequipmentinformationandproductsthroughthebrowserandserver,database,informationinteraction,andtheinformationstoredinthedatabaseintheend.ThepaperIntroductionofremotemonitoringsystemfortheserver,database,monitoringmachineaswellasthefieldcontrollerasthecoredesignanddevelopment,Bymonitoringthemachinebrowsersendsarequesttotheserver,Aftertheserverprocessestherequestachievedatatransmissionwithdatabase，Finallythedynamicdisplayonthebrowser,ThroughtheremotemonitoringsystemachievetheControloffielddevices,fieldinformationreal-timedisplayandotherimportantfunction.Thepaperpresentsthesystemdesignschemeovercometheregionalrestrictions,enhancetheenterprisetheproductionefficiency,soastorealizetheremotemonitoring.Thispaper,inthefirst,understandthedevelopmentalstatusofremotemonitoringtechnology,analyzesthefuturedevelopmenttrendofremotetechnology.analysisthefuturedevelopmenttrendofremotetechnology.Thesecond,determinetheimplementationofthemonitoringsystem,SchemeincludetheB/Ssystemstructure,theMVCdesignpattern,theJavadevelopmentlanguage,andsoon.Andthetechnologyusedinsystem.Developmentismadesimpleintroduction,respectively.Detailedintroducesthesystemfromthescenetomonitorlayeroneachfloorofthecommunicationimplementationandsystemmodulesspecificimplementationprocess.Finally,thispaperfocusesonAserialportcommunicationtechnologyandprogramdesign,thatplaysanimportantroleoftheinformationtransmissionscene. 中北大学学位论文Keywords:Remotemonitoring,Web,PLC,serialportcommunication 中北大学学位论文目录1绪论1.1远程监控系统概述............................................................................................................11.2远程监控技术发展背景....................................................................................................21.3基于WEB的远程监控系统国内外研究现状...............................................................21.4本文研究的主要内容........................................................................................................32远程监控系统体系结构与相关技术2.1远程监控系统的实施方案...............................................................................................52.1.1C/S体系结构介绍....................................................................................................52.1.2B/S体系结构介绍....................................................................................................62.1.3B/S结构的优点........................................................................................................72.1.4B/S模式下监控系统的网络设计..........................................................................82.2MVC设计模式概述...........................................................................................................92.2.1MVC设计模式解析..............................................................................................102.2.2MVC模式的优点及其价值..................................................................................112.2.3实现MVC架构的方法........................................................................................122.3Web应用程序开发技术..................................................................................................122.3.1Java技术.................................................................................................................122.3.2JSP技术..................................................................................................................142.3.3JavaBean技术.........................................................................................................152.4数据库连接技术..............................................................................................................152.4.1JDBC简介..............................................................................................................162.4.2JDBC访问数据库..................................................................................................162.5本章小结...........................................................................................................................173远程监控系统总体设计与分析3.1系统总体设计..................................................................................................................18I 