（控制理论与控制工程专业论文）基于网络的工业远程监控系统.pdf

基于网络的工业远程监控系统 摘要 工业系统中的远程监控技术是随着t c p i p 技术的发展和网络的 普及而产生的一种新的控制方法。在工业控制系统中，对于生产过 程中的突发情况，技术人员可在远端输入解决方法，通过网络实现 实时的诊断和控制。对远程监控系统的研究表明：监控的对象本质 上就是表征控制状态的数据流，数据库技术的引进大大地改善了数 据的存储和利用方式，三层结构( 客户机一中间层一服务器) 新模式 、 的兴起，使远程数据的监控进入了一个新的发展阶段。j 本文围绕三 f 层结构在远程数据监控中的应用，结合实际工业背景，主要完成了 以下几部分的工作： 1 通过对特定工业背景的需求分析，采用新兴的虚拟仪器概念， 引入数据库s q l s e r v e r ，将系统分解成若干个独立的模块，设计了 工业控制的整体结构，并实现了整个系统的数据库管理。 2 根据工业控制系统数据量较小的特点，采用i n t e r n e t 网络或者 拨号网络接入的服务，利用t c p i p 和s o c k e t 技术，极大的提高了 工业控制系统远程监控的实时性。 一 3 利用c g i 和w e bs e r v e r 技术，实现了远程监控的w e b 化，在普 通的浏览器上实现对控制系统的远程监控。 4 采用数据库技术及三层次结构的概念，将需求逻辑存放于中间 层的服务器，从而极大的减少了网络数据的传输量，并简化客户端 监控程序的编制， 5 利用l a b v i e w 编程开发工具，结合c 语言和w i n d o w sa p i 编程， 实现了多屏监控技术，并将其应用到实际的工业系统中。 本文提出的各种控制方法，在试验运行环境下进行了调试和验 证，并取得了良好的效果，达到了预期的要求。 关键词：远程监控，t c p i p ，虚拟仪器 i n d u s t r yr e m o t ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nn e t w o r k a b s t r a c t t h er e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yi ni n d u s t r yi san e wc o n t r o lm e t h o d d e v e l o p e dw i t ht h et c p i pa n dn e t w o r k i ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，t ot h e g u s t y c o n d i t i o n si nt h e p r o d u c i n gp r o c e s s ，t e c h n i c i a n s c a nr e a l iz e r e a l t i m ed i a g n o s isa n dc o n t r o lt h r o u g hn e t w o r kb yi n p u t t i n gs e t t l e m e n t s r e m o t e l y t h er e s e a r c h e st or e m o t ec o n t r o ls y s t e mi n d i c a r e ：e s s e n t i a l l y t h eo b j e c t st ob ec o n t r o l l e da n ds u p e r v is e da r ed a t as t r e a m sr e p r e s e n t i n g c o n t r o ls t a t u s t h ei n t r o d u c t i o ao fd a t a b a s et e c h n o l o g yi m p r o v e sg r e a t l y t h es t o r i n ga n du s i n gm e t h o d so fd a t a t h en e wm o d eo ft h r e e t i e rf r a m e ( c l je n t m jd - t i e r s e r v e r ) b r o u g h tt h er e m o t ed a t ac o n t r 0 1t oan e w s t a g e t h i s p a s s a g e c e n t e r si nt h et h r e e t i e rf r a m e sa p p i c a t i o ni n r e m o t ed a t a s u p e r v is i n g a n dc o n t r o la n di nt h e p r a c t ic a li n d u s t r y b a c k g r o u n di tm a i n l yc o m p l e t e dt h ef o 1 0 w l n gj o b s ： 】t h r o u g ha n a l y s i so fn e e d so fs p e c i a li n d u s t r yb a c k g r o u n d u s i n gt h e n e w c o n c e p t