远程监控技术及其应用发展

丁 律 颜文旭

(江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室,江苏 无锡 214122)

远程监控技术及其应用发展

丁 律 颜文旭

(江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室,江苏 无锡 214122)

从工业自动化远程监控系统通信网络角度出发，介绍工业通信网络和远程通信网络中的关键技术。详细阐述了基于B/S模式的3种远程监控系统。分析了各种通信技术和监控技术的优缺点和发展趋势。最后给出了远程监控技术的应用前景。

远程监控 工业通信网络 远程通信 B/S模式 发展趋势

随着科学技术的不断发展，工业生产过程中监控技术的应用变得越来越重要。以往的监控系统一般采用大型仪表对相关设备的数据与状态进行集中监测，通过操作盘进行相应的控制操作。而随着计算机技术的发展，计算机监控系统被越来越多地应用在工业自动化领域，以计算机作为上位机对现场设备进行监控，结合通信网络和现场执行机构共同构成一个完整的计算机监控系统。近年来，随着生产力的不断进步，工业自动化系统的规模越来越庞大，设备分布越来越离散，对监控系统的要求也越来越多。

远程监控是指远端的监控系统通过通信网络对现场设备、仪器进行监测与控制，以突破地域和环境的限制，降低维护成本，实现远程数据采集、设备监控及信息管理等功能[1]。通过远程监控，管理人员和工程师不必到现场就可以进行系统监控和故障诊断，实现异地资源共享，提高劳动生产率，节约成本。工业通信网络是实现工业自动化远程监控的关键，它主要包含两层内容：工业现场的通信网络，是一种实时控制网络，负责现场设备的控制和数据采集，主要有有线和无线两种通信网络；从现场至远程监控中心的通信网络，负责将现场数据发送至远程数据中心并接收远程控制中心的控制命令。此外，Internet的普及和Web技术的发展极大地拓展了远程监控系统中的监控方式和通信手段，使得基于B/S模式的远程监控技术越来越多地应用在工业自动化系统中。在此，笔者从工业通信网络的角度出发，结合远程通信技术，介绍一种适用于工业现场的远程监控技术及其应用发展。

1.1 工业有线通信网络

工业通信技术发展至今，现场总线和工业以太网是工业现场最常见的有线通信网络。

现场总线是安装在现场装置与自动化装置之间的数字式串行多点通信数据总线，是工业自动化最底层的智能仪表、控制器等设备依据通信协议相互连接的通信网络，具有可靠性高、可维护性好及成本低等优点[2]。文献[3～5]分别将Profibus、LonWorks和CAN应用于工业远程监控系统中，将现场设备以网络节点形式挂接在现场总线上与上位机监控层进行通信。然而现场总线国际标准不统一，互通和互操作问题难以解决，可连接的工作站有限，无法直接接入Internet，通信速率和通信距离差强人意，因此限制了现场总线的发展。

以太网是目前应用最广泛的通信网络，它不仅成本低、组网简单、通信速度快，而且有多种传输介质可选。早期的以太网主要用于办公自动化，其传输性能无法满足工业场合的要求。而随着交换技术、实时数据优先级和无碰撞全双工通信的应用，增强了以太网的实时性，延长了传输距离，使以太网适合应用于工业场合[6]。但以太网通信仍旧无法满足一些工业场合的高实时性要求。文献[7]采用将现场总线与以太网结合的通信方式，利用总线-以太网协议转换器将现场网络节点的总线数据转换成以太网数据帧并发送给上位机监控(图1)，使系统的实时性得到了提高。目前，许多现场总线协议都与以太网TCP/IP协议进行了整合，形成了多种实时工业以太网协议，因此将以太网与现场总线结合将成为未来两者的发展方向。尽管以太网在通信速度、开放性及集成性等方面都优于现场总线，但以太网存在不提供电源、安全性难以保障等缺点，所用的集线器、交换机等设备难以适应工业现场恶劣环境，需要与Internet连接才能实现更远距离的监控。因此，将以太网与Internet连接将成为远程监控系统的新选择[8]。

图1 现场总线接入以太网

工业远程监控系统采用有线通信网络时，虽然系统在可靠性和实时性方面具有一定的优势，但在地域偏远、控制点分散的工业远程监控系统中只使用有线通信就会面临技术和经济上的巨大难题。