中北大学学位论文3.1.1系统背景介绍........................................................................................................183.1.2系统设计目标........................................................................................................183.1.3系统总体结构........................................................................................................193.2系统总体分析..................................................................................................................203.2.1系统功能分析........................................................................................................203.2.2系统硬件组成........................................................................................................213.3系统运行环境..................................................................................................................213.3.1系统运行平台........................................................................................................213.3.2系统开发平台........................................................................................................223.3.3数据库平台............................................................................................................233.3.4Web服务器.............................................................................................................233.4本章小结...........................................................................................................................244远程监控系统的设计方案4.1设备层CC-Link的通信设计.........................................................................................254.1.1CC-Link现场总线的介绍.....................................................................................254.1.2CC-Link的通信实现.............................................................................................264.2控制层MELSECNET/H网的通信设计.......................................................................264.2.1MELSECNET/H网的结构...................................................................................274.2.2MELSECNET/H网的数据链接...........................................................................284.3动态交互网页的设计与实现.........................................................................................294.3.1系统登陆界面........................................................................................................294.3.2设备状态查看........................................................................................................294.3.3设备的远程控制....................................................................................................304.3.4产品产量显示........................................................................................................324.4数据库设计.......................................................................................................................324.4.1数据库的选取原则...............................................................................................324.4.2数据库表的设计....................................................................................................34II 中北大学学位论文4.4.3数据库访问的实现...............................................................................................344.5远程监控系统安全性分析.............................................................................................374.5.1安全性概念............................................................................................................374.5.2远程监控系统的安全策略...................................................................................374.5.3安全性的实现........................................................................................................394.6本章小节...........................................................................................................................415串行通信技术的介绍与实现5.1串行通信的基本原理......................................................................................................425.1.1串行通信技术简介...............................................................................................425.1.2接口标准介绍........................................................................................................425.2串行通信的实现..............................................................................................................435.2.1串口通信的设计与实现.......................................................................................435.2.2通信过程的码制转换...........................................................................................495.3可编程逻辑控制器应用..................................................................................................495.3.1可编程逻辑控制器简介.......................................................................................495.3.2可编程逻辑控制器的选取...................................................................................515.4本章小节...........................................................................................................................516总结与展望6.1工作总结...........................................................................................................................536.2工作展望...........................................................................................................................53参考文献攻读硕士期间发表的论文及所取得的成果致谢III 中北大学学位论文1绪论1.1远程监控系统概述监控系统是集各种技术为一体的高科技产品，它操作便捷、控制效果好。