摘 要

随着计算机技术的不断进步，在工业环境中引入计算机技术已经得到了快速发展。DCS（分布式控制系统，Distributed Control System）二层工业系统包括过程控制层和人机界面层。本文设计一个DCS实时数据中间件软件，实现局域网内各节点内存中数据的实时同步与共享，同时满足同步周期和丢包率的要求。

在软件具体实现上，采用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议简称UDP）广播的方式来发送数据，但由于UDP协议的不可靠性，还设计了一套ACK包反馈回送机制来确保同步数据的完整性。软件大致分为三个模块，主控模块，数据发送模块和数据接收模块。其中主控模块负责各节点配置信息的解析等准备工作，另外两个模块则负责数据的发送和接收工作。本文对主要模块的实现做出了详细描述并进行了测试。结果表明添加了反馈回送机制的可靠UDP广播传输数据的丢包率大大降低。

关键词：分布式控制系统；中间件软件；实时数据共享；可靠UDP

Abstract

With the continuous development of computer technology, it has been rapidly developed that applying computer technology into the industrial environment.DCS industrial system includes process-control layer and user interface layer.In this paper, a DCS real-time data middleware software is designed to realize the real-time synchronization and sharing of the data in the local area network, and meet the requirements of synchronization cycle and packet loss rate.

About the software implementation, the paper uses UDP broadcast to send data, but due to the unreliability of the UDP protocol, we also design a set of ACK feedback mechanism to ensure the integrity of the synchronous data. The software can be divided into three modules, mainly-control module, data transmission module and data receiving module. The mainly-control module is responsible for parsing the configuration information of each node and the other preparatory work, the other two modules is responsible for sending and receiving data. The main module has made a detailed description and the actual test.The results show that the packet loss rate with feedback mechanism is greatly reduced.

Key Words:Distributed Control System ；middleware ；real-time data sharing ；reliable UDP

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国外研究现状 1

1.3 国内研究现状 2

1.4 主要研究内容 2

第2章 实时数据共享软件的总体设计 3

2.1需求分析 3

2.2可行的实现方案与分析 3

2.2.1 环状传输方式 3

2.2.2 基于TCP的点对点方式 4

2.2.3 UDP广播方式 4

2.3 系统总体设计方案 5

第3章 实时数据共享软件的详细设计 7

3.1 主控模块设计 7

3.1.1 主控模块工作内容 7

3.1.2 配置文件解析 7

3.1.3 子进程创建 8

3.1.4 稳定性维护 9

3.2 数据发送模块设计 9

3.2.1 数据发送模块工作内容 9

3.2.2 同步发送子模块 11

3.2.3 回应信息接收子模块 12

3.2.4 数据重发子模块 13

3.3 数据接收模块设计 13

3.3.1 数据接收模块工作内容 13

3.3.2 同步接收子模块 15

3.3.3 ACK回送子模块 18

3.3.4 数据写入同步数据区域 18

第4章 中间件软件的实现与测试 20

4.1开发环境 20

4.2 Socket编程概述 20

4.3测试 21

4.4测试结果分析 22

第5章 总结与展望 23

5.1总结 23

5.2展望 23

参考文献 24

致 谢 25

绪论

1.1 研究背景及意义

分布式控制系统（Distributed Control System，简称DCS）是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物^[1]。在分布式控制系统里，通常有多个控制器对一个生产过程中的控制点进行控制，控制器之间一般通过网络连接并进行数据共享与交换。20世纪90年代以来，企业分布式控制系统得到了快速的发展。分布式控制系统强调了现场控制的特殊性，无法与管理层进行有效的实时数据共享，使得企业的管理层无法及时了解生产现场的状况，导致不能及时地调整经营管理策略，各个生产部门之间也不能有效地交流生产信息，达不到生产调度优化的目的^[2]。随着计算机控制系统的迅速发展，DCS的应用已经深入到各个控制领域，它借助于高速可靠的数据通信实现对生产过程的分散控制和集中监视与管理，成为目前过程控制的重要手段。通过通信网络实现不同节点上数据的实时交换与共享，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。

为了提髙过程控制系统应用软件的开发效率，提升软件产品质量，降低维护成本和难度，在复杂过程控制计算机系统中引入中间件技术^[3]。中间件是位于应用程序与操作系统之间的一类独立软件，是计算机资源和网络通信的管理者。中间件的接口和协议有统一标准，能够让网络中的各节点相互连接，数据共享。目前，中间件技术在各个行业的应用都十分广泛^[4]。

中间件产品可提供统一的开发和运行环境，屏蔽操作系统、数据库、网络通信等底层系统的影响，并根据行业特征构建通用功能组件，使程序开发人员专注于程序功能的开发。故拟采用软件中间件的形式，设计DCS二层实时数据共享软件实现DCS二层分布式数据的实时同步。

1.2 国外研究现状

美国HoneyWell公司首先推出TDC2000集散型控制系统，将控制设备分散开以方便控制分布的被控对象，并将它们与操作站连接起来，一起对工业过程进行实时有效的监测及控制，达到掌握全局的目的^[5]。日本也比较重视分布式控制系统的发展，推出CS1000和CS3000^[6]。正是由于分布式控制系统产品的发展，日本自动化仪表行业也随之得到了快速发展^[7]。发达国家已经把 ERP (Enterprise Resource Planning,企业资源计划 )和 DCS 进行了有效地集成，实现了生产过程自动化，以计算机网络体系为依托，把工厂的测量、控制、管理等方面的数据进行实时汇总，进行必要的整理，得到关系企业利润、成本费用、生产等方面的数据及分析、预测结果，企业管理者以便随时进行调整和决策，维持企业的优势^[8]。