（测试计量技术及仪器专业论文）网络环境下在线质量监控系统的研发.pdf

山东理工大学硕十学位论文摘要 摘要 在现代企业生产过程中，在线质量监控技术的应用受到广泛的重视，被认 为是提高企业市场竞争力的重要途径。本文介绍了一种网络环境下应用s p c 技 术实现在线质量监控系统的实现技术。描述了系统的组成，研究并设计了系统 的结构和软件模型，应用c + + 网络编程技术具体实现了一套由远程质量监控中 心服务器端、现场数据采集客户端组成的潮络化、分布式质量监控系统软件， 完成了网络环境下远程监控和质量分析的整合。该设计方案应用面向对象技 术，采用模块化设计方法，具有较高的可扩展性。 数据采集客户端软件设计可以实现手动采集、自动采集、网络远程控制采 集等多种采集方式。在服务器端软件设计中，利用c + + 网络开发类库a c e 提供 的网络设计框架的支持，实现了灵活、高效网络通讯机制，并结合统计过程质 量控制理论实现对生产过程的在线质量监控。整套系统具有智能数据采集、有 效数据管理、过程能力指数计算、控制图显示以及过程异常自动预警等功能。 最后，通过实例分析展示了该系统客户端和服务器端的使用。本系统适合 于在网络环境下对生产状态进行在线监控和判断，能及时预防和控制生产过程 的质量波动，在很大程度上提高产品质量和企业经济效益。 关键词：远程监控；a c e ；统计过程控制；分布式系统 山东理下大学硕十学位论文a b s t r a c t i 暑量| | 量曼曼皇曼曼曼曼曼量量曹奠奠皇量曼曼詈曼罾| 皇曼罾墨曼量皇墨| 曼曼曼量 a b s t r a c t i nam o d e r np r o d u c t i o np r o c e s s ，q u a l i t yc o n t r o ls y s t e mh a sg o tw i d e s p r e a d a t t e n t i o n ，w h i c hi sc o n s i d e r e dt ob ea ni m p o r t a n tw a yt oi m p r o v et h em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e t w o r ke n v i r o n m e n t a p p l i c a t i o no fs p ct oa c h i e v el o n g r a n g eq u a l i t yc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g y ， d e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no fs y s t e m ，r e s e a r c h e st h es t r u c t u r ea n ds o f t w a r em o d e l ， u s i n gc + + l a n g u a g ea n dn e t w o r kt e c h n o l o g yt oa c h i e v ean e t w o r k e dd a t a c o l l e c t i o na n dq u a l i t yc o n t r o ls o f t w a r e ，w h i c hc o m p o s eo fs e r v e ra n dc l i e n t ， r e a l i z i n gt h ei n t e g r a t i o no fr e m o t em o n i t o r i n ga n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i s t h e m o d u l a rd e s i g nu s i n go b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yh a sh i g hs c a l a b i l i t y i no r d e rt oa c h i e v eh i g hq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sf o re f f e c t i v e m o n i t o r i n g ，c l i e n td a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r es y s t e mt h a tc a nb ea c h i e v e dm a n u a l l y d a t ac o l l e c t i o n ，a u t o m a t i cd a t ac o l l e c t i o n ，r e m o t 。