它可以很有效的应用于自动化设备生产的企业[1]。目前，对监控系统的定义是比较一致的,即指可以实现数据采集、设备监视等功能的计算机系统,通常人们叫它SCADA[2]。在这个系统中，计算机可以直接对监控对象进行操作、处理。通常远程监控系统有如下特点:实时性、易维护性、可靠性、通信功能等。监控技术通过与计算机网络技术的结合，促进了新的相关技术不断出现。例如远程监控、远程制造等。远程实时监控是指本地监控机通过网络实现对现场设备远程监控、了解生产状况[3]。研究远程监控的主要意义如下:第一:采用远程实时监控技术,技术人员可以通过客户端对设备进行操作,而不用亲自到现场解决，这样大大提高了劳动生产率。第二:远程监控技术可以充分利用人力资源。如果设备出现现场技术人员不能解决的问题，可以通过网络询问设备对应的厂商或者相关的专家，通过专家的处理使得生产活动正常进行，保障了生产活动的正常进行。第三:远程监控系统通过使用数据库完成对数据的存储，这样对未来设备的故障诊断提供了数据基础。第四:通过远程监控技术，决策层制定生产计划更加便捷，省去许多冗余时间。提高了企业的生产效率和效益。在远程监控系统的发展过程中，我们把它分为两种类型：第一种是不在生产现场安装监控系统，仅仅将数据传给远程监控机，这样只是传输距离发生了变化。第二种是在远程部分和现场部分都安装监控系统。针对这种情况,现场系统进行数据的处理，远程系统负责生产监督。通过两个系统的配合完成新的生产计划的制定[4]。随着网络的高速发展,通过Web技术能够弥补传统监控系统的不足，显然基于Web的远程监控系统已然成为当代企业生产活动的重要组成部分。1 中北大学学位论文1.2远程监控技术发展背景进入21世纪以来，信息的实时交互显得尤为重要。许多大型企业在经济全球化的背景下快速形成。在企业全方位、多地域发展的同时，实时的了解企业的生产状况对它们提适应市场的能力有很大帮助。在传统的现场管理系统中，只有现场的设备管理人员才能实时了解到设备的状况以及产品的生产信息。决策层想要了解企业的生产情况必须通过信息的层层下达，在现场得到信息后再层层的反馈给决策层;由于信息的传递消耗的时间长，导致高层无法及时的做出一些决策。上世纪90年代以来，随着互联网的快速发展企业渐渐的意识到远程监控的重要性。远程监控技术是互联网技术与现场控制技术的完美结合，它主要应用于远程控制和远程监控两个领域。远程监控是指客户通过浏览器、服务器、数据库的信息交互来获取现场的设备信息和产品的生产状况，并且最后将信息存储在数据库中。远程控制是指对系统通过网络对底层设备的操作如PLC及相关硬件设备。通过两方面功能的实现完成对现场情况的实时了解[5]。通过使用远程监控系统可以快速、准确、实时的完成现场数据的收集，并通过信息交互界面动态的显示在浏览器上。这样，企业的决策层只需通过简单的点击浏览器就可以了解现场信息。同时通过远程监控系统，技术人员无需亲临生产现场就可以对设备进行设备运行状态改变、设备参数更改等操作。它的使用使得企业不需要许多现场看护人员，从而真正的实现网络化、现代化的新型企业。1.3基于WEB的远程监控系统国内外研究现状伴随着信息技术的快速发展，计算机技术得到了很大提高，许多设备制造商以此为基础实现设备具有远程监控技术。同时企业生产日趋智能化，使得企业对于科学技术的要求越来越高。近年来，基于Web的远程监控已然成为研究的热点，并且在许多的领域得到快速发展，如远程控制、故障诊断等这些技术都已经广泛应用在远程控制系统中[6]。在自动化控制领域中，许多专家针对远程监控系统进行了深入的研究。在第一届基于Internet的远程监控诊断工作会议中，来自世界各地的专家、学者对远程监控技术的现状进行分析，并且对于该技术的未来发展进行展望。会后，通过企业与优秀院校的紧2 中北大学学位论文密合作，研发出了基于Internet的下一代远程监控与诊断示范系统。之后，也搭建了远程监控和故障诊断系统。美国的NorthAndover率先的完成了Internet与PLC的连接，使得PLC与Web客户端（浏览器）实现通信。不久之后，许多企业也投入到Web在工控领域的技术研究，使得这项技术有了长足的发展，在之后的工控软件中出现了Web功能的身影，使得工控技术有了很大的提高。而且控制系统软件的集成化开发更加方便。在国内有许多企业致力于远程监控系统的研究，在世博筹办期间，上海汽车集团与许多高校、企业强强联手。整合了手中优秀的资源针对远程监控系统设计的技术领域进行综合研究，设计并且完成了一套自主开发的汽车远程监控系统。在世博展示期间，该系统实现对能源汽车的百分百监控，从而可以实时的获取汽车的信息。并且可以远程监控汽车运行情况，对错误的驾驶进行指引，保障了汽车的安全行驶。在中国许多高校对远程监控系统进行了相关研究，并且在这个领域的研究中获得丰硕的成果。如：华中科技大学研究的“汽轮机工况监测和诊断系统”等相关系统的实现，弥补了我国在远程监控领域的一些技术空白。同时，许多可编程逻辑控制器的生产厂商在其组态软件中加入了Web控件，如：北京的亚控公司的KingView组态王软件，它实现了Web的相关功能，它在远程控制系统中担任的角色是服务器，通过浏览器实现了实时监测与控制。总而言之，基于Web的远程监控系统已经在许多领域中获得了应用，在使用远程监控系统后，企业的效益得到了很大的提升，证明它的应用前景十分光明。今后发展的方向应该是更快、更准、更稳定。在工控领域中，可以通过网络监控技术实现现场总线技术和Internet网络技术完美结合，实现企业生产的智能化。随着远程监控技术的不断完善，使得它有了更多的应用平台，从而造福人类。1.4本文研究的主要内容本论文的主要任务是以通过Web网络技术来控制现场设备的状态、产品产量的实时显示为例，设计了一个基于Web的设备远程监控系统。本文研究的主要内容有以下几个方面:3 中北大学学位论文1.在MyEclipse平台下使用JAVA语言编写远程监控的Web项目，整个Web项目采用MVC的设计模式，M-Model：根据对象（如：用户、设备）的不同编写不同的Dao接口，编写对应Dao接口的实现类从而满足数据的获取。V-View：根据不同的请求返回对应的展示。C-Controller：用于处理浏览器发送的请求选择适当的视图，生成相应的界面。2.数据库系统使用oracle11g数据库，通过java的API完成连接池的建立，用户通过浏览器发送请求，经过tomcat服务器的处理从而完成数据的获取以及更新，通过简单的操作完成设备的远程监控。3.编写串口通信程序实现计算机与PLC之间的串行通信，最终通过程序的实现来控制PLC设备。4.采集设备生产产品数量，在数据库进行统计和汇总，以柱状图形式发布在Web页面。4 中北大学学位论文2远程监控系统体系结构与相关技术2.1远程监控系统的实施方案2.1.1C/S体系结构介绍随着计算机技术的发展C/S结构获得了人们的广泛关注，这种结构本质就是典型的两层结构，第一层是监控机的客户端，第二层是服务器。系统的事务由它们共同合作来实现。在C/S这个两层体系中，用户通过客户端直接访问数据库，而对数据的操作靠服务器来执行[7]。它们通过网络通信实现数据交互。在这种体系下，用户使用客户端向服务器发送请求，服务器将请求处理后实现与数据库连接，通过数据库操作实现数据的获取，最后将请求的数据返回到客户端。客户端主要实现与服务器的通信和界面的显示。服务器的功能相对复杂，需要完成网络通信、设备信息采集以及对数据库的操作。C/S将大量的数据运算交给了后台去完成，提高了用户交互反应的速度。图2.1是C/S结构的一个示意图。图2.1C/S结构示意图随着生产过程的进行企业对于远程监控系统的功能有了更高的要求，在系统软件的不断更新下整个监控系统的程序变得更加复杂，C/S结构的远程监控系统的问题也渐渐5 中北大学学位论文凸显出来。在C/S的系统结构模式下，系统的事务提交给监控机和服务器共同来处理。服务器用于处理客户端发来的请求，处理复杂的数字计算。客户端承担用户的具体业务，在功能划分上和具体程序实现上两层的区别不是很明显。而监控机机需要安装大量的软件，由于对监控机要求的提高、操作人员培训的花费和系统升级的花费。这样，运行成本一直呈上升趋势[8]。随着对系统的需求逐渐提高，远程监控系统出现了相应的问题。具体问题如下所示:(1)系统软件需要安装在监控机上，并且对安装软件进行保存。防止监控机出现故障而影响监控效果。随着客户需求的变化，软件需要增加、修改许多功能，对于C/S的软件开发带来的花费大大增大。(2)不能满足跨平台的要求，通常情况下，监控机的操作系统不一定完全相同。如果企业原来的监控机系统为Windows，为了提高安全性换成了Linux那么客户端软件需要重新开发，使得企业需要为此付出很大代价。(3)有效性低，如果监控机出现故障，会导致基于C/S的监控系统不能正常使用，从而影响企业的生产活动。2.1.2B/S体系结构介绍B/S模式即浏览器/服务器结构，它是随着计算机网络的发展下对于C/S结构的一种结构发展。