1.2工业无线通信网络

工业无线通信技术是继现场总线之后出现的一种新的技术热点，虽然工业以太网应用广泛，然而在工况十分恶劣等不适合铺设线缆的情况下，就有必要利用无线技术组建局域网。目前应用于工业现场的无线技术主要有基于IEEE 802.15.1协议的蓝牙技术、基于IEEE 802.15.4协议的ZigBee技术和WirelessHART技术、基于IEEE 802.11协议的WiFi技术。蓝牙和ZigBee无线通信技术都具有成本低、组网灵活等优点，但通信距离较短[9,10]，在智能家居、农业等场合应用较广泛，而在工业现场只适合设备相对集中的系统。WirelessHART和WiFi无线通信技术都适合应用于工业现场，WiFi的通信速率最快，通信距离也相对较远，但其功耗也最大；WirelessHART技术通信速率较低，功耗较低，安全性较高[11,12]。因此，在工业现场可根据现场条件和系统各方面的要求综合考虑选择相应的无线网络。

尽管无线通信相比于有线通信在成本和结构上更具有优势，但无线通信也存在路径损耗严重、信道误码及通信距离不足等问题，其实时性和可靠性无法满足工业自动化中一些闭环控制系统的要求[13]。因此在工业现场，无线通信短期内无法替代有线通信，而把有线通信与无线通信结合将是工业现场通信网络的发展趋势。

2 远程通信网络

要实现远程监控，必须将工业现场数据通过远程通信网络与远程监控中心进行交互。目前，我国大部分地区都已接入公共电话网，而移动通信网络也基本覆盖了每个地区。因此，可以利用公共电话网和移动通信网络来实现远程监控。

2.1基于公共电话网的远程通信

公共交换电话网络(Public Switched Telephone Network,PSTN)是一种全球语音通信电路交换网络，它不仅在日常生活中应用广泛，而且可以应用于工业现场的远程通信。文献[14,15]利用PSTN实现了现场与远程监控站的通信(图2)，分别完成了现场PLC和远程监控计算机与Modem的连接，通过拨号方式接入PSTN，从而进行远程监控。PSTN可以通过普通拨号电话线入网也可以租用电话专线入网，前者价格较低，通信速率较慢，适用于通信不太频繁的场合；后者通信速率和数据传输质量相对较高，无需拨号，但需要电信局进行架设和开通。

图2 基于PSTN的远程通信

非对称数字用户线路(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)是一种基于PSTN的数据传输技术。文献[16]将ADSL应用于远程监控中，现场站点与远程监控站点均使用ADSL调制解调器接入Internet。ADSL技术在现有的PSTN基础上，通过在线路两端加装ADSL调制解调器进行宽带连接。ADSL技术利用现有的电话线，不需要重新布线，因此成本较低；通信速率比PSTN快，但线路越长，其通信速率越慢，因此ADSL不适合较远距离的远程监控。

2.2基于移动通信技术的远程通信

将移动通信技术应用于工业自动化远程监控中，可以充分利用移动网络覆盖范围广的特点，克服工业自动化系统控制点分散、跨地域所带来的监控困难的问题，且无需敷设专用通信电缆，组网简便，建设周期短，系统运行和维护成本较低。目前，应用在工业远程监控系统中的远距离无线通信方式主要有GSM网络、GPRS技术及3G网络等移动通信技术。

文献[17～19]分别将GSM短信模块、GPRS-DTU模块和3G网络模块应用于远程监控中，利用无线模块将现场采集的数据通过移动无线网络传送给远程监控站(图3)。GSM短消息业务可以结合移动手机实现报警、简单的数据查询等功能，但其数据传输速度较慢，适合对实时性要求不高、数据量较少的监控系统。GPRS技术能兼容GSM，其传输速率相对较快，可接入Internet，但同样不适合大数据量的传输，而且运行费用相对较高。3G网络有着更快的数据传输速度，随着技术的逐渐成熟，其应用也越来越广泛，将3G网络应用于远程监控中，不仅可以实现较大数据量的传输，还可以结合视频系统实现现场工况的监控。随着4G技术的出现，无线传输速度越来越快，技术的成熟和资费的降低将使3G和4G技术越来越多地应用在工业自动化远程监控系统中。

图3 基于移动通信技术的远程通信

3 基于B/S模式的远程监控

远程监控系统从软件结构方面主要分为两种模式：C/S模式和B/S模式。C/S模式在客户端拥有功能完整的应用程序，负责与用户进行交互并处理业务逻辑，服务器端完成数据处理和数据库所要完成的功能。监控系统中常用的组态软件通常为C/S模式，然而C/S模式开发成本较高，客户端较为臃肿，升级维护繁琐。B/S模式主要由浏览器、Web服务器和数据库服务器构成。客户端采用浏览器，界面统一、操作简单，简化了客户端的功能，Internet连接使系统更开放，服务器实现业务处理逻辑和页面存储管理的功能，数据库服务器完成数据处理逻辑的任务。B/S模式系统功能由不同服务器来完成，易于维护和拓展，信息资源共享程度高，正逐步取代C/S模式[20]。以下主要介绍3种基于B/S模式的远程监控系统。