i o n o fv i r t u a i n s t r u m e n ta n dd a t a b a s e o fs q l s e r v e r ， d e c o m p o s i n gt h es y s t e mi n t os e v e r a li n d e p e n d e n tp a r t s ，d e s i g n i n gt h e w h o l es t r u c t u r eo ft h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z i n gt h ed a t a b a s e s u p e r v i s i n go ft h ew h o l es y s t e m 2 a c c o r d i n gt ot h et r a i to fs m a l ld a t as t r e a m ，u s i n gt h ei n t e r n e to rt h e r e m o t e a c c e s s s e r v i c e ，a n du s i n gt h et c p i pa n ds o c k e t ，g r e a t l y i n c r e a s e dt h er e a l t i m eo ft h ei n d u s t r yr e m o t ec o n t r o l s y s t e m u s i n g t h ec o la n d w e bs e r v e r ，r e a l i z i n g t h ew e b f o r m a to fr e m o t ec o n t r o l r e a l i z i n gt h er e m o t ec o n t r o lo ft h ec o n t r o ls y s t e mw i t hw e bb r o w s e r 4 u s i n gt h ed a t a b a s ea n dt h r e e t ie r p u tl i n gt h er e q u i r e m e n t s l o g i cin t h es e r v e ro fm i d - t ie r g r e a t l yd e c r e a s e dt h et r a n s m i t t i n gd a t ai nt h e f i e t w o r ka n de a s i n gt h ep r o g r a m m i n go ft h ec o n t r 0 1s y s t e mjnc 1i e n t 5 u s i n gt h ep r o g r a n m l i n gt 0 0 1 so fl a b v i e ww i t hl a n g u a g eca n dw i n d o w sa p i ， r e a l i z i n gt h es u p e r v i s i n gt e c h n o o g yw i t hm u l t j m o n i t o r a n da p p l y i n gi t t ot h ep r a c t i c a l i n d u s t r ys y s t e m s t h e a n d c o n t r o lm e t h o d sb r o u g h tf o r w a r db yt h is e x p e r i m e n t e di nt h er u n n i n ge n v i r o n m e n ti n r e a c h e dt h e e x p e c t e de f f e c t s p a s s a g eh a v eb e e nd e b u g g e d t h el a ba n dg o tg o o dr e s u lt s k e y w o r d s ：r e m o t ec o n t r o l ，t c p i p ，v i r t u a ll n s t r u m e n t 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 自动控制技术是当代发展极为迅速、应用十分广泛、最引人注目的高技术 之，也是推动新技术革命和新产业革命的核心技术。随着现代控制理论的发 展，自动控制技术己从单变量控制到多变量控制，从自动调节到最优控制。现 在对自动控制的要求已不仅是保持个别变量( 如温度、转数、电压等) 的稳定， 而是要求实现多个变量的最优控制。随着微型计算机的出现，特别是微型计算 机应用于控制系统，为计算机控制带来了根本性的变革。对于复杂的、分散的 控制对象，由于它们往往是同时、并行，且独立地工作，控制对象分布面又很 广，因此把它们联系起来实现分布控制是现代控制技术中的一个重要发展方向。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展。工业控制系统已成为 计算机技术应用领域最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。 工业计算机控制系统对于工业生产有着重要意义，它直接影响着工业生产 的效率和产品的质量。