在原本的双层结构上增加一层，实现三层网络结构，增加的这个中间层即Web服务器层。在B/S结构中，系统界面通过浏览器来显示，事务的处理主要交给服务器，从而形成三层结构[9]。这样的结构降低了系统的维护难度以及客户的花费。把浏览器作为显示层，Web服务器作为逻辑层，数据库作为数据层。Web服务器的作用处理客户在浏览器发来的请求以及对数据库的访问，并且通过网络传递给浏览器。在B/S模式下，只要在监控机安装通用的浏览器即可。其体系结构如图2.2所示。6 中北大学学位论文图2.2B/S体系结构图由图可知我们可以把B/S结构分为表现层、业务逻辑层、数据层三个独立的部分，它们三部分通过相互间的请求与相应完成信息的交互[10]。表示层:它的本质就是通用浏览器，其任务是负责输入数据以及通过HTTP协议向Web服务器发送请求。最后来显示通过服务器的处理请求结果。业务逻辑层:它的任务是处理来自浏览器的请求，处理请求后与数据库连接。获得连接的同时数据库对数据进行处理，并将数据传送给服务器最后浏览器界面显示。数据层:即数据库,它是系统的重要组成部分，主要作用是完成数据的存储和与服务器完成数据交互。由于数据库的访问较为频繁，所以要做好数据库的优化设计（如：连接池技术）。数据层的主要任务是根据Web服务器发来的请求，实现对数据库内对应对象表格的增、删、改、查的功能，并将执行后的数据传送到服务器。B/S这种结构体系细化了每个部分的工作，降低了服务器的压力。由于处理事务的任务分给了服务器，监控机只是在浏览器上负责数据的显示，不进行复杂的事务处理，这样的优化系统模型的建立使得现场设备操作人员的工作量大大降低，可以更好的安排工作。基于B/S模式下的远程监控系统的工作原理为:①客户通过浏览器向服务器发送请求，Web服务器通过Servlet处理请求。②采集现场信息，并且将信息存于数据库中。③将采集来的信息动态的显示在浏览器上[11]。2.1.3B/S结构的优点采用B/S模式实现远程监控系统具有如下优点:7 中北大学学位论文(l)首先，客户端不需要处理复杂的事务，只需要动态的显示请求的数据，使得服务器的作用达到最大化。(2)其次，系统升级易于操作，只要系统管理人员学会将系统部署在服务器即可。现场设备操作人员不需要过度担心，而把主要精力放在功能服务器上。在系统升级方面，只需要把修改好的代码部署到服务器上即可，这样避免了用户对客户端软件升级带来的困扰,也降低了系统二次开发的成本。(3)系统的操作简单，系统客户端的实质是一个通用浏览器。任何被授权的用户在任何地点只要通过浏览器即可实现远程实时监控，对于设备监管人员来说操作更加便捷。即使监控机出现故障，只要使用在网络中的任意安装有浏览器的监控机都可以实现监控操作。(4)实现跨平台的特性，解决了不同操作系统下的系统使用问题。2.1.4B/S模式下监控系统的网络设计基于Web的远程监控系统既可以适用于Internet也可以适用于Intranet。监控系统中采集到企业产线的设备信息对于企业的发展十分重要，而且信息的安全存储和有效传输对于企业也十分重要。因此，针对远程监控系统选取好的网络平台至关重要。图2.3是基于B/S结构的局域网监控系统的体系结构图。局域网是具有很好的扩展性以及相对简单的网络结构，所以，局域网深受广大企业的认同，基本每个现代化企业都有它的存在。基于局域网的远程监控系统通信实现是利用消息传送机制，整个系统按照设计拓扑结构进行连接。通过消息的传送完成任务的分配，使它们共同完成远程监控功能。局域网的类型有很多种，根据传输介质的不同可以分为有线网和无线网。而根据拓扑结构划分主要有星型和环型等。星型网络结构简单且速度快，该局域网络系统稳定且有良好的伸缩性，所以以Hub或交换机为核心的星形拓扑结构已成为局域网拓扑结构的主流。8 中北大学学位论文图2.3基于局域网的B/S模式监控系统结构图2.4是广域网络结构下监控系统的结构图。系统的总体工作流程如下:首先，主站PLC通过串口通信将采集到的设备信息通过码制转化后以十进制的格式存放在数据库，通过Web服务器上的JDBC技术实现数据的交互，最后通过服务器发布。只要是管理员授予的合法用户，就可以登陆运程监控系统了解现场情况，掌握服务器的本地操作人员是系统管理员，系统管理员可以根据员工等级的不同分配给他不同的角色[12]。操作人员如果需要改变设备中硬件的运行状态，只需要通过进入浏览器界面按下相应的按钮，通过监控机的串口传输到设备中，通过PLC对命令帧的分析，实现改变PLC设备中硬件的运行状态改变。图2.4基于广域网的B/S模式监控系统结构9 中北大学学位论文2.2MVC设计模式概述MVC设计模式是SmallTalk语言团队首次提出的，它主要应用于Web项目中。SmallTalk和Java一样都是面向对象设计语言。MVC是一种架构模式，这种架构的设计可以指导我们设计的程序，使三个功能模块独立存在，将项目的设计思路更加清晰，而且在后期的项目维护更加容易，提高的程序的复用率。在MVC设计模式中，系统根据实现功能的不同划分为模型、视图、控制器三个部分。其中，模型的主要功能是处理系统的内部业务逻辑，视图实现了业务处理后的系统显示，主要就是浏览器界面；控制器负责协调系统[13]。控制器会根据客户的请求才选择对应模型来处理请求，以及最后调用哪个视图对客户做出反馈。2.2.1MVC设计模式解析MVC即Model-View-Controller，即系统的整体流程按照处理顺序进行分离，即系统分成——模型层、视图层、控制层（如图2.5所示）[14]。在MVC设计模式下的系统中实现了一个模型对应多个视图的效果，用户如果改变了模型中的数据信息，那么视图也对应发生改变现实新的数据结果。由此可以得知，即使数据发生了改变，视图也会进行显示更新。这实际上是一种模型的变化-传播机制。图2.5MVC中的模型、视图和控制层视图(View)是控制器处理用户请求后的交互界面，实现了将模型数据及逻辑关系和状态的信息展示给用户的功能。对于Web项目来说，可以概括为HTML页面，但也有可能为Xhtml、Xml和Applet。随着对系统的需求增多，视图的复杂程度也渐渐增加了，对于页面处理的能力要求也越来越高，所以系统中会有许多不同的视图[15]。在MVC设计模式中视图是用来显示数据信息、显示形式、显示控制模式的。而业务逻辑的处理交给模型来完成，如在远程监控系统需要查询设备信息时，用户在视图模块中按下设置好的界面按钮，视图发送请求，通过模型的处理视图将查询结构动态的展示给客户。模型就是用来处理系统的逻辑事务的，它的处理过程可以认为是一种黑箱操作，模10 中北大学学位论文型是MVC模型最重要的核心，它处理来自视图发来的请求，并返回最后的请求结果。通过设计模式我们可以了解到，如果考虑把系统按照模块进行分离，抽取的层次十分重要，通过系统的模块化设计可以判断方案的可靠性。MVC提供给我们的是我们如何更有效的管理系统模块，而不是如何设计整个模型。通过这样的处理提高模型的有效性、重构性。控制(Controller)可以理解为从浏览器获取用户的请求，并且在服务器上处理用户的请求。它清楚了表明了它就是中间交换器，它决定采用什么模型处理逻辑业务，它决定选择什么视图来完成来自客户的请求，在控制层没有进行数据处理[16]。例如，在远程监控系统中，用户通过提交表单的方式对服务器发出请求，控制层通过Servlet处理把信息传递给模型，模型会调用对应的方法对请求进行处理，最后选择对应的视图返回给浏览器。因此，模型和视图之间是一对多的相互对应。2.2.2MVC模式的优点及其价值如图2.6所示MVC的设计模型，通过图中清晰的介绍各个模块的作用，利于我们更好的去理解这种设计模式：图2.6MVC设计模型1一个模型对应多个视图：在同一个Web项目中会设计多种用户界面，例如：用户有多个需求：第一个是通过浏览器查看用户信息，第二个是通过手机来浏览企业网站，这就需要服务器提供Internet网页和WAP网页。在MVC模式中，每层都有各自实现的功能，这样将每层结构分离，一个模型可以被不同的视图重复利用，这样提高了系统代码的重用性。11 中北大学学位论文2模型与控制器、视图是相对独立又紧密结合的。由于模型间的相对独立性，改变其中一项并不会影响系统功能，如把Oracle数据库换成MySql以及更换成别的数据库，但是只要模型已经建立，都会有视图做出反馈。基于MVC结构的上述优点使得它在各个领域中得到广泛应用，这个开发模式允许设计者在一个模型中使用不同的接口，也可以针对接口进行大的改动，而不需要修改相应的模型。而在PHP等过程语言开发出来的Web项目中，开发的模式是将各层混合起来进行编程。例如：用户向服务器发送请求数据的动态显示，因为在开发过程中各层的分离不是很直接，导致模型的显示不是特别明显，系统的弹性结构不是很好，难以满足用户的需求。MVC设计模式要求对系统分层，虽然需要投入大量的精力，但是这样设计出来的系统层次分明，不同的层实现各自的功能，而且通过合作实现系统的整体运行。使得代码的管理更加系统化[17]。2.2.3实现MVC架构的方法MVC模型实现的功能主要是：分析请求、数据的交互、数据的处理、动态的反馈。设计和实现每个视图：通过应用JSP技术完成视图显示页面的编写，视图实现从模型中获取数据，完成对数据信息的显示。设计和实现每个模型：通过java语言编写实现模型的功能，它主要提供对保存数据的访问，并且处理服务器发来的请求，将数据传到服务器。设计和实现每个控制器：每个视图是显示是对不同的客户请求做出的回应，控制器作为模型中最为重要的部分，在MVC的设计模式下它通过自己独特的方发处理对应的事件请求，控制器经过初始化后与视图、模型建立了联系。并且启动了事务处理机制，但是具体的方法实现需通过界面平台。2.3Web应用程序开发技术2.3.1Java技术12 中北大学学位论文1995年Sun公司推出了一种新型的面向对象语言，开发人员的设计实现了Java既是一种编程语言，也是一种设计平台。Java起初名字是OAK，而在最后的发布时才命名为Java。“一次编写，处处执行”是该程序设计语言的主要特点，我们通过开发软件编写程序，经过翻译后变成一种字节码，最后通过平台内部的解释器将字节码翻译成为可以识别的机器码。