3.1结合组态软件Web发布的远程监控

组态软件广泛应用于工业自动化系统的监控层，通过提供软件平台和开发环境使用户自主开发监控功能。组态软件集成了图形显示界面、实时监控、数据采集、实时数据库、脚本语言及广泛支持I/O设备等功能，且许多组态软件支持用于过程控制的OLE(OLE for Process Control,OPC)技术，增强了其开放性。随着互联网的不断普及，越来越多的组态软件集成了Web发布功能，通过在客户端浏览器中下载、安装或运行插件来实现监控画面的动态显示。文献[21～23]分别采用WebAccess、WinCC和组态王作为上位机监控软件(均具有Web发布功能)，采用B/S结构，将数据库服务器与Web服务器建立在同一台计算机上，将工程监控画面发布到网页，这样远程计算机无需安装组态软件，只需通过浏览器就可以获取与组态软件中同样的工程监控画面、数据报表及报警信息等。利用Web发布结合现场局域网内组态软件的实时监控，可以组成一种B/S和C/S混合结构的远程监控系统，满足不同场合的需要。组态软件的功能十分完整，但它对计算机的要求较高，升级维护繁琐，安全性较差；要获得组态软件的Web发布功能，通常需要购买相关软件，成本较高，系统的开发者在使用不同组态软件前都需要进行软件的学习。

3.2结合嵌入式Web服务器的远程监控

随着嵌入式技术的发展，规模小、成本低的远程监控系统开始采用嵌入式Web服务器来实现B/S模式的远程监控。通过在嵌入式设备内置Web服务器，如Boa、Thttpd及GoAhead等，将网页数据存放在Web服务器中，Web服务器与客户端浏览器之间需要建立TCP连接，用户通过浏览器访问指定地址向Web服务器发送请求命令，服务器分析请求信息，并相应地向浏览器发送指定网页的HTML代码，实现远程监控。嵌入式设备可以通过外围电路直接采集数据，也可以与其他控制器或仪表设备进行通信，来发送控制命令并接收数据。对于监测范围大、监测点多的分布式系统，可以采用多个嵌入式Web服务器对不同站点进行数据采集并与Internet连接，实现远程监控。

文献[24,25]将视频图像采集功能加入嵌入式Web服务器远程监控系统中，采用S3C2410处理器并移植Linux系统，分别构建Web服务器并完成与嵌入式数据库的连接，通过USB摄像头采集图像信息，使远程监控功能更全面，但该方案未考虑系统的安全性。封闭网络内的监控一般采取用户权限设置的方法来保障系统的安全性，但对于开放性网络，则将面临一些不确定的安全问题。文献[26]采用虚拟专用网络(Virtual Private Network,VPN)技术集成了VPN通道、加密和解密、密钥管理、用户和设备认证技术，保障了系统的安全。文献[27]提出一种B/S和C/S混合架构的嵌入式远程监控系统，B/S架构中，Boa服务器利用TCP/IP的应用层超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP)，执行公共网关接口(Common Gateway Interface,CGI)程序来进行与底层硬件的交互，C/S架构的应用程序使用套接字来实现网络间的通信。然而该系统需要同时构建两个服务器，处理器负载过重。

结合嵌入式Web服务器的远程监控系统极大地提高了监控的质量和范围，降低了成本，但嵌入式系统的内存和存储空间均有限，若将嵌入式Web服务器应用于工业自动化系统远程监控，考虑到实时性与稳定性的要求，在实现许多功能的同时需要对系统的硬件和软件进行优化。随着嵌入式技术的不断成熟，嵌入式处理器和操作系统的性能也越来越优越，嵌入式Web处理器将更多地应用于工业自动化远程监控中。

3.3结合Web数据库技术的远程监控

在B/S结构的远程监控系统中，Web浏览器通过网页完成与用户的交互，而以往的静态网页已经无法满足工业监控的要求，这就需要动态网页技术通过Web服务器根据数据库中的数据实时地生成Web页面。早期的动态网页技术主要采用CGI技术，而目前主流的动态网页技术有PHP、ASP和JSP[28]。Web数据库访问过程如图4所示，用户在客户端浏览器通过HTTP协议将信息发送至Web服务器，Web服务器需要对其主机通信接口进行监控，以数据库的中间件和接口技术为基础实现Web环境下应用程序(如HTML、XML等)和数据库的连接，发送SQL命令给数据库，数据库将SQL指令执行的结果以HTML代码的格式或相应的脚本语言格式发送至浏览器。常见的服务器有Apache、IIS及Tomcat等，数据库负责存储现场采集的数据并上传至数据库服务器与Web服务器进行数据通信，常用的数据库有SQL Server、Oracle及Access等。