d a t ac o l l e c t i o na n ds oo n t h e d e s i g no fs e r v e rs o f t w a r eu s ec + + n e t w o r kl i b r a r ya c et or e a l i z ea g i l ea n d e f f e c t i v en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，a n dw i t hs p ct h e o r yt oa c h i e v ee f f e c t i v eo n l i n e m o n i t o r i n g o ft h e p r o d u c t i o np r o c e s s t h e w h o l es y s t e mh a s i n t e l l i g e n t d a t a a c q u i s i t i o n ，e f f e c t i v ed a t am a n a g e m e n t ，p r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e x ，d r a w i n gp r o c e s s c o n t r o lc h a r t sa n da b n o r m a lc o n d i t i o na u t o m a t i ce a r l yw a r n i n gf u n c t i o n f i n a l l y , u s i n ga ne x a m p l es h o w e dt h eu s eo ft h es y s t e m t h es y s t e mi s s u i t a b l ef o rt h ep r o d u c t i o no n l i n e a n a l y s i sa n dj u d g m e n t i nt h en e t w o r k e n v i r o n m e n t i tc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h e p r o d u c tq u a l i t ya n de c o n o m i c e f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；a c e ：s p c ：d i s t r i b u t e ds y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：诵勇时间：2 。1 年s 月2 孓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 诹勇 骂次雪 时间：z - 町年歹月西日 时间：如0 7 年! 月艿日 山东理下大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 远程质量监控系统国内外研究现状及发展趋势 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工 学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨 论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法 限制等，并对未来技术发展作了展望由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基 于i n t e r a c t 的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、 计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热 情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。 t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a n n e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r y f a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na ne n g i n e e r i n g m a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工 作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在他们的产品中加入了 i n t e r n e t 的功能，如b e n t l e y 公司的计算机在线设备运行监测系统 d a t a m a n a g e r 2 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式向远程终端发送 设备运行状态信息；著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品 l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过 w w w 、f t p 、e 2 m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国a l a r m 研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进 行了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技 大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果。 