好的计算机控制系统，不仅必须能完成控制任务的要求， 而且要具有良好的可伸缩性和适应性，易于维护。 在现实的工业生产中，经常出现的情况是工业控制现场出现故障，现场操 作人员无法立刻解决复杂的出错故障，而工业控制工程师因为某些因素不能及 时赶到现场排错，由此造成控制系统的停滞以至崩溃，对工业生产形成巨大的 损失。将计算机引入控制系统中之后，这个问题尤为显著。由于计算机控制系 统软硬件的复杂性，在一些故障发生时常常出现生产操作人员难以进行有效的 故障诊断和排除工作，这时候就需要系统开发人员的介入。一些相同或类似的 计算机控制系统可能在许多地方得到应用，如果在它们发生故障时都需要系统 开发人员到现场排除，不仅费时费力，而且也毫无必要。 近些年来，网络技术的发展和计算机网络尤其是i n t e r n e t 在国内的迅猛发 展，为解决这些问题提供了新的思路。通过网络连接，可以使系统开发人员远 程实时的对现场的控制过程实行监控和维护。 第一节概论 一套计算机控制系统在开发完整并通过现场调试之后，应当能够按照要求 进行正确的控制。但是在工业现场往往存在许多不确定的因素，或者由于安装 调试时间的限制，在计算机控制系统正常运行一段时间后，就可能出现故障， 例如，某些硬件部件损坏，或者计算机软件遇到未预期的的数据输入时产生错 误的输出，或者由于管理人员的错误操作，都会导致系统工作不正常，由于相 j 二渤交通久学f i ! ；| 上学位论文 同或类似的控制系统可能在许多地方得到应用，当发生故障时，调试人员需要 进行长途跋涉赶到现场进行故障的诊断和排除，而且某些故障只是偶尔发生， 系统调试人员不可能长期在控制现场等待故障发生再进行处理，这些问题始终 困扰着计算机控制系统的开发人员。 i n t e r n e t 的发展成熟以及计算机网络技术在工业生产控制中应用的普及给 通过网络进行控制系统的远程监控带来了可能。通过网络将工业现场采集到的 数据传送到远程计算机上进行分析，并通过网络交互操作对原有的系统进行诊 断和修正，可以节省时间，提高效率，避免不必要的浪费，因此具有重大的意 义，其应用前景十分广阔。 在工业控制系统运行的过程中，系统工程师可以在远端通过网络进行实时 监控，以防止故障的发生，在故障发生之后，也可以迅速的通过网络获得现场 数据进行分析和研究，做出必要诊断和维护。 这类计算机控制系统软件包括控制部分和远程监控部分两部分。控制部分 按照一定的控制算法实现对控制对象的有效控制，远程监控部分主要包括网络 通信部分，网络通信部分的功能是把计算机控制系统的输入输出数据、用户操 作情况、软件运行状态等数据通过网络传输到远程计算机上进行诊断，并可通 过交互式操作对控制系统软件进行修正。 通常的计算机控制系统有着如下图卜1 的结构： 图 - i 传统计算机控制系统结构图 f 口5 i 八j 还丰呈诊断功能的计算机控制系统有看图卜2 的结构： 网络丁r 匝习吨p 商恒 匝习岖巫l 睦匡困i 图i - 2 远程监控系统结构图 上海交通大学 l i ! j 一学位论文 由于许多工业控制系统的参数繁多，显示量也极为庞大，软件系统人员在 开发的时候会经常出现所有数据量无法在一个显示器上显示的情况，虽然随 着现代软件技术的发展，由许多先进的软件技术可以解决这个问题，但基本上 都是采用屏幕切换和拖动的替代方法，最根本的问题没有解决。而根本的解决 方法就是在工业控制系统中引入多个显示屏进行监控，而在此同时，主控制计 算机仍然是同一台，这种一机多屏技术的引进无疑大大的方便了软件系统开发 人员和现场工作人员，必将得到大量的工业运用。 第二节技术原理和基础 一计算机远程监控系统所解决的问题： 与传统的现场故障诊断和控制手段相比，进行计算机远程控制和诊断有着 巨大的优点，但也不可避免的存在缺点，应该看到，要进行计算机远程诊断是 有条件限制的。这个首要条件就是计算机系统能够正常启动、控制软件能够运 行、计算机网络正常工作。在满足以上基本条件以后，才有可能进行远程监控。 一方面，在工业控制系统正常运行的过程中，系统开发人员可以在远端通 过网络和远程监控系统对工业现场进行监控，系统开发人员不仅可以看到工业 系统的各项参数，甚至也能看到模拟的工业现场运行状况，从而对现场进行总 体把握，以便随时发现错误，做出及时反应。 另一方面，计算机包括硬件和软件两大组成部分，所以当一个计算机控制 系统不能按照要求对控制对象进行控制时，就存在以下两种可能性：硬件故障 和软件故障。系统开发人员通过网络，对工业控制系统的参数进行检验，迅速 找到问题所在，然后通过网络传回故障解决的控制信号。 对于硬件故障，微型计算机控制系统的硬件般包括：微处理器( c p u ) ， 内存储器( r o m ，r a m ) ，以模数转换和数模转换为核心的模拟量输入输出通 道，开关量输入输出通道，i 0 及人一机联系设备，运行操作台等几部分。它 们通过微处理器的系统总线( 地址总线、数据总线和控制总线) ，构成一个完 整的系统。 根据以上假设，计算机能够正常启动，操作系统工作稳定，所以c p u 、内 部存储器、系统总线等部分不会存在问题。而由于控制软件不能正常进行控制， 所以如果是硬件出了问题的话，只能是出现在数字量以及模拟量i o 部分，我 们将它们统称为数据通道问题。数据通道问题将导致控制软件不能获得正确的 外部设备参数，或者控制命令以及数据不能正确的传递到被控制对象。此种情 况的解决方法是：在计算机控制系统软件中，提供一套对所有数据通道进行测 海交通人学坷：十学位论文 试的程序。