【正文】 有 問題請(qǐng) EMAIL： 1 １ 引言 隨著 Inter 的普及和遠(yuǎn)程控制策略的完善，基于 Inter 的遠(yuǎn)程控制成為可能?；诠娋W(wǎng)絡(luò)（ Inter）的遠(yuǎn)程控制通過廉價(jià)的 TCP/IP 和 Ether 連接克服了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的弊端，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與維護(hù)成本，提高了已有設(shè)備的利用效率和聯(lián)合生產(chǎn)能力，并廣泛地延伸人類的工作空間。目前國(guó)際上已經(jīng)成功地應(yīng)用于遠(yuǎn)程機(jī)器人控制，滿足在空間、海洋和醫(yī)學(xué)顯微環(huán)境中的特殊需求 [3]。 Ferrel 于 1965 就提出了在網(wǎng)絡(luò)控制中時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問題。華盛頓大學(xué)的 教授與 是基于 Inter 機(jī)器人遠(yuǎn)程控制第一人。 Wakita 等人提出 “ 智能化監(jiān)視 ” 遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)，指出低帶寬、需求的重要性。 Bejczy 等人提出遠(yuǎn)程控制中 “ 虛擬機(jī)器人 ” 的概念。 KukHyun Han等人進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)在 KAIST與 UC Davis 之間的 Inter 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，使用由 Java 語言編制的 GUI 監(jiān)視機(jī)器人的狀態(tài)。 Ren C. Luo 等人實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單迷宮中多障礙存在條件下機(jī)器人自動(dòng)路徑尋優(yōu)，該實(shí)現(xiàn)是遠(yuǎn)程控制與智能控制兩種先進(jìn)控制手段的典型結(jié)合。 Rovetta 等人使用優(yōu)化的通訊媒介混合進(jìn)行遠(yuǎn)程 外科手術(shù)。德國(guó)空間研究項(xiàng)目 —— ROTEX 系統(tǒng)是公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制成功范例。它采用多個(gè)超前 Kalman 濾波器作預(yù)測(cè)， 1993 年裝備于哥倫比亞航天飛機(jī)上。目前在國(guó)內(nèi)還沒有對(duì)基于 Inter 的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)性研究 [4]。 原來的基于公用電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) [6]，雖然實(shí)現(xiàn)了雙向傳輸，但是傳送 /接受速率太低?；跓o線尋呼網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)雖然傳輸速率較高，但只能單項(xiàng)傳輸，不能進(jìn)行反饋。公用電話網(wǎng)和無線尋呼網(wǎng)，還由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況等限制，不能應(yīng)用到家庭。本文設(shè)計(jì)的基于 socket 和 plc 的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，克 服了以上兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的缺陷。本文在 Winsock 的基礎(chǔ)上采用 TCP/IP 傳輸控制協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。由于 TCP/IP 協(xié)議組是為跨越局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境的大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，因此，利用因特網(wǎng)為傳輸媒介，滿足了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用到家庭上時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的需求。另外，由于控制信息在因特網(wǎng)上傳輸時(shí)具有較快的速率，因此可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。本系統(tǒng)在因特網(wǎng)上還可以實(shí)現(xiàn)信息反饋，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、健全，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。用 PLC 作為本系統(tǒng)的可編程控制器，是因?yàn)镻LC 可以通過通信聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)分 散控制，集中管理。 PLC 內(nèi)有成百上千個(gè)可供使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能，具有很高的性能價(jià)格比 [2]。 本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示： 有 問題請(qǐng) EMAIL： ２ 圖１ １ 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 客戶端 1 客戶端 2 客戶端 3 服務(wù)器端 PLC 風(fēng)扇 熱水器 空調(diào) 反饋信息 有 問題請(qǐng) EMAIL： ３ 2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件部分及通信相關(guān)協(xié)議 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 主要由 CPU 模塊 、 輸入模塊 、 輸出模塊和編程器組成。 ａ . 