如西安交通大学研制的大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统 r m m d 、华中科技大学开发的汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d 、哈尔滨工 业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 等。 统计过程质量控$ 1 j ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sq u a l i t yc o n t r o l ，s p q c ) 方法是机械 加工中质量控制的有效手段之一，能够以较低成本投入，有效提高大批量生产 山东理t 大学硕士学位论文第一章绪论 的产品质量。s p c 在本世纪的工业发展过程中，一直扮演着不可或缺的角色。 尤其在1 9 8 0 年代以后，随着西方工业社会意识到品质复兴的必要性，s p c 的 推广应用已经是现代化工业生产的代名词之一。 统计过程质量控制方法是在计算机技术尚未出现，统计过程质量控制中的 数据采集、处理工作都需要人工完成的技术背景下研制出来的。统计过程质量 控制产生初期，由人工采集数据、处理数据，离线进行数据分析、加工中由质 检员描点进行预防性控制等操作方法被加工企业广泛应用，在提高产品质量方 面起到了很大作用i l 】。 现在技术背景已经发生了变化，特别是计算机辅助测控技术和数据处理技 术飞速发展，为统计过程质量控制提供了新的技术手段。 1 9 8 5 年，u i r i c hr e m b o l d 等人首先在计算机集成制造系统技术与系统 一书中提出质量控制的系统观和计算机支持的质量控制系统的递阶结构和功 能。1 9 8 7 年，t u t t l e 总结了已经被广泛接受的计算机辅助质量系统( c o m p u t e r a i d e dq u a l i t ys y s t e m - - c a q 系统) 的概念。c a q 系统运用计算机实现产品质 量数据的采集、分析、处理、传递的自动化，实现了质量控制、质量保证、质 量管理的自动化。 在中国，随着c i m s 的推广应用，开发和运行c a q 系统已经成为我国制 造企业c i m s 工程必不可少的组成部分。同时，制造企业为提高产品质量也需 要计算机实现质量管理、质量控制和质量保证。 统计过程控制( s p c ) 的理论与方法经过几十年的发展日趋完善。它作为统 计质量控制的科学基础，在企业中得到了成功应用。国外很多大公司的质保体 系中，大多包含有具体的统计质量控制技术。在i s 0 9 0 0 0 质量体系中，也特别 强调统计质量技术的应用。其与计算机技术的结合日益紧密，其在企业内的应 用范围、程度也已经非常广泛、深入。概括来讲，s p c 的发展呈现如下特点： ( 1 ) 分析功能强大，辅助决策作用明显。在众多企业的实践基础上发展 出繁多的统计方法和分析工具，应用这些方法和工具可根据不同目的、从不同 角度对数据进行深入的研究与分析，在这一过程中s p c 的辅助决策功能越来 越得到强化； ( 2 ) 体现全面质量管理思想随着全面质量管理思想的普及，s p c 在企业 产品质量管理上的应用也逐渐从生产制造过程质量控制扩展到产品设计、辅助 生产过程、售后服务及产品使用等各个环节的质量控制，强调全过程的预防与 控制； ( 3 ) 与计算机网络技术紧密结合。现代企业质量管理要求将企业内外更 多的因素纳入考察监控范围、企业内部不同部门管理职能同时呈现出分工越来 越细与合作越来越紧密两个特点，这都要求可快速处理不同来源的数据并做到 2 山东理工大学硕仁学位论文第一章绪论 最大程度的资源共享。适应这种需要，s p c 与计算机技术尤其是网络技术的结 合越来越紧密； ( 4 ) 系统自动化程度不断加强。传统的s p c 系统中，原始数据是手工抄 录，然后人工计算、打点描图，或者采用人工输入计算机，然后再利用计算机 进行统计分析。随着生产率的提高，在高速度、大规模、重复性生产的制造型 企业里，s p c 系统已更多采取利用数据采集设备自动进行数据采集，实时传输 到质量控制中心进行分析的方式； ( 5 ) 系统可扩展性和灵活性要求越来越高。企业外部和内部环境的发展 变化速度呈现出加速度的趋势，成功运用的系统不仅要适合现时的需要，更要 符合未来发展的要求，在系统平台的多样性、软件技术的先进性、功能适应性 和灵活性以及系统开放性等方面提出越来越高的要求。 远程监控技术与s p c 技术结合，实现远程质量监控系统是提高企业产品 质量的重要手段，正得到越来越多的关注。 1 2 网络环境下在线质量监控系统对企业的重要作用 在竞争日趋激烈的当今社会中，产品的质量已经成为影响企业生死存亡的 主要因素，提高机械加工产品的质量是机械工程技术人员永恒的目标。