例如，对模拟量输入通道进行检测时，操作人员给出标准输入值并 观察测试程序侧得的数据，反复进行多次，如果两者相符，则待测通道工作e 常，进行下一步的检测；否则更换硬件排除故障再进行下一步操作。这部分内 容不是我们详细讨论的部分，以后略过。 根据经验，控制软件故障可能有以下几类原因： 操作者未按照正确方法使用； 操作者给出了不适当的数据，而软件在使用数据时未进行有效性检查： 由于对被控对象的了解不够深入，在未预料的情况出现时软件给出了错误 的指令： 控制对象的控制要求有微小变动，而控制软件未作出相应改动。 以上原因的综合作用。 通过程序设计，我们可以实现在线的或者是离线的软件监控，系统开发人 员在千里之外就可以观察到控制现场的控制软件运行状况，从而发现软件故障 的问题所在，并且通过交互式的操作，动态的修改控制数据，从而使控制系统 可以从新正常工作。 二技术结构和组成 1 工业控制系统和数据库管理系统： 本文的应用背景是2 1 1 工程重点建设项目“微机配料监控系统”。该 微机配料系统采用美国n i 公司的优秀软件l a b v i e w 编制，已在多个厂家调试 通过，并投入生产。 作为远程监控系统的基础，工业现场的微机配料监控系统非常重要，通过 对工业现场的机器和计算机进行控制，通过读取数据库中的数据进行控制，一 般情况下，可以完成基本的工业控制任务。当远程监控系统进行监控时，由工 业现场的控制系统负责提供数据信息。 由于工业系统的数据量越来越庞大，普通的文件存储和读取数据的方法已 经无法满足工业需求，随着数据库技术的发展，在工业控制系统中引入数据库 系统成为一种很好的解决方式。为保持系统的一致性和可维护性，数据库系统 也是采用n i 公司的l a b v i e w 技术。 在第二章中将详细讨论这两部分的内容。 海交通大学硕士学位论文 2 远程监控系统： 远程监控系统牵涉到网络部分较多，该模块由软件v c 柬实现。 在网络带宽允许的。i 青t j 2 t ，我们可以实现控制现场的计算机与远程计算机 的同步运行。在这种情况下，在工作现场进行控制的计算机在进行过程控制的 同时，将必要的数据通过网络传递到远程计算机上，使远程计算机前的系统开 发人员能够看到工业现场控制软件的运行状况，从而对工业现场的生产状况有 一个实时的把握。 通常情况下，将两台相距很远的计算机互连的手段一般是将计算机通过调 制解调器m o d e m 与普通电话线相连，或者经由全球互联网。在前一种情况下， 带宽较小但数据传输速率基本上能够得到保证；在后一种情况下，数据传输速 率难以得到保证，因此难以做到数据的实时传递。因此，采用拨号网络互联的 方法比较可靠。具体方案如下： 工业控制计算机采用w i n d o w s 9 5 9 8 或w i n d o w sn tw o r k s t a t i o n4 0 操作 系统，安装m o d e m 和拨号网络；远程监控计算机安装w i n d o w sn ts e r v e r4 0 操 作系统以及r a s ( r e m o t ea c c e s ss e r v i c e ) 服务。 网络结构图如图卜3 ： 图1 - 3 远程监控系统网络结构图 在进行远程监控时，需遵循以下几个步骤： 1 ) 在远程监控计算机上启动远程访问服务r a s ，等待连接； 2 ) 工业控制计算机通过拨号与远程监控计算机建立连接，并且远程监控计 算机给工业控制计算机分配一i p 地址； 3 ) 远程监控计算机启动监控软件进入远程监控模式，和工业控制计算机上 的工业控制系统建立对话； 4 ) 工业控制计算机进行正常的生产过程控制，而远程监控计算机则同步接 收数据、显示工况、作出相应控制发出指令； 5 ) 工业控制计算机和远程监控计算机的会话结束； 6 ) 工业控制计算机切断和远程监控计算机的拨号连接，监控结束。 上海交通大学硕士学位论文 远程监控系统的开发思路是：将整个网络数据的传输建立在t c p i p 协议 的基础上。t c p i p 是当今最成熟、应用最广泛的互联网技术，拥有一整套总 体结构和协议标准，他是一项从实践中诞生的、并在实践中不断得到发展和完 善的网络技术。在w i n d o w s 平台下开发网络软件时，可以使用一套很方便的a p i 函数：w i n d o w ss o c k e ta p i ；在u n i x 平台下，有成熟的s o c k e t 接口函数可 以调用，编程实现非常方便。而且，由于国际互联网是基于t c p i p 协议之上 的，因此使用这一协议的软件可以在i n t e r n e t 上互相传输数据，充分利用了 已有的网络设施。 对于一个计算机控制系统的软件而言，我们可以将它看作一个黑箱，接受 一定的输入数据，产生一定的输出数据。对于在两台计算机上运行的软件而言， 只要它们有相同的内部逻辑，那么如果我们为它们提供相同的输入数据流的 话，它们的运行过程及输出应该是相同的。假设在工业现场运行着一套计算机 控制软件，通过读取输入数据通道的数据，经过内部运算，产生输出数据并通 过数据通道去控制工业对象，同时在显示器上显示各种参数及系统工作情况。 而如果我们可以在一台远程计算机上观察到工业现场控制计算机显示器上的全 部过程，我们就可以了解软件系统运行过程的每一个细节，从而做出正确的判 断；一旦发现由于软件内部问题导致出错，我们可以通过交互操作来更改工业 现场计算机控制系统的软件，消除其错误，使其恢复正常运行。要实现以上设 想，我们的远程监控计算机不仅仅要获取控制计算机的显示界面，而且要得到 工业过程的全部数据。