图4 Web数据库访问过程

文献[29～31]分别采用了JSP技术+Tomcat服务器+SQL Server数据库、ASP技术+IIS服务器+SQL Server数据库、PHP技术+Apache服务器+Oracle数据库的组合，这3种组合是Web开发中常用的方案，适用于开发大型的远程监控系统。尽管利用浏览器进行远程监控操作十分简单，但许多功能和应用的实现仍旧困难，需要利用ActiveX、Java等技术来开发复杂的应用，Web服务器负担较重。将B/S与C/S结合可以充分发挥两种模式的优势，B/S模式适合传输数据量不大的场合，可以满足大多数访问者请求的功能界面；C/S模式适合传输信息量大的场合，只需实现少数人使用的功能应用。随着相关技术的成熟，将B/S模式与C/S模式结合将是远程监控系统的发展趋势，设计合理的B/S与C/S混合结构，扬长避短，才能更好地应用在复杂场合。此外，在远程监控系统中，网络安全问题至关重要，它不仅涉及公司内部机密，还关系到系统设备的正常运行。在Web服务器和Internet网络之间加入代理服务器或防火墙可以过滤访问服务器和数据库的不安全因素，可有效阻止外部对内网的非法访问，还可以利用用户身份验证、安全套接层协议保障远程监控系统的网络安全[32～34]。

4 前景与展望

工业自动化发展至今，工业现场的监控技术已经相对成熟，工业以太网和工业无线技术的不断发展使得工业自动化系统的实时性、可靠性、稳定性及安全性等不断提高。移动通信技术和公共电话网促进了远距离监控技术的发展。而随着网络技术的快速发展，基于B/S模式的远程监控系统改变了传统的监控方式，将浏览器作为人机界面替代监控软件和触摸屏设备，不仅在制造、农业及医疗等场合取得了较好的应用，而且国内外许多高校也开发了应用于远程教学的实验系统。

虽然目前有很多先进的通信技术和网络技术支撑着远程监控系统的发展，但远程监控系统的结构比较复杂，在同一系统中还存在着不同的局域网、不同的通信网络和通信协议及不同厂家生产的设备等，这就需要进一步对综合技术与集成支撑技术进行研究。在Internet的支持下，充分利用B/S模式和C/S模式各自的优势，研究建立支持新一代监控系统的体系结构与参考模型。随着德国“工业4.0”的提出，信息化、数字化、网络化的“智能工厂”成为第四次工业革命的主题，而远程监控技术的发展始终与通信技术、网络技术及嵌入式技术等前沿技术的发展紧密相连，对于实现“智能制造”意义重大，因此必须紧随相关技术的发展，将最新技术及时应用在远程监控中，这样才能使远程监控技术不断发展，更好地应用在工业自动化系统中，使我国“工业4.0”迈上新台阶。

[1] 徐海琴,田作华,曹广益.远程监控技术的新进展[J].微型电脑应用,2004,20(8):3～5.

[2] 马世平.现场总线标准的现状和工业以太网技术[J].机电一体化,2007,13(3):6～8.

[3] 徐世彬,刘焕东,庞锐.基于ProfiBus总线的污水监控系统设计与实现[J].化工自动化及仪表,2009,36(3):79～80.

[4] Wu M,Zhao H,Liu G P,et al.Networked Control and Supervision System Based on LonWorks Fieldbus and Intranet/Internet[J].Journal of Central South University of Technology,2007,14(2):260～265.

[5] Zhang H,Lin G.Remote Intelligent Monitoring System Based on CAN Fieldbus[C].2011 International Conference on Electronics,Communications and Control.Ningbo,China:IEEE,2011:384～387.

[6] Decotignie J D.The Many Faces of Industrial Ethernet[Past and Present][J].IEEE Industrial Electronics Magazine, 2009,3(1):8～19.

[7] 邵勇,赵方平,黄全振,等.基于CAN总线与以太网互联的实时温度和湿度监控系统的研究与设计[J].中南大学学报(自然科学版),2009,40(z1):186～190.

[8] 王学伟,王彦硕.基于以太网的数据采集及监控系统的数据通信研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2006,33(2):109～111.