Java程序可以在不同的操作系统中运行，只要在该系统中安装对应的Jdk，这样使得开发语言具的跨平台性得到充分的体现。由于Java语言的突出特点使得它获得了众多开发者的青睐[18]。与目前的C++相比，Java语言简洁的多，而且提高了可靠性，此外，它还有较高的安全性。使用Java语言开发的程序经过内部编译和Jvm的运行最终将程序转换为计算机可以识别的机器码，使其可以在计算机上运行[19]。基于Java语言的特点使得它在在应用方面特别广泛，尤其是在Web应用系统开发。以下是Java语言的相关特性介绍：1简单性Java的语言规则和c++类似。从某种意义上讲，Java语言是从C语言转变过来的，其次，Java语言提供和了丰富的类库和API文档以及第三方开发包。最后，它取消了指针并且实现了垃圾自动收集器，大大简化了设计人员的资源释放方面的工作。2面向对象Java高级编程语言的面向对象特性是它的基础特性，也是它的核心。这门语言提倡万物皆对象，这个特性表明所有元素的访问都必须进过类和对象来实现访问。3可移植性Java程序的运行与操作系统相关性不大，因为只要在系统上安装对应的Jdk，Java程序的运行就可以在电脑上运行，Java开发了针对各种操作系统的Jdk,这样大大的方便了系统的移植。同时，Java根据不同的系统设计了不同的程序接口，这样使得它的开发库实现了移植特性[20]。4健壮性健壮性是希望实现的目标，在编写各种应用程序时，Java可以实现纠错的功能，并且可以消除错误，由于多种集成设计软件的出现，使得Java程序设计变得更加简单。通过使用这些集成软件开发应用项目，使得开发周期大大缩短。13 中北大学学位论文5解释性运行Java程序需要解释器，任何移植了Java解释器的计算机或者其他设备都可以运行Java的字节码。由于字节码本身带有许多信息且独立于运行平台之上，使得开发过程更加迅速，更加具有探索性[21]。2.3.2JSP技术JavaServerPages简称JSP，它的出现时为了简化servlet的工作原理。在1997年Sun公司设计了第一款服务器并且推出Web项目开发对应的API。虽然它可以胜任所有的工作，但是部署过程中太过于复杂[22]。为了克服Servlet的这些弱点，Sun推出了JSP。JSP的出现实质就是对于Servlet在使用上的补充，JSP主要由Java代码和Html代码组成，而且最终以动态界面的形式传到浏览器上。JSP语言的技术方法：为了更好、更快的进行Web项目开发，通过以下的改进，使得它成为建立动态网站的首选技术。1将内容的生成和显示进行分离在Web项目开发过程中，设计人员通过使用超文本标记语言或者可扩展标记语言完成显示页面的生成。2可重用组件在JSP页面开发过程中可以使用许多重用性高的组件来实现某些功能如：JavaBean。这些组件在开发过程中可以广泛的共享，通过有效的共享使得系统的开发的速度加快，提高了开发的效率[23]。3采用标签库在JSP开发过程中，EL表达式是个很好的工具，但是它的功能十分有限，在这种情况下需要引进JSTL，通过两者的配合，基本可以完成全部功能。JSP的标签使用十分简单，它遵循了Xml的标签语法。但是它实现的功能十分复杂，如:单机表头排序。4适应平台14 中北大学学位论文由于Java语言具有跨平台的特性，所以JSP可以在任何操作系统中运行，可以从一个操作系统移植到另一个操作平台，只需要在对用的平台安装对应的JDK即可。所以，JSP程序可以适应任何操作平台[24]。5、数据库连接JSP程序中有HTML和java程序，在Web项目中为了实现与数据库的连接，在程序设计过程中，可以把数据库的连接程序封装在JSP程序中，用户通过页面的操作完成数据库的连接。2.3.3JavaBean技术JavaBean简称Bean，从本质上来说，JavaBean实际上是个Java类，这个类用Java高级语言编写，在这个Java类中它封装了Java类所指对象的属性以及本身所具有的方法实现某种业务逻辑而抽象出来的对象[25]。JavaBean分为两大类：不可视化JavaBean和可视化JavaBean。简单理解就是具有GUI图形用户界面的JavaBean就是可视化JavaBean；应用到JSP中，没有GUI图形用户界面且对最终用户不可见的JavaBean就是不可视化JavaBean。使用JavaBean的优点有：（1）一次性编写。在版本控制上JavaBean的一次性编写可以起到良好的作用，开发人员可以对JavaBean不断的改进，优化编写的代码，增加代码的重用性，减少类似错误的发生，提高了JavaBean的质量；在系统维护上，由于在重用方面开发人员不需要重新编写JavaBean，只需调用每个业务逻辑来维护和修改系统，这样降低了系统维护的工作量和时间[26]。（2）可移植性好。JavaBean是基于Java语言编写的，具有很好的可移植性，能够在各种分布式网络环境和不同的平台上执行相关任务，实现了跨平台的需求。（3）重用性好。JavaBean之所以可以被多个方案使用例如Web应用，应用程序等，是因为其具有很好的重用性。15 中北大学学位论文2.4数据库连接技术2.4.1JDBC简介在远程监控系统中需要存储大量的设备信息，而这些信息的存放要使用数据库，而系统与数据库建立连接需要使用的是JDBC技术。这项技术是基于Java开发语言设计的，通过采用不同的驱动器就可以实现远程监控系统与许多数据库进行连接。它是一套面向对象的应用程序接口，指定了同意的访问各种关系型数据库的标准接口[27]。JDBC主要体现的作用是一下三个方面：首先是通过接口中的方法实现与数据库建立连接。其次是向数据库发送增、删、改、查四种不同的数据库语句。最后是通关过数据库的操作将结果集返回。根据JDBC主要实现的功能，下面介绍其内部主要的接口：1java.sql.Connection：Connection接口实现与相应数据库进行连接。2java.sql.Statement：在确定建立连接以后，该接口会向数据库发送SQL语句。在JDBC中有3种Statement对象，分别是Statement、PreparedStatement、CallableStateent。Statement只是执行不带参数的语句；PreparedStatement[28]执行动态的SQL语句，而最后一个适用于数据库存储过程的调用[29]。3java.sql.DriverManager：用来管理数据库中所有驱动程序。它是JDBC的管理层，它的作用就是实现数据库与驱动程序件建立连接。它的有效性体现在用户与驱动之间。如果通过getConnection方法可以返回连接，则连接已经返回，否则会抛出异常。4java.sql.ResultSet：这个接口相当于一个临时表，用来暂时存放数据库查询操作获得的结果。它的实例具有指向当前数据行的指针，指针开始的位置在第一条记录前面，通过next方法向下移动。2.4.2JDBC访问数据库使用JDBC技术对数据库进行操作时，其具体的工作流程如图2.7所示。图2.7JDBC的工作原理16 中北大学学位论文JDBC具体程序设计步骤如下：1首先通过Java库中的静态forName方法加载数据库的驱动；2编写数据库的连接路径；3通过接口中的方法实现数据库的连接，但是需要传入数据库的参数；4通过接口的方法建立语句对象；5根据接口提供的三种不同的方法执行不同的SQL语句；6根据增、删、改、查四个不同的逻辑返回不同的查询结果；7每次当操作完成以后需要关闭数据库连接对象，避免内存的过度消耗；在整个Web项目中将JDBC程序写在工具类DButil中，把数据库的配置信息放在Properties文件中，通过解析文件来实现连接，在Web项目中根据不同的对象建立不同的Dao接口，并且编写它的实现类。实现类中封装了对于数据库的增、删、改、查的访问，通过调用完成与数据库的交互[30]。2.5本章小结本章主要介绍了远程监控系统的系统结构、设计模式，并且详细介绍了B/S和C/S模式下的系统特点，通过两个系统的比较，我们最终采用了B/S的模式以及MVC设计模型，使得系统运行稳定，本章还对开发Web系统程序时用到的Java、JSP、JDBC等相关技术进行了介绍。17 中北大学学位论文3远程监控系统总体设计与分析3.1系统总体设计3.1.1系统背景介绍随着计算机网络技术的不断发展以及自动化水平的提高，实现自动控制和管理的远程监控系统已然成为一种可能，在现代化企业的管理中会出现一些问题，尤其是在设备管理的过程中会出现一些问题。如：设备出现故障需要紧急停止运行，如果需要从很远的地方赶到现场操作，有可能设备会受到损坏；如果工作人员需要了解设备信息和产品信息，经常需要到每台设备前的人机界面上查看，这样不能得到实时数据，并且还需要记录，这样会造成许多不便。基于在现场设备管理出现的种种问题，表明开发一个基于Web的远程监控系统十分重要[31]。远程监控系统是基于远程监控技术与网络通信技术的的结合而产生的，两项技术对于整个系统给的实现提供了很大的帮助。远程监控技术已经许多领域得到应用。系统可以远程控制设备PLC连接的硬件状态（Stop/Run），采集设备信息，通过两项功能的实现使得设备的使用更加有效、员工的工作效率得到了很大的提高。这样对于整个企业的发展有着很大的帮助。该系统已经在许多领域得到广泛的应用。3.1.2系统设计目标系统为了满足客户的使用要求，主要的需求分析如下：1系统应该具有完整的功能，首先，通过设备层和控制层实现现场信息的获取。其次，通过串口通信实现监控机与主PLC的数据交互。最后，通过浏览器实现系统的安全登陆并且完成对设备的监视与控制。2系统整体设计需要具有可扩展性强，易维护的特点，从而有利于系统今后的升级、扩展。3实现设备远程控制，在网络通信正常的情况下，客户可以通过在任何网络中的监18 中北大学学位论文控机上通过输入正确的URL实现登陆，最终达到远程操作设备的功能。4由于企业的生产信息需要保密，所以系统的设计要保障有很高的安全措施，如：设置防火墙，添加登陆验证，采用过滤器等方法。5系统设计的页面业务逻辑清晰、用户体验好、系统操作简单，仅仅通过浏览器的使用就可以完成设备的远程监控。3.1.3系统总体结构按照图3.1所示，系统可以分为客户端浏览器、Web服务器、现场设备三个子系统。