中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng) 程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，近年 來對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 b. 輸入（ Input）模塊和輸出模塊（ Output） 輸入（ Input）模塊和輸出模塊（ Output） 簡(jiǎn)稱為 I/O 模塊，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和 CPU 模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入模塊用來從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、壓力繼電器等來的開關(guān)量輸入信號(hào)。模擬量輸入模塊用來接收電位器，測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。開關(guān)量輸出模 塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥，變頻器等執(zhí)行裝置 [5]。 c. 編程器 編程器用來生成用戶程序，用它來進(jìn)行編輯、檢查、修改 和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。 使用編程軟件可以在計(jì)算機(jī)的屏幕上直接生成和編輯梯形圖和指令表程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言之間的互換。程序被編譯后下載到 PLC，也可以將 PLC 中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。 RS232C 協(xié)議 RS232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA（ Electronic Industry Association）制定的 一種串行 物理 接口標(biāo)準(zhǔn)。 RS 是 英文 “ 推薦標(biāo)準(zhǔn) ” 的縮寫， 232 為標(biāo)識(shí)號(hào)， C 表示修改次數(shù)。 RS232C 總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有 25 條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。 有 問題請(qǐng) EMAIL： ４ 在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條 接收線及一條地線 。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、2400、 4800、 9600、 19200 波特。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用 150pF/m 的通信電纜時(shí)，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于 20m 以內(nèi)的通信。一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會(huì)有兩組 RS232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。 TCP/IP 協(xié)議 TCP/IP（傳輸控制協(xié)議 /網(wǎng)際協(xié)議）是互聯(lián)網(wǎng)中的基本通信語言或協(xié)議。在私網(wǎng)中，它也被用作通信協(xié)議。當(dāng) 用戶 直接網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)， 用戶 的計(jì)算機(jī)應(yīng)提供一個(gè) TCP/IP程序的副本，此時(shí)接收所發(fā)送的信息的計(jì)算機(jī)也應(yīng)有一個(gè) TCP/IP 程序的副 本 。 TCP/IP 是一個(gè)兩層的程序。高層為傳輸控制協(xié)議，它負(fù)責(zé)聚集信息或把文件拆分成更小 的包。這些包通過網(wǎng)絡(luò)傳送到接收端的 TCP 層，接收端的 TCP 層把包還原為 原始文件。低層是網(wǎng)際協(xié)議，它處理每個(gè)包的地址部分，使這些包正確 地 到達(dá)目的地。網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)根據(jù)信息的地址來進(jìn)行路由選擇。即使來自同一文件的分包路由也有可能不同，但最后會(huì)在目的地匯合。 TCP/IP 使用客戶端 /服務(wù)器模式進(jìn)行通信。 TCP/IP 通信是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，意思是通信是網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)主機(jī)與另一臺(tái)主機(jī)之間的。 TCP/IP 與上層應(yīng)用程序之間可以說是 “ 沒有國(guó)籍的 ” ，因?yàn)槊總€(gè)客戶請(qǐng)求都被看做是與上一個(gè)請(qǐng)求無關(guān)的。正是它們之間的 “ 無國(guó)籍的 ” 釋放了網(wǎng) 絡(luò)路徑，才是每個(gè)人都可以連續(xù)不斷的使用網(wǎng)絡(luò)。 許多用戶熟悉使用 TCP/IP 協(xié)議的高層應(yīng)用協(xié)議。包括 萬維網(wǎng) 的超文本傳輸協(xié)議（ HTTP），文件傳輸協(xié)議（ FTP），遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議 (Tel)和簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（ SMTP）。這些協(xié)議通常和 TCP/IP 協(xié) 議打包在一起。 使用模擬電話調(diào)制解調(diào)器連接網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人電腦通常是使用串行線路接口協(xié)議（ SLIP）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（ P2P）。