[9] Tašner T,Les K,Lovrec D.Bluetooth Platform for Wireless Measurements Using Industrial Sensors[J].International Journal of Advanced Robotic Systems,2013,10(1):257～271.

[10] Gill K,Yang S H,Yao F,et al.A ZigBee-Based Home Automation System[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2009,55(2):422～430.

[11] Muller I,Netto J C,Pereira C E.WirelessHART Field Devices[J].Instrumentation & Measurement Magazine IEEE,2011, 14(6):20～25.

[12] 曾磊,张海峰,侯维岩.基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J].电测与仪表,2011,48(7):81～83.

[13] Frotzscher A,Wetzker U,Bauer M,et al.Requirements and Current Solutions of Wireless Communication in Industrial Automation[C].2014 IEEE International Conference on Communications Workshops.Sydney,Australia:IEEE,2014:67～72.

[14] Wang Y,Wu L,Liao J,et al.Design and Realization of Battery Remote Surveillance and Control System Based on PSTN[C]. 2009 International Workshop on Intelligent Systems and Applications.Wuhan,China:IEEE,2009:1～3.

[15] 王琰.基于PLC和公用电话网的增压泵站远程监控系统[J].工业控制计算机,2009,22(10):89～90.

[16] 李磊磊,高德欣,曹庆才,等.基于ADSL-Internet的换热站集中监控系统设计[J].自动化技术与应用,2014,33(7):79～82.

[17] 李明,任飞,章振,等.基于GSM与组态的PLC双层监控系统[J].工矿自动化,2012,38(6):90～93.

[18] 付长顺,侯万雍,金德明,等.基于GPRS的数字油田智能监控系统[J].化工自动化及仪表,2015,42(3):310～312.

[19] Hsieh H C,Lai C H.Internet of Things Architecture Based on Integrated PLC and 3G Communication Networks[C]. 2011 IEEE 17th International Conference on Parallel and Distributed Systems.Tainan:IEEE,2011:853～856.

[20] 李云云.浅析B/S和C/S体系结构[J].科学之友,2011,(2):6～8.

[21] Shyr W J,Su T J,Li C M.Development of Remote Monitoring and a Control System Based on PLC and WebAccess for Learning Mechatronics[J].International Journal of Advanced Robotic Systems,2013,10(2):323～330.

[22] 赵阳,高强.基于Web远程监控系统的设计实现[J].自动化仪表,2015,36(1):31～32.

[23] 陈在平,苗家森,孙全胜,等.基于组态王的加热炉监控系统[J].化工自动化及仪表,2012,39(9):1194～1197.

[24] 房芳,马旭东.基于嵌入式Web技术的监控系统设计与实现[J].计算机工程,2009,35(23):237～239.

[25] Liu Y K,Cheng X D.Design and Implementation of Embedded Web Server Based on ARM and Linux[C].2010 2nd International Conference on Industrial Mechatronics and Automation.Wuhan,China:IEEE,2010:316～319.

[26] Zhou Y T,Chen X H,Wang X P,et al.Design of Equipment Remote Monitoring System Based on Embedded Web[C].The 2008 International Conference on Embedded Software and Systems Symposia.Chengdu,China:IEEE,2008:73～78.

[27] 刘媛,张伟,王知学.基于B/S和C/S架构的嵌入式远程监控系统[J].仪表技术与传感器,2008,(10):39～41.

[28] 张惠琼,邓伟民,旷瑶.动态网页技术:ASP、JSP与PHP的比较[J].计算机光盘软件与应用,2012,(13):214～215.

[29] 董小国,王蓉.基于Web的中水远程监控系统的设计与实现[J].微计算机信息,2006,22(34):86～88.

[30] 张修建,靳硕,赵茜,等.基于Web的工业污水处理远程监控系统[J].系统仿真学报,2012,24(5):1104～1108.

[31] Zhang B F,Li Z W,Ji G X.Design of Large-scale Wind Farm Monitoring System Based on B/S Mode[C].2010 International Conference on Computer Application and System Modeling.Taiyuan,China:IEEE,2010:V3-621～V3-624.

[32] Gutiérrez C,Rosado D G,Fernández-Medina E.The Practical Application of a Process for Eliciting and Designing Security in Web Service Systems[J].Information & Software Technology,2009,51(12):1712～1738.

[33] Kirubashankar R,Krishnamurthy K,Indra J,et al.Design and Implementation of Web Based Remote Supervisory Control and Information System[J].International Journal of Soft Computing and Engineering,2011,1(4):43～51.

[34] 沈勇,朱超.基于SSL的嵌入式Web服务器安全设计与实现[J].计算机与现代化,2012,(7):160～162.

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)