图3.1远程监控系统结构图Web服务器和数据库两个模块组成了Web子系统，其中服务器部分主要完成与设备层的数据交互，并且通过浏览器完成相关操作，而数据库部分实现信息的高效存储。客户子系统由监控计算机机组成，主要的任务是通过浏览器向服务器发送请求，下载客户请求所对应的网页并在浏览器中显示。浏览器接受相关数据输入，并通过浏览器和Web服务器向PLC发送命令；现场设备层的控制子系统包括PLC及相连的硬件设备，负责完成对现场设备信息的获取和交换，通过企业网络使得设备信息在浏览器界面显示，并且用户可以通过浏览器实现设备信息的查看。监控机与主站PLC通过串口实现通信并且完成了设备信息的上传与用户命令的获取。监控机侧通过JAVA语言来实现，而PLC侧通过其专有协议的命令帧格式来编写。表明串口通信的实现是系统的重要部分。19 中北大学学位论文本文研究的基于Web的设备远程监控系统采用基于B/S的设计模式，这种模式与传统的C/S模式不同，基于B/S的监控系统不会受到地域的限制，这是一种相对开放的应用网络系统，它具有诸多优点如：安全可靠、实时传输、系统部署简单等。正是由于B/S系统的优秀特性，从而真正实现稳定的远程监控。监控对象选取为实习项目中液晶面板生产中成盒式工艺产线的设备，主要对产线中各个PLC设备进行监控与控制。主要解决的问题第一是设备内部信息的采集，主要依靠CC-LINK现场总线通信完成。第二是设备间信息的交互，主要依靠MELSECNET/H网络通信实现各台设备的信息交互，并且完成所有设备的信息汇总到主PLC中。第三是设备的监控与控制，主要依靠串口通信实现PLC与监控机的通信完成信息的交互。第四是在完成信息的交互后实现信息的存储和展示，主要依靠Java程序设计和数据库的操作。3.2系统总体分析3.2.1系统功能分析系统主要功能如下所示：1设备的远程控制；将一台设备的PLC设置为主站，其余设备的PLC通过Melsec/H网络连接，每个PLC连接一些外部设备，主站PLC通过串口通信与计算机相连实现实时通讯。通过不同设备PLC的站号完成对应设备的控制。重要的是实现了局域网中的远程监控，用户在局域网络中的任意装有浏览器的电脑，就可以输入登陆系统的网址，登陆完成后根据需要做出的操作下达对应的指令，最后通过网络通信实现设备的远程控制操作。2监视与管理；用户可以通过浏览器给设备发指令，设备通过解析指令并将设备信息通过串口通信将设备信息传输给监控机。其次，PLC将设备信息实时上传到监控机，方便用户了解设备的历史信息，通过两方面的功能实现完成用户对设备的监控。3产品数量的的采集；系统采用光纤传感器和CC-LINK模块相连，通过传感器的状态变化产生的上升沿20 中北大学学位论文完成PLC对产品数量的统计，通过浏览器页面的表单的提交操作将数据传给服务器，服务器处理相关请求后，通过接口中封装的增加逻辑把产量信息存放在数据库中，通过柱状图的形式显示在JSP中。用户可以实时查看生产数据。3.2.2系统硬件组成远程监控系统的硬件配置如下所示：1台式电脑一台，作为Web服务器和数据库服务器的载体，使用三菱Q系列PLC的串口通信协议进行通信。2根据实际情况使用三菱Q系列PLC(Q06HCPU)若干台和串口通信模QC24，CC-LINK以及控制网络等相关网络模块，每台PLC可以连接多个硬件设备。PLC与PLC之间通过专用光纤进行连接，PLC与监控计算机之间使用RS-232串行通讯标准。3根据系统的应用每台监控机需要安装常用浏览器。远程监控系统的软件环境如下所示：监控机安装的是WindowsXP操作系统，而在服务器的选择上使用Tomcat，根据数据库的高效性数据库使用的是Oracle11g。整个系统开发使用MyEclipse开发工具。3.3系统运行环境3.3.1系统运行平台嵌入式系统：这是一种为某些特定应用而设计的专用系统，它的核心是由一些烧入程序的微处理器/单片机构成，主要功能是用来控制一些大型设备。现在，已经有很多的嵌入式系统得到广泛使用。微软Windows：MicrosoftWindows系列操作系统是美国微软公司开发的一套操作系统。由于系统版本的更新出现了不同的操作系统，但是这些操作系统都是以WindowsNT内核为基础的，而系统根据一次处理数据的能力也可以分为32位或64位。可以是Intel处理器也可以是AMD的处理器。即使许多用户对开源的操作系统十分热衷，导致了Windows的市场占有率有所下降，随着系统的不断更新，Windows渐渐成为广大用户的21 中北大学学位论文最爱。截至到目前为止，世界上绝大部分的用户选择使用Windows操作系统。苹果MacOS：它是一套运行在苹果系列电脑的操作系统，这个系统在商业领域获得了很大的成功。本系统根据实际情况选择WindowsXP作为监控机的操作系统，使用Java语言编写完成后，在监控机上安装Windows版本的JDK即可运行。3.3.2系统开发平台在项目开发前对于开发平台的选择十分重要，由于项目是基于Web的远程监控系统，最后决定使用Eclipse+MyEclipse联合的开发平台，Eclipse的开发使用了大量的优秀资源、耗费了开发者大量的时间，通过不断的修改完成这个开发工具的设计。Eclipse给开发者提供好的开发平台，使各种程序的开发变得方便、快捷。之后许多软件巨头将注意力集中在Web开发工具的研发上，虽然研发成功，但是这些应用安装程序需要的安装空间比较大，运行速度较慢，并且外界不能对其修改，完全跟不上软件开发的速度。而Eclipse是由许多无私的开发者设计而成，由于其开源特性使得别的开发者可以给软件添加功能。作为目前IDE的侥侥者，Eclipse由于其突出的优点使得它的使用者众多，它的优点简单介绍如下：首先，Eclipse软件是开源的，任何使用者无需购买可以直接从官方网站下载，而且Eclipse软件的代码也对外开放可以免费获得。其次，Eclipse不需要安装，但是它的使用必须安装JDK，通过将JDK配置好路径便可以使用。再次，Eclipse是十分开放的，任何个人或者厂家都可以在Eclipse平台上编写各自需求的插件。总之，Eclipse是优秀的java开发工具，许多优秀的特性是别的开发工具所不能比拟的。Eclipse提供了许多开发包供开发者使用，但是没有提供下相应的JSP开发环境。由于Eclipse没有提供下相应的JSP开发环境，所以为我们选择MyEclipse与其配合，这款软件大大提高了软件的开发效率。它具有许多特色，如：图形化配置管理、代码跳转等优秀特点，使得J2EE开发更加迅速，MyEclipse的项目可以注入框架，这使得它可22 中北大学学位论文以紧跟前沿开发潮流。MyEclipse具有广泛的使用价值主要表现在它的包中具有许多开发工具，还可以帮助项目生成许多对应的组件、执行相应的功能。3.3.3数据库平台远程监控平台数据库采用的是Oracle11g。Oraele11g数据库是Oracle的一组核心产品，由于其在数据管理方面的突出特点，使得它在世界范围内得到了广泛认可，而作为一个通用数据库实现了分布式处理的功能。它适用于各种环境，它的出现给数据处理提供了优秀的方案。Oracle数据库有以下特点:(1)提供了基于角色的权限管理模式。DBA可以给不同级别的用户分配不同的权限，通过角色的分配管理，使得数据库的安全性能得到加强，更加利于企业的信息安全。(2)可以存储许多数据量比较大的文件，如图片、视频等。通过存储这些文件使得整个系统的监控效果更加直观。(3)具有优秀的分布式管理功能，使用Oracle可以更好的完成多数据库的协调任务。通过对Oracle数据库特点的论述,表明Oracle数据库适合为远程监控系统提供数据服务，所以本文中远程监控平台系统采用oracle11g作为数据库，用来存储系统相关设备信息。3.3.4Web服务器Web服务器一般指网站服务器，它是监控系统中的重要组成部分，它的实质就是一款软件，我们将它部署到PC机上使它完成对应的功能。本系统采用的Tomcat服务器是一款开源的产品，在该系统中主要存放由Java的开发的程序。这款产品是公司的核心项目，得到了Sun公司的大力支持，其良好的扩展性和实用性使得系统的运行十分稳定。由于版本的更新，它的性能更加的稳定、技术越来越强大，因此它受到了更多的欢迎[32]。Tomcat服务器是一个免费的Web服务器，这款服务器在同时访问方面有一定的局限性，导致其只能应用在中小型项目中，所以应用在并发量较小的系统当中去，是开发23 中北大学学位论文和调试JSP程序的首选。对我们来说，我们只要在服务器软件存放在固定的磁盘，由于它和数据库的端口号有冲突需要在配置文件中修改对应的端口号，这款服务器是对该公司产品很好的扩展，当它处理来自浏览器的请求时，它实际是一个独立的进程。3.4本章小结本章首先介绍系统的相关开发背景和监控对象的选取。其次，分析了系统的整体结构和功能分析。最后，阐述了系统的开发环境和系统的运行环境。如：相关的PLC、智能模块、传感器等。也对系统的运行环境进行了相关介绍。24 中北大学学位论文4远程监控系统的设计方案远程监控系统的功能页面是使用Java高级编程语言在Myeclipse平台上进行编写的，界面显示清晰、易于操作、可以便捷处理事务。下面介绍整个系统各个模块的详细设计方案以及显示系统运行的效果。4.1设备层CC-Link的通信设计4.1.1CC-Link现场总线的介绍1996年年末，三菱自动化公司牵头与多方合作设计并研发了一款叫做CC-Link的现场总线的产品。截止到目前为止，这款产品在亚洲的工控领域已经占到很高的市场占有率，由于其优秀的特点使得它得到了广泛的应用。CC-Link主要用于生产现场的信号采集，它的数据传输速度很高，最高速度为每秒10Mbit，而主站和远程站的接线距离要控制在要求范围内，避免发生信号干扰和信号丢失。由于从站的输入信号要通过链接扫描映射在主站中，而它的扫描周期为1-5ms[33]。使得信号可以有效的存放在主站的缓存寄存器中。CC-Link的设置十分简单，通过一条带屏蔽层的专用电缆就可以将硬件设备与PLC连接在同一网络中，形成了现场的设备层。这样也利于设备连接到控制层和监控层网络中。通过使用CC-Link现场总线省去自动化设备复杂配线的流程，降低了设备整体的成本。CC-Link底层采用的是RS-485协议，通过主站来控制主站与从站间的通信，通信方式采用的是广播-轮询。