在我国， 制造企业长期以来存在的主要问题是效益低下，其主要原因之一是产品质量问 题。每年由于产品质量带来的经济损失达数百亿元。运用计算机及信息技术， 实现质量系统自动化，提高质量管理水平，对提高我国制造企业市场竞争能力 具有特殊重要的意义。 现代制造业要求具备快速响应研制、快速试制的能力，以缩短产品的研制 周期，降低成本。网络化制造作为可提供快速响应研制能力的一种制造模式， 受到各国高度重视，它以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征，表现为结构上 的分布性、组织上的快速动态可重构性、执行上的并行性以及时间上的快速响 应。 近年来，计算机通信网络技术的飞速发展，给机械制造业带来了更多可能 性，在网络环境下进行机械制造过程中关键工艺参数的异地测试和数据采集， 可以实现制造过程的远距离测试与监控。使分散在不同地理位置不同功能的制 造单元联系在一起，有利于实现网络制造和资源共享，降低生产成本。网络技 术的进步以及相关软件平台的飞速发展为建立开放的、可互操作的分布式测量 系统带来了新的机遇。 产品的总体质量是每个零部件质量的累积，有时一个很小的零部件也能影 响整个产品的使用性能。要全面提升企业的过程质量控制能力，必须从每一个 山东理丁大学硕十学位论文第一章绪论 零部件的加工、每一道工序的处理做起，形成自始至终的过程控制闭环，实现 全面过程质量控制，达到休哈特理论中的全稳生产线。只有形成这样的控制局 面，才能保证企业范围生产过程的可控态。有了稳定的工序状态，才会有稳定 的产品质量。过程质量控制不但要处处有，还要人人参与。它不只是现场操作 工的事情，企业各层的质量管理人员都应积极参与到这一工作中去，从而形成 互相分工、互相关联、互相监督的全员化网络型过程质量保证体系。s p c 正是 在发现了企业的真正需求的前提下，把网络技术、数据库技术与s p c 科学结合 了起来，它为企业提供了一个全面的过程质量解决方案。 网络化s p c 系统，是实现企业全面过程质量控制的优选方案。它以企业局 域网设施为基础，以数据库为平台，以质量数据采集系统、s p c 现场动态监控 系统、质管员监督分析系统、管理层质量查阅系统等为应用框架，构成了功能 完整、运行有效的企业网络化s p c 过程质量控制系统。网络化的系统框架，可 以把质量监控点布置到从办公室到生产现场的任何角落，是全面过程质量系统 的思想基础。系统功能的模块化是企业人人参与过程质量控制，互相监督、互 相制约管理思想的集中体现。另外，s p c 控制系统也是企业e r p 系统的扩展和 延伸，和e r p 有着密切的依存和互补关系，所以，这样的系统构架更易于和e r p 系统实现无缝连接，为企业的数据共享、节约投资提供了技术可能。 1 3 课题的提出和意义 随着现代制造业的网络化发展，作为产品质量监控的重要手段，统计过程 控制技术也应适应网络化制造的需要，建立一套网络环境下的过程控制( s p c ) 监控系统。 本文就是基于制造企业对网络环境下的过程控制系统的要求，特别是对用 于工业现场环境的在线监控的需求，而设计开发的基于网络环境的在线质量监 控系统，包括客户端和服务器端。它可以使操作人员方便快捷的采集需要的数 据，同时在网络上远程、实时进行数据分析判断产品生产过程的受控状态，及 时准确的处理出现的问题。 本文的研究意义在于： 1 、适应企业的需求设计开发出基于t c p i p 协议的网络通讯机制，从而根 据此机制设计客户端和服务器网络测控系统，能够帮助操作人员方便快捷的进 行远程数据采集。 2 、设计研发的服务器端的质量分析系统，应用了先进的数据管理和分析 理论以及统计过程质量控制理论，为操作人员提供了先进可靠的数据分析系 统，使他们可以判断产品生产过程的受控状态，及时准确的处理出现的问题。 4 山东理t 大学硕士学位论文第一章绪论 3 、提高企业的数据处理速度和扩大处理规模，使生产线上测量得到的数 据能及时得到处理，以便及时发现生产中的问题，控制产品质量，降低废、次 品率。 1 4 主要研究内容和方法 本课题是结合国家自然科学基金资助项目“面向质量目标的统计公差技术 ( 项目编号5 0 1 7 5 0 6 6 ) ”进行的部分研究开发工作。研发了一套网络化质量监 控系统。将统计过程控制( s p c ) 的理论应用于网络环境中，实现自动、在线的 数据采集及质量分析。 论文的主要内容如下： 1 ) 基础理论的研究。对各种网络编程技术和统计过程控制( s p c ) 的理 论中，过程能力分析和面向小偏移的控制图理论作具体详细的研究，阐述了理 论研究的内容在设计中的具体应用。 2 ) 在对各种数据采集方案深入分析的基础上，确立了客户端的具体设计 方案和实现技术。 3 ) 在线质量监控系统网络传输机制的研究。网络模型是实现在线质量监 控的核心技术，通过对系统中用到的网络技术的详细分析，展示了部分核心网 络处理代码，展示了本系统采用的高效、模块化、易扩展的网络架构。 4 ) 分析了在线质量监控系统客户端和服务器端软件的系统结构和各个模 块的功能，并通过实例展示了系统的运行状态。 1 5 本章小结 本章研究的内容和所得结论如下； 1 ) 总结了远程质量监控技术的发展历程、国内外研究现状。 