這些協(xié)議壓縮 IP 包后通過撥號(hào)電話線發(fā)送到對(duì)方的調(diào)制解調(diào)器中。 與 TCP/IP 協(xié)議相關(guān)的協(xié)議還包括用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（ UDP），它代替 TCP/IP 協(xié)議來達(dá)到特殊的目的。其他協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)主機(jī)用來交換路由信息的，包括 Inter 控制信息協(xié)議（ ICMP），內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（ IGP），外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（ EGP），邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（ BGP）。 /服務(wù)器端（ C/S）通信 有 問題請(qǐng) EMAIL： ５ Client（客戶端） Server（服務(wù)器端） PLC 圖 21 控制信息流程圖 如圖 21 客戶端和服務(wù)器端之間通過 Inter 進(jìn)行通信，采用了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議組（ TCP/IP）。因?yàn)椋?TCP/IP）協(xié)議組是為跨越局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境的大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，因此，在互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，需采用（ TCP/IP）協(xié)議組 [7]。 所有的網(wǎng)絡(luò)在傳輸協(xié)議上都是分層的，層的集合通常稱為棧。應(yīng)用程序跟最高層通話，最底層則跟網(wǎng)絡(luò)通話。圖 22 顯示了客戶端和服務(wù)器端 TCP/IP 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu) [9]，每一層在邏輯上與另一端相對(duì)應(yīng)的層進(jìn)行連接和通信；物理數(shù)據(jù)是從協(xié)議棧的 上部傳送到底部，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪欢藚f(xié)議棧的底部，然后再?gòu)臈５牡投送蟼魉偷綄?duì)應(yīng)的層。圖中右邊是服務(wù)程序，左邊是客戶程序，可以把基于 HTTP 協(xié)議的WWW 服務(wù)器程序認(rèn)為是服務(wù)程序，把自己計(jì)算機(jī)上的瀏覽器程序認(rèn)為是客戶程序。 電視 冰箱 空調(diào) 有 問題請(qǐng) EMAIL： ６ 圖 22 TCP/IP 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu) 服務(wù)器和 PLC 之間通信 PLC 與服務(wù)器的 m 端口進(jìn)行通信，采用了 RS232C 串行通信方式， PLC 需安裝 FX2N— 232— BD 通信用功能擴(kuò)展板，硬件接線如圖 23所示。 RXD， TXD 和 SG 分別是接收端、發(fā)送端和信號(hào)公共線。 TCP IP TCP IP HTTP 客戶 HTTP 客戶 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序 應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路層 有 問題請(qǐng) EMAIL： ７ 232BD 計(jì)算機(jī) (m) 計(jì)算機(jī)和 PLC 之間的數(shù)據(jù)流有三種形式：計(jì)算機(jī)從 PLC 中讀數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)向 PLC寫數(shù)據(jù)和 PLC 向計(jì)算機(jī)寫數(shù)據(jù)。 ａ． 計(jì)算機(jī)讀 PLC 的數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)從 PLC 中讀取數(shù)據(jù)的過程分為三步： （ 1） 計(jì)算機(jī)向 PLC 發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令。 （ 2） PLC 接收到命令以后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，將計(jì)算機(jī)要讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送給它。 （ 3） 計(jì)算機(jī)在接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，向 PLC 發(fā)送確認(rèn)響應(yīng)，表示數(shù)據(jù)已 經(jīng)收到。 ｂ．計(jì)算機(jī)向 PLC 寫數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)向 PLC 寫數(shù)據(jù)的過程分為兩步： （ 1） 計(jì)算機(jī)首先向 PLC 發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令。 （ 2） PLC 接收到寫數(shù)據(jù)命令以后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，執(zhí)行完成后向計(jì)算機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，表示寫數(shù)據(jù)操作已完成。 ｃ． PLC 發(fā)送請(qǐng)求式（ ondemand）數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī) PLC 直接向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)收到后進(jìn)行相應(yīng)的處理，不會(huì)向 PLC 發(fā)送確認(rèn)信息 [8]。 RXD TXD SG RXD TXD