主站网络通信方法一次进行三次传输。从站首先通过测试传输建立数据连接，然后再实现其余两次传输过程。具体过程是：主站先刷新数据然后传给从站，并轮询第一个从站；第一个从站首先做出响应，并且将响应信息通过网络传递给其余从站；接着进行第二个从站的轮询，在轮询第二个从站时并不发送刷新数据，第二个从站做出回应，依次方法完成了最后的通信[34]。CC-LINK控制的网络是系统的最底层网络即设备层，该层网络结构的主要功能在利用现场总线将设备和相应硬件连接后获取单台设备的设备信息，而CC-Link不只可以25 中北大学学位论文连接远程站，还可以连接有CC-Link站的变频器、电机等设备。4.1.2CC-Link的通信实现循环通信和瞬时传送是CC-LINK采用的主要的通信方式。其中的循环通信说明了在设备层网络中一直在进行数据传递。交换的数据有主要四种类型。一个从站传递的数据量参考其虚拟站的个数，占据一个意味这数据容量是32位，占据两个的话，数据容量成倍扩大，CC-link提供的通讯方式有很多。在设备层网络中，CC-LINK主站通过链路扫描的方式与各远程站实现数据获取，采集到的信息存放在主站的缓冲寄存器中，最后通过PLC的自动刷新实现现场信息存放在PLC的CPU中[35]。其中CC-LINK的网络参数设置下图4.1所示。图4.1CC-LINK的网络参数设置图4.2控制层MELSECNET/H网的通信设计三菱在MELSEC网络的基础上开发出功能更加全面网络传输速度更快的MELSECNET/H网的控制层网络结构，作为新一代的网络结构，PLC与PLC之间以光26 中北大学学位论文纤为介质进行网络传输，通信速度有了很大提高[36]。4.2.1MELSECNET/H网的结构MELSECNET/H的网络系统包含两种分别是单个网络和多个网络的网络系统，单个网络系统的概念是通过传输介质将各站连接起来，多个网络系统概念是通过中继站将子网络连接起来的网络结构。光纤环路系统：在整个网络系统中，可以连接64个站包括1个控制站和63个正常站。在同轴总线系统中可以把任何站设置为控制站，其余的都是正常站，但是必须保证只有一个控制站[37]。系统结构如图4.2。图4.2光纤环路系统同轴总线系统：在整个网络系统中，可以连接32个站包括1个控制站和31个正常站。在同轴总线系统中可以把任何站设置为控制站，其余的都是正常站，但是必须保证只有一个控制站。系统结构如图4.3。图4.3同轴总线系统27 中北大学学位论文MELSECNET／H提供整个系统的控制层网络，这个网络结构的主要功能是通过光纤线将各台设备的PLC连接在网络中，并且实现数据在网络中的传递和主站PLC对从站PLC的控制。选取MELSECNET／H的原因是由于其有以下优点：设置简单、网络稳定、具有冗余回路。现在MELSECNET／H网络只有三菱Q系列PLC才可使用[38]。4.2.2MELSECNET/H网的数据链接1MELSECNET/H网的通信实现MELSECNET/H网络属于系统的控制层网络，通过光纤环路将各台设备的PLC串联在控制层网络中，其中选一个PLC作为主站。通过软件设置实现各台设备进行数据交换，整体网络的设置过程如下：1站号设置:根据现场设备的分布设置对应的站号，站号的设置可以通过软件执行。2模式设置:根据工控现场网络状况对网络模块进行参数设定。3网络连接:在整个网络结构中，通过使用光纤线缆将模块接MELSECNET/H网络。模块的IN接口应与上游设备的OUT接口相连,模块的OUT接口应与下游设备的OUT接口连接。4在同一网络结构内的各台设备的控制网络模块的模式通过GX-Works软件进行设置，保证模块参数设置相同。通过通信模块上的旋钮可以设置传输速率，通常我们选择为25Mb/S,设置冗余系统1为工作站,其余按照顺次排列。由于网络层共有两个环网，所以还需要设置其中的网络号[39]。网络刷新参数设置如图4.4所示。图4.4网络刷新参数设置28 中北大学学位论文4.3动态交互网页的设计与实现4.3.1系统登陆界面用户在系统的登陆页面输入账号、密码、验证码，点击登陆按钮时程序的MainServlet会调用Login方法对用户的信息进行验证。用户所填信息和数据库存储信息完全匹配正确才能进入系统主页面。系统的登陆界面设置相应的提示信息，针对用户不同的填写错误会有相应的提醒。如果登陆页面显示的验证码用户不能很好的识别，可以通过点击验证码的图片来刷新验证码[40]。如果需要添加新用户，可以在登陆以后点击管理员模块，页面就跳转到添加用户页面，填写姓名、账号、密码等相关的详细资料后，浏览器会显示注册成功。系统的登陆界面如下图4.5所示。图4.5系统登录界面4.3.2设备状态查看用户在安全登陆后进入系统的主界面，选择进入设备管理界面，通过界面中的增加按钮获取各台设备硬件的运行情况。其中增加按钮中封装具有查询功能的命令帧，PLC接到命令帧后会将查询结果以ASCII码的形式传给监控机，程序将分析返回的字符串得29 中北大学学位论文到设备的运行状态，并且将数值插入到数据库中。设备硬件运行监控界面如图4.6所示。图4.6设备硬件实时状态界面对PLC返回的ASCII码字符串的解析代码如下：inttsi=transportinformation.length();for(intz=5;z();Enumerationcmpt=CommPortIdentifier.getPortIdentifiers();CommPortIdentifierportId;while(cmpt.hasMoreElements()){portId=(CommPortIdentifier)cmpt.nextElement();if(portId.getPortType()==CommPortIdentifier.PORT_SERIAL){Stringname=portId.getName();System.out.println(name);if(!portList.contains(name)){portList.add(name);}}}44 中北大学学位论文if(null==portList||portList.isEmpty()){showErrMesgbox("未找到可用的串行端口号,程序无法启动!");System.exit(0);}}2.完成串口扫描以后，系统选取程序扫描到的串口进行通信。在选取好串口后将串口打开，打开的方式是使用对应类的open方法。部分代码如下：/***打开串行端口**/@SuppressWarnings("restriction")publicvoidopenSerialPort(){//获取要打开的端口try{Portnum=CommPortIdentifier.getPortIdentifier(portname);}catch(NoSuchPortExceptione){showErrMesgbox("抱歉,没有找到"+portname+"串行端口号!");setComponentsEnabled(true);return;}//打开端口try{serialPort=(SerialPort)portId.open("JavaRs232",2000);statusLb.setText(portname+"串口已经打开!");}catch(PortInUseExceptione){showErrMesgbox(portname+"端口已被占用,请检查!");45 中北大学学位论文setComponentsEnabled(true);return;}3.写串口：系统通过串口包中对应类的的getOutputStream()的方法得到输出流，系统通过方法的实现可以把数据写入串口中。原理图如图5.1所示，部分代码如下：/***给串行端口发送数据**/publicvoidsendDataToSeriaPort(){try{sendCount++;outputStream.write(mesg.getBytes());outputStream.flush();}catch(IOExceptione){showErrMesgbox(e.getMessage());}statusLb.setText("数据发送:"+sendCount+"接收:"+reciveCount);}图5.1Java写串口的实现原理4.读串口：串口对于输入流的读取和Java中文件的的读取十分相似，当监控机接收到表示输入流结束的数据时才可以关闭自己的InputStream。下载的通信包中主要提供了轮询和监听两种读取数据的方式。在两种方法里选择监听的方式实现，原理图如图5.246 中北大学学位论文所示，功代码如下：/***端口事件监听*/@SuppressWarnings("restriction")publicvoidserialEvent(SerialPortEventevent){switch(event.getEventType()){caseSerialPortEvent.DATA_AVAILABLE:byte[]dataRead=newbyte[60];try{while(inputStream.available()>0){inputStream.read(dataRead);}StringBuilderreceivedMsg=newStringBuilder("/--");receivedMsg.append(newString(readBuffer).trim()).append("--/ ");readTa.append(receivedMsg.toString());reciveCount++;statusLb.setText("发送:"+sendCount+"接收:"+reciveCount);statusLb.setText("");}catch(IOExceptione){showErrMesgbox(e.getMessage());}}}47 中北大学学位论文图5.2Java读串口的实现原理5.关闭串口：当用完串口后，应该关闭串口避免下次通信时报错显示串口正在使用。同时也避免过度消耗内存。关闭串口的代码如下所示：/***关闭串行端口**/@SuppressWarnings("restriction")publicvoidcloseSerialPort(){try{if(outputStream!