2 ) 阐述了网络环境下基于s p c 质量控制技术的的在线质量监控系统在现 代化生产制造企业中能起着至关重要的作用。 3 ) 阐述了本论文提出的意义和所要做的主要工作。 山东理_ 大学硕仁学位论文第二帝在线质量骼控系统戌用的技术方法 第二章在线质量监控系统应用的技术方法 2 1 引言 网络环境下的在线质量监控系统具有分布式、多节点的特点，图2 1 是系 统的一种典型应用模型。在该模型中，每个现场监控点都设有监控计算机，系 统可以同时接受多处现场监控点采集得来的质量数据读入计算机，质量管理员 可以在线监控多个数据采集点的质量信息，并可以与远程控制等手段结合可实 现无人控制，并及时发现质量异常信息，采取必要措施。 图2 - 1 在线质量监控系统应用背景 本文中介绍的系统根据此应用背景，选择了合适的网络开发技术，使用了 c + + 网络基础中间件a c e 为网络开发库，结合s p c 质量分析技术，开发出了 一套适合中小企业使用，灵活，高效的在线质量监控系统。 在线质量监控系统的客户端和服务器端软件应用面向对象的思想以分层 的方式实现，保证了模块自身的相对独立性，可以方便的修改增添模块功能， 而不用对系统结构进行大的修改。使用的面向对象的设计模式和构架方法充分 利用了c + + 语言高性能的优势，实现客户端和服务器间便捷有效的网络通信， 用此模型开发的在线质量监控系统可以实现制造过程的远程实时监控和质量 分析。 6 山东理t 大学硕七学位论文第二章在线质壁监控系统戍用的技术方法 2 2 工业网络技术 2 2 1 工业测控网络的发展 在工业应用实践中测控系统的结构从最初的计算机集中控制系统( c c s ， c o n c e n t r a t e dc o m p u t ec o n t r o ls y s t e m ) ，到第二代的集散控制系统( d c s ， d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，发展到现在流行的现场总线控制系统( f c s ， f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。而以太网又逐渐与现场总线结合并进入工业控制领 域。 测控网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。传 统现场总线技术的问题。根本原因在于现场总线的开放性是有条件的、不彻底 的。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于 它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近些年来， 随着网络技术的发展，以太网开始与现场总线技术结合进入控制领域，形成了 新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化 控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求，目前的现场总线由于 种类繁多，互不兼容，尚不能满足这一要求。而以太网的t c p i p 协议的开放性 使得其在工控通讯领域这一关键环节具有无可比拟的优势。目前，许多公司己 经将以太网引入到工业控制网络中。 由于具有相同的通信协议，以太网能实现办公自动化网络和工业控制网络 的无缝连接；随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的发展，嵌入式控制器、 智能现场测控仪表将方便地接入以太控制网络，直至与i n t e r a c t 相连。容易与信 息网络集成，组建统一的企业网络。网络上的用户无论处于什么地方，也无论 资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的共享数据、设备及其它服务。极大 地解除了“地理位置上的束缚”，这种强大的资源共享能力得益于以太网巨大 的用户群，是目前其它任何一种现场总线都无法比拟的【i l - ”j 。 以太网经过几十年的发展，已经形成了巨大的硬件、软件资源，很多成熟 的技术和产品都可以在工业以太网上直接加以借鉴或移植，但是作为一种控制 网络首先要满足一些基本条件，即必须能够满足控制网络的开放性、互操作性、 通信的实时性、对环境的适应性等方面的要求。开放性和互操作性是以太网技 术的优势所在，但在其他方面需要改进【1 6 】。 l 、实时性问题 引起以太网实时性闯题的主要原因就在于以太网的c s m a c d ( c a r r i e r s e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，带冲突检测的载波侦听多路访 7 山东理t 大学硕士学位论文第：章在线质量脏拧系统席用的技术方法 问) 协议。由于以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方 式，一条总线上挂接的多个节点采用平等竞争的方式争用总线。由于网络的延 时性，会出现以太网的“非确定性问题”，它导致以太网难以满足控制系统通信 的实时性要求。针对以太网的非确定性，可以采用下面的方法来提高网络的实 时性： 1 ) 采用全双工交换式以太网技术。在网络中使用全双工交换机，使网络 分段，把原来的一个大的冲突域分割成几个较小的冲突域，使冲突域中的设备 减少，每个设备所使用的带宽增加，以减少冲突的发生。另外由于交换机是一 种多端口带有处理器和存储器的通信设备，当初始化时，交换机接收到的数据 帧被转发到交换机的每一个端口，当交换机建立了完整的转发数据库后，它将 仅仅把数据帧转发到和数据帧目的地址相对应的端口，这样大大减少了发生冲 突的几率。 2 ) 采用高速以太网。理论上，在相同通信量的条件下，提高通信数率可 以减少通信信号占用传输介质的时间，从而减小冲突的产生概率，减轻非确定 性问题对网络的影响。如可以在在骨干网上采用1 0 0 0 m 光缆，在第二层采用 1 0 0 m 高速以太网，减小冲突的发生。 3 ) 降低网络负载。实际应用应验表明，对于共享式以太网来说，当通信 负荷在2 5 以下时，可保证通信畅通，当通信负荷在5 左右时，网络上碰撞的 概率几乎为零。在本系统中，尽量减少每个节点传送的实时数据的数量，另外 通过限制每个网段站点的数目，降低网络流量。 4 ) 采用虚拟局域网技术。虚拟局域网( v i r t u a ll a n ，v l a n ) 的出现打 破了传统网络的许多固有观念，使网络结构更灵活、方便。实际上，v l a n 就 是一个广播域，不受地理位置的限制，可以根据部门职能、对象组和应用等因 素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。局域网交换机的每一个端 口只能标记一个v l a n ，同一个v l a n 中的所有站点拥有一个广播域，不同 v l a n 之间广播信息是相互隔离的，这样就避免了广播风暴的产生。本系统中， 使用虚拟局域网技术在工业以太网的开放平台上做逻辑分割，将不同的功能 层、不同的部门区分开，从而达到提高网络的整体安全性和简化网络管理的目 的。 2 、可用性阅题 所谓网络可用性，亦可称为网络生存性，是指系统中，任何一个组件发生 故障，都不应导致操作系统、网络、控制器和应用程序以至于整个系统的瘫痪。 它包括可靠性、可恢复性等几个方面的内容。对此我们可以采取两方面的措施： 一是进行冗余设计，增强系统的可靠性；二是提供对系统数据库数据的及时备 份机制，增强系统的可恢复性。 8 山东理工大学硕卜学位论文第二章在线质量监控系统应用的技术方法 3 、安全性问题 由于系统的应用场合并不是在易燃、易爆与有毒等气体的工业现场。所以 本质安全要求并不是很高。但工业现场控制设备通过以太网联接起来时，由于 使用了t c p i p 协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法入侵与非法操作等 网络安全威胁，并因此这成为了另一个重要安全问题。 对于工业以太网，安全问题需要考虑来自外部和内部两个方面的因素。对 外部主要是防范外部网络的恶意攻击，限制外部网络非信任终端对内部网络资 源的访问；对内部主要是防止来自内部网络的攻击和对控制域资源的非授权访 问。 对此，可以采用网络隔离的办法，将内部控制网络与外部网络系统分开。 外部网络系统和内部控制网络系统的隔离通过具有包过滤功能的交换机来实 现。另外，通过引进防火墙机制，防止攻击。 通过上述改进提升了以太网的性能，使之应用于工业现场的若干问题得以 解决。从而本系统得以将网络机制建立在t c p i p 协议之上，实现了网络监控功 能。 2 2 2 网络编程接口综述 编写健壮、可扩展和高效的网络软件是困难的。开发者必须掌握许多复杂 的o s 和通信概念，比如【1 7 】； 1 ) 网络寻址和服务标识。 表示转换( 比如加密、压缩和有可选处理器字节序的异种终端系统间的网 络字节序转换) 。 2 ) 进程和线程创建及同步。 3 ) 本地和远地进程间通信( i p c ) 机制的系统调用和库函数接口。 许多编程工具和接口已被创建用来帮助简化通信软件的开发。在许多操作 系统中，比如u n i x 和w i n 3 2 ，通信协议栈驻留在o s 内核的保护地址空间中。 运行在用户地址空间中的应用程序通过像s o c k e t 、t l i 或w i n 3 2 命名管道这样的 接口来访问驻留内核的协议栈。这些接口对本地和远地的通信端点这样来进行 管理：允许应用打开到远地主机的连接、磋商和启用禁用特定的选项、交换 数据，以及在传输完成时关闭全部或部分连接。其中已成为网络编程的事实标 准的是s o c k e t 接口。 s o c k e t 接口最初是在b s d u n i x 中开发的，用以提供t c p i p 协议组的接口。 从应用的视点来看，s o c k e t 是本地的通信端点，与驻留在本地或远地的地址绑 定在一起。s o c k e t 可通过句柄( 也称为描述符) 来访问。 9 山东理工大学硕f 一学位论文第二荦存线质壁髓拧系统膨用的技术方法 在u n i x 中【l 叭，s o c k e t 句柄与其他句柄共享同一个名字空间，例如，文件、 管道和终端设备句柄。旬柄提供一种封装机制，将应用与内部的o s 数据结构 的知识屏蔽开。句柄标识特定的由o s 维护的通信端点。在w i n d o w s 中，微软公 司实现了w i n s o c k 编程接口，与u n i x 下的s o c k e t 实现兼容。 