=null)outputStream.close();if(serialPort!=null)serialPort.close();serialPort=null;statusLb.setText(portname+"串口已经关闭!");sendCount=0;reciveCount=0;sendTf.setText("");readTa.setText("");}catch(Exceptione){showErrMesgbox(e.getMessage());}48 中北大学学位论文}5.2.2通信过程的码制转换基于Java编写的串口程序实现了监控机与可编程逻辑控制器的通信，在PLC微型控制系统中，CPU只可以识别十六进制的指令，用户在对设备进行监控和设备信息查看时发出的指令是根据通信协议的指令帧格式编写。每条指令都是有数字和字母组成，数字用于设置设备编号和相关硬件编号，而字母用于用户进行操作的命令编写。如果没有码制的转换PLC不能识别客户发来的命令，那样系统的远程操作功能就不能实现，针对系统中出现的码制转换问题，下面对此进行讨论。第一PLC从串行接口读取的数据转换:当PLC的CPU接受到串行接口传来的数据时，首先，将控制指令转化成PLC可读的ASCII码，码制转换的流程基本为：通过PLC的串行通信协议了解其命令指令，并且把指令对应的ASCII值存在指定的区域中，当接到控制命令时，系统会在区域中查找对应的指令。最终以PLC可读的指令帧传输给PLC，PLC读取指令后实现远程控制功能。第二PLC将数据写入串口时的转换：a模拟量的进制转换，现场许多设备的信息都是通过A/D模块的处理最终实现实际值，如果PLC直接将模拟量数值传给监控机，那么用户看不懂设备的信息。所以，系统要把模拟量显示为0/1的十六进制数据转换为十进制呈现。当获取了设备信息后，系统通过JSP中的JAVA代码实现了进制的转换，实现友好的界面呈现，使得客户直接、准确的了解设备信息。b设备开关量的进制转换：设备中存在许多开关量数据，所以页面程序需要分析十六进制数据来判断设备的状态，如灯亮为1，灯暗为0，通过解析后判断数据位是1/0来判断灯的亮暗。5.3可编程逻辑控制器应用5.3.1可编程逻辑控制器简介1.可编程逻辑控制器简介：可编程逻辑控制器简称PLC，这种控制器可以进行数据计算，这种控制主要应用于49 中北大学学位论文工控现场。由于它的可编程性，使得我们可以通过相应的软件实现更加丰富的功能。如在程序中可以实现定时器功能、计数器功能、并且PLC的相关模块可以实现A/D转换，可以实现将一堆十六进制0、1显示的数据转化为十进制的数据，这样显示的数据更加直观[56]。PLC可以与许多硬件设备相连，如：传感器、灯、变频器、电机等，通过程序的编写使这些硬件设备的功能可以实现。PLC在许多领域得到广泛使用，都是由于它具有许多优秀的特点，下面对其有点进行简单的介绍：1PLC有很强的抗干扰性，可以适用于各种恶劣的环境。2PLC使用简单，易于上手。3PLC适用的领域比较广，功能十分强大。4PLC一般采用梯形图的方式进行编程，容易理解，主要考察对设备的运转步骤的理解。5PLC控制系统的提供了许多网络功能。6体积小、重量轻、功耗低。PLC技术的发展离不开电子技术和计算机技术的帮助。随着它的应用领域的不断扩大，PLC生产厂家对其产品的功能也进行了增加。未来PLC的发展方向第一是产品设计集成化、网络速度快、体积小功能全。第二是网络化结构更加明显，提高产品的兼容性和稳定性[57]。2.可编程逻辑控制器工作原理：PLC上电以后，首先进行的是初始化操作，一些硬件设备准备运行，PLC的执行程序的方式与许多高级语言的执行方式不同，它采用扫描的程序执行方法。这样的工作方式使得系统一直在反复的运行，虽然是扫描执行，但是扫描周期十分短，基本可以忽略不计。即使PLC代码量较大，也不会影响设备的稳定运行。PLC主要实现的功能是接收输入状态、通信连接、系统的初始化。PLC的程序执行流程采用扫描的方式，在一个扫描周期中完成相关操作，当PLC进行输入时，程序将输入信号处理后存放起来。当PLC的CPU进行程序扫描时，存放输入信号的状态不会根据输入信号的变化而发生改变，而在接下来的扫描周期CPU会读取并存储改变的输入信号。当程序从上到下、从左至右扫描一遍结束后，会将信号进50 中北大学学位论文行传输[58]。当PLC在上电运行状态下其运行过程如下图5.3所示。图5.3PLC运行过程5.3.2可编程逻辑控制器的选取PLC型号的选取的原则首先是满足开发的系统要求，其次是保障运行的稳定，最后考虑PLC的性价比考虑因素如下所示：1.产品设计是否合理。2.功能是否满足开发的要求。3.是否实现在线编程的功能。5.PLC对环境的适应性。在本系统的设备层PLC的选取方案首先考虑的是连接的I/O数量，由于PLC会接许多外界设备，所以对I/O的数量要求较高。因此，系统选取了三菱Q系列的Q06HPLC并且添加了处理I/O的CC-LINK模块，以及用于与设备间通信的网络模块，通过各个模块的功能实现，完成了底层设备间数据的交互[59]。Q06HPLC是三菱公司推出的一款功能强大的PLC，它可以完成与上位机的通信实现数据的上传，也可以与其余设备的PLC进行通信完成配合操作，它的存在组建了工业现场稳定网络结构，从而完成相关功能，它的主要特点如下：有专门的编程软件、网络特性好、扩展性强[60]。51 中北大学学位论文5.4本章小节本章对于监控系统中涉及的串行通信和底层的控制设备（PLC）进行了详细的介绍，因为串行通信技术是设备数据显示到浏览器上的桥梁。在整个系统中起着关键的作用，重点先介绍了相关通信知识和程序的编写，然后针对数据传输的码制转化问题进行了研究，通过给出的方法实现了数据的正确显示。最后介绍了可编程逻辑控制器的结构的其通信的实现。通过两项技术的结合解决了系统在通信方面的问题，对于数据的合理显示提供了很大的帮助。总之，它们在远程监控系统中发挥着举足轻重的作用。52 中北大学学位论文6总结与展望6.1工作总结本文通过两种系统模型的比较，确定了远程监控系统的设计方案：选取了B/S的系统模型，采用了MVC的设计模式，通过Web服务器实现系统的数据交互。本文所作的工作总结如下：1.在了解远程监控技术的发展现状后，对未来的发展方向做出展望，详细介绍了系统的开发流程和代码的实现。还分析了系统的安全性能。2.详细介绍了串口通信技术的原理及实现过程，对于数据在传输时的码制转换进行分析。3.本文设计的基于Web的远程监控系统实用性很高，用户的使用不受空间、地域的限制，系统大大的提高了生产效率和企业效益。6.2工作展望远程监控技术融合了许多的科学技术，如果要实现远程监控技术的发展，需要在多个领域进行研究，以后监控系统改善的方向为：1在以后的系统开发过程中，可以实现视频、音频等大数据量的信息传输。2在本次系统开发的代码编写使用了一些简单的技术如：Dao接口等，虽然代码的复用率较高。但是代码量较大，在以后的Web系统开发过程中，可以考虑采用框架来编写提高系统编码的效率。3随着现代通信技术的发展，可以将远程监控和手机有效的结合。在以后的应用中，用户可以通过手机网络实现整个系统的操作，使得用户的操作变得更加的灵活，满足企业对于系统高效性的要求。53 中北大学学位论文参考文献[1]王建新,杨世凤,史永江,等.远程监控技术的发展现状和趋势[J].国外电子测量技术,2005,24(4):9-12.[2]LID,SerizgwaY,KiuehiM.ConeePtdesignforaWeb-basedSupervisoryControlanddata.acqulsition(SCADA)system.Transmission.and.Distribution.Conference.andExhibition:Asiapacifie,Yokohama,2002,l:32-36.[3]曹军义，刘曙光.Internet的远程测控技术.2001.6:17-21.[4]张威.基于现场总线与Internet的远程监控系统研究与应用.浙江工业大学硕士论文.2004:21-24.[5]朱文凯,陶波,何岭松等.基于Internet的测控系统一网络化仪器.中国计量.2004.7:53-54.[6]陆璐，刘发贵．基于WEB的远程监控系统[D]．北京：清华大学出版社，2008．[7]鲍雪亚,赵强,顾德英.基于B/S和C/S混合架构的远程监控系统.仪器仪表学报,2005,8(25):91-93.[8]于海晨,仲崇权.基于Internet的控制系统远程监控方案及实例[J].计算机测量与控制,2001,9(5):14-16.[9]凌振宝,王君,马心璐.基于RFID技术的铁路集装箱实时查询系统的研宄与实现《北京交通大学硕士论文》.2003.2:37-38.[10]覃国容.基于B/S架构的软件项目实施.北京:电子工业出版社,2004,8(l).[11]邱小虎.基于B/S结构的开放性工业信息监控系统研究[D].昆明:昆明理工大学,2001,4.[12]刘敦敏,孙云痊.B/S模式的电力技术监督管理系统权限管理的实现[J].计算机应用研究,2003,20(11).[13]王才旺.基于MVC的Struts技术研究与应用[D].华东师范大学,2006.[14]邓贵仕,易峰,李文立.支持Multi—interface的MVC设计模式研究[J].计算机应用,2002,22(6):8-10.54 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＇，，：ｖ薄酔１１’、＇－．’‘．－．－；Ｖ，．＇＇ｖ供＇．‘３Ｉ．１、Ｉｉｉｒｔ１ｎ．．；Ｍ．；：ＶＭＩ．Ｖ，ＶＶ．．．，，■＇—．．；‘＇‘；．，Ｖ，馬—Ｉ．郎Ｖ＇Ｔ．；；瓦山诚＇‘１‘Ｉ…＂．！－、＿＊…．Ｖ＊…．■—１－．■，－、，，，，，，門：Ｃｊ：八卑巧心心袖？■．１■．Ｉ■？、，，＇，＇＇．．‘，．．：－，‘－．＇，、，，．？１，，Ｉｔ＇＇？，１＇■．＇Ｉ＇■＇■．：：；：ｉ．’立，■，，，．ｒ－‘。－■‘＾Ｉ１ｉ．ｕｌｉｎ＇护－ＩＭ．：…．‘＇／‘．ｌｌ，？－，■Ｉ－ｎ．■Ｉ＜；ｌ．ｉ＂＇＂ＶＩ（ｍ■心ｆｌｉ１ｉ