s o c k e t 接口含有多个系统调用，可分为以下类型： 1 ) 本地管理：s o c k e t 接口为管理本地上下文信息提供以下函数： s o c k e t ：分配最小的未用s o c k e t 句柄； b i n d ：将s o c k e t 句柄与本地或远地地址相关联； g e t s o c k n a m e 和g e t p e e r n a m e ：分别确定s o c k e t 所连接的本地或远地地址； c l o s e 释放s o c k e t 句柄，使它可用于后面的复用。 2 ) 连接建立和连接终止：s o c k e t 接口为建立和终止连接提供以下函数： c o n n e c t ：客户通常使用c o n n e c t 来主动地与服务器建立连接； l i s t e n ：服务器使用l i s t e n 来指示它想要被动地侦听进入的客户连接请求； a c c e p t ：服务器使用a c c e p t 来创建新的通信端点，以为客户服务； s h u t d o w n ：有选择地终止一个双向连接的读端和，或写端流。 3 ) 数据传输机制：s o c k e t 接口提供以下函数来发送和接收数据： r e a d w r i t e ：通过特定句柄接收和传输数据缓冲区； s e n d r e c v ：与r e a d w r i t e 类似，但它们提供一个额外的参数来控制特定的 s o c k e t 特有操作( 比如交换“紧急”数据，或“偷看”接收队 列中的数据，而又不把它从队列中移除) ； s e n d t o r e c v f r o m ：交换无连接数据报； r e a d v w r i t e v ：分别支持“分散读”和“集中写”语义( 这些操作优化用户 ，内核模式切换并简化内存管理) ： s e n d m s g r e c v m s g ：通用函数，包含了所有其他数据传输函数的行为。对 于u n i x 域的s o c k e t ，s e n d m s g 和r e c v m s g 函数还提供在同一主机 的任意进程问传递“访问权限”( 比如打开文件句柄) 的能力。 4 ) 选项( o p t i o n ) 管理：s o c k e t 接口定义以下函数，允许用户改变s o c k e t 行为的缺省语义： s e t s o c k o p t 和g e t s o c k o p t ：修改或查询在协议栈不同层次中的选项。选项包 括多点传送、广播，以及设置获取发送和接收传输缓冲区的大小； f c m l 和i o c t h 是u n i x 系统调用，使在s o c k e t 上能够进行异步i 0 、非阻塞i 0 ， 以及紧急消息递送。 除了上面描述的s o c k e t 函数，通信软件还可使用以下标准库函数和系统调 用： g e t h o s t b y n a m e 和g e t h o s t b y a d d r ：处理网络寻址的多种情况，比如映射主机 1 0 山东理t 大学硕士学位论文 第二章在线质量监控系统麻用的技术方法 名到i p 地址； g e t s e r v b y n a m e ：通过服务的端口号或人类可读的名字来对它们进行标识； n t o h l 、n t o h s 、h t o n l 、h t o n s ：执行网络字节序转换； s e l e c t ：在成组的打开的旬柄上执行基于i o 和基于定时器的事件多路分 离。 s o c k e t 访问本地和远地i p c 机制提供了广泛的接口。但是这些接口都有若 干局限。下面的讨论聚焦于s o c k e t 接口的局限，但是其中的大多数也适用于其 他网络编程接口。 高错误可能性：在u n i x 和w i n 3 2 中，s o c k e t 、文件、管道、终端和其他设 备的句柄是用“弱类型”的整数或指针值来标识的。这样的弱类型检查会导致 微妙的运行时错误。例如，s o c k e t 接口无法确保用于不同通信角色( 比如主动v s 被动连接建立，或数据报v s 流通信) 的s o c k e t 函数的正确使用。而且，编译 器无法检测或阻止旬柄的错误使用，因为句柄是弱类型的。因而，可能会不正 确地对句柄进行操作，例如，在为建立连接而设置的句柄上调用数据传输操作。 复杂的接口：s o c k e t 提供了单一接口来支持多种协议族，像t c p i p 、 i p ) ( s p x 、i s o o s i 和u n i x 域的s o c k e t 。s o c k e t 接口含有许多函数，支持不同的 通信角色( 比如主动v s 被动连接建立) 、通信优化( 比如在单个系统调用中 发送多个缓冲区的w r i t e r ) ，以及用于不常使用的操作的选项，比如广播、多点 传送、异步i o 和紧急数据递送。尽管s o c k e t 将这些功能组合进一个通用的接口， 所得到的机制仍然是复杂而又难以掌握的。这样的复杂性源于s o c k e t 接口过于 宽泛的和一维的( o n e d i m e n s i o n a l ) 设计。 2 2 3 面向对象的设计模式和构架 多年来，在某些已被广泛探索的领域中的开发者已经成功地应用了面向对 象技术和工具。例如，m i c r o s o f t m f c g u i 构架和o c x 组件是p c 平台上用于创 建图形商业应用的事实上的工业标准。尽管这些工具有着自身的局限，它们仍 然演示了复用通用构架和组件的生产效率优势。 在像电信、医学成像、航空控制和在线事务处理这样的更复杂的领域中， 软件开发者历来就缺少标准的、成型的中间件组件。结果，开发者在很大程度 上是从头开始构建、验证和维护软件系统。在一个政府经济干预减少的艰难的 全球竞争时代，这样的作坊式开发过程正在变得难以容忍的昂贵和费时。在业 界，这样的情形导致了一场“分布式软件危机”：计算硬件和网络在变小、变 快、变得更为便宜；而分布式软件的开发和维护在变大、变慢、变得更为昂贵。 构建分布式软件的挑战源于与分布式系统相关联的固有的和非固有的复 山东理下大学硕七学位论文第二章在线质毋髓拄系统府用的技术方法 杂性。固有的复杂性源于开发分布式软件的基本的挑战，其中主要的有：检测 和恢复网络及主机失败、最小化通信响应延迟的影响，以及确定服务组件和工 作负载在网络的处理单元上的最优划分。 ， 非固有的复杂性源于用以开发分布式软件的工具和技术的局限。例如，许 多标准的网络机制( 比如s o c k e t 和t l i ) 和可复用组件库( 比如xw i n d o w s 和s u n r p c ) 缺乏类型安全的、可移植的、可重入的和可扩展的应用编程接口( a p i ) 。 同样地，通用网络编程接口，如s o c k e t 和t l i ，使用弱类型的整型句柄，可能 会导致微妙的运行时错误。 复杂性的另一来源起因于算法分解的普遍使用，它致使软件系统不可扩展 和不可复用。尽管图形用户接口( g u i ) 普遍采用面向对象技术构建，典型的 分布式软件通常仍然使用算法分解进行开发。在一些流行的网络编程教科书中 的例子基于面向算法的设计和实现技术，从而更加恶化了前述问题。 可扩展性和最大限度复用的缺乏对于复杂的分布式软件是特别成问题的。 可扩展性是确保服务和特性的及时修改和增强的基本要求。复用是有效利用专 家开发者的领域知识、以避免重新开发和重新验证“反复出现的需求和软件挑 战的通用解决方案”的基本要求。 解决方案是使用面向对象的设计模式和构架。面向对象的设计模式和构架 有助于减少对分布式软件的核心概念和抽象的昂贵的重新发现和发明，它们因 此而备受重视。模式提供了一种封装设计知识的方法，这些设计知识为标准的 分布式软件开发问题提供解决方案。例如，模式对于描述重复出现的“微型结 构”( 比如反应堆( r e a c t o r ) 和主动对象( a c t i v e o b j e c t ) ) 十分有用，这些微 型结构是对一些己被证明可用于构建分布式通信软件的通用对象结构的抽象。 但是，被文档化为模式的抽象并不直接产生可复用代码。因此，有必要通过构 架的创建和使用来增加对模式的研究。 通过集成成组的抽象类，并定义这些类的协作的标准途径，构架为应用提 供了可复用的软件组件。构架实例化设计模式族，以帮助开发者避免对通用分 布式软件组件的昂贵的重新发明。其成果是。半完成”的应用骨架，它可以通 过继承和实例化构架中的可复用“积木”组件来进行定制。因为构架与关键的 分布式编程任务( 比如服务初始化、错误处理、流控制、事件多路分离、并发 控制) 紧密地集成在一起，复用的范围可以显著地大于使用传统函数库，甚或 是通常的类库。 2 2 4a c e 面向对象构架 a c e 是可以自由使用、开放源码的面向对象构架( o o f r a m e w o r k ) ，在其 1 2 山东理t 丈学硕十学位论文第二章在线质量监控系统麻用的技术方法 中实现了许多用于并发通信软件的核心模式【1 8 】。a c e 提供了一组丰富的可复 用c + + 包装外观( w r a p p e rf a c a d e ) 和构架组件，可跨越多种平台完成通用的 通信软件任务，其中包括：事件多路分离和事件处理器分派、信号处理、服务 初始化、进程间通信、共享内存管理、消息路由、分布式服务动态( 重) 配置、 并发执行和同步，等等。目前a c e 正在许多公司中用于开发通信软件，其中包 括西门子、d e c 、摩托罗拉、爱立信、柯达，和m c d o n n e l ld o u g l a s 。a c e 已被 移植到w i n 3 2 ( 也就是，w i n 9 5 、w i n x p 、w i n 2 k ) ，大多数版本的u n i x ( 例如， s u n o s4 x 和5 x 、s g ii r i x 、h p u x 、o s f 1 、a i x 、l i n u x 和s c o ) ，以及p o s i x 系统( 比如v x w o r k s 和m v so p e n e d i t i o n ) 。同时有c + + 和j a v a 版本的a c e 可用。 a c e 的目标用户是高性能和实时通信服务和应用的开发者。它简化了使 用进程间通信、事件多路分离、显式动态链接和并发的面向对象网络应用和服 务的开发。此外，通过服务在运行时与应用的动态链接，a c e 还使系统的配 置和重配置得以自动化。 使用a c e 的好处有： 增强可移植性：在a c e 组件的帮助下，很容易在一种o s