并且其软件要与控制计算机同步运行。具体是这样：远 程监控计算机上运行着与控制计算机上完全相同的软件，但其输入输出数据不 是来自硬件的数据通道，而是来自网络的数据流。只要保证监控计算机上运行 的控制软件能够获得与控制计算机上的控制软件完全相同的数据流，就可以保 证它们的同步运行。 以上方法为本论文重点讨论的实时监控，适用于需要经常进行监控和观察 的工业生产系统。如果是故障排除的问题，在实际工业生产中，由于某些故障 的出现具有很大的偶然性，有时甚至一两个月才出现一次，并且故障现象不可 再现，则上述的实时监控显得力不从心，因为我们并不能预测在本次诊断的过 程中是否会出现该故障，而且也不可能长时间建立拨号连接，随时等待该故障 的出现。解决这个问题只有采用离线诊断，所谓离线诊断，是指在控制软件的 工作过程中，将每一个采样时刻的数据完整的记录在外部存储介质( 通常是硬 盘) 上；当本次生产出现该问题时，我们就可以利用已保存的数据完整的再现 当时的工况，通过反复跟踪调试找出软件中存在的问题。 由于生产操作人员是不可能进行这类诊断的，因此有必要将故障过程数据 通过网络传递到控制系统软件设计人员的计算机上，再由软件设计人员进行离 j 洵交通人学坝f 学位论文 线诊断。通常有三种方法：电子邮件传递；f t p 传输；直接编程传输。 3 网页实时监控 随着网络技术的发展，各种网页和网站成为当前新技术的热点。在连接上 i n t e r n e 之后，只要打开浏览器( 一般是m j c r o s o f ti n t e r n e te x p l o r e r 或 者n e t s c a p e ) ，输入正确的域名地址或者i p 地址，就可以检索到所需的信息 和内容。 由此我们想到这将是进行网络远程监控的一个好方法，工业现场将需要实 时传递的数据和信息放在w e bs e r v e r 上，远端的系统开发人员只要在建立连 接后，打开一个浏览器输入相应的地址即可。工业控制计算机可以采用和前面 一样的方法拨号连上远程监控计算机，远程监控计算机在浏览器中输入工业控 制计算机的i p 地址就可以访问到现场运行情况的页面。当然，工业控制计算 机需要安装一个w e bs e r v e r 以提供服务，并且对远程监控计算机所访问到的 信启、进行适当的编程。 4 三层结构数据访问模式： 传统的客户朋务器( c l i e n t s e r v e r ) 应用软件模式大都是基于“肥客户机” 结构下的两层结构应用软件，客户机方软件一般由应用程序及相应的数据库连 接程序组成，服务器方软件一般是某种数据库系统，多层结构应用软件与传统 的c s 模式下的两层结构应用软件相比，有着可伸缩性好、可管理性强、安全 性高、软件重用性好以及节省开发时间等诸多优点。在i n t e r n e t i n t r a n e t 环 境下，这些优点显得更加突出。 在第三章的最后一部分我们将讨论在进行数据库系统的远程监控时，所使 用的三层结构的概念。 5 机多屏技术的实现和应用 当用户需要显示的数据超过一屏的范围时，一般软件采取的方法是切换或 者下拉等替代的方法，事实上这种操作方法并不适用于工业现场的操作环境， 在实际生产中，要求的是能够同时观察到各个数据，对各个部分的监控都不能 放松，因而必须采用一机多屏的方法。 在我们的工业控制系统中实现了这个功能，结合了l a b v i e w 和c + + 的功 能，以及w i n d o w sa p i ，成功的做到了多屏监控。 上海交通大学坝十学位论文 第二章工业控制系统和数据库管理系统 第一节虚拟仪器及l a b v i e v 一虚拟仪器的发展 人类进入了2 0 世纪末，由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技 术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试 方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统 仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下， 八十年代末美国率先研制成功虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器就是利 用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的 基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪 器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对 科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。 虚拟仪器( v i m u ni n s t r u m e n t ) 利用个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 强大 的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分 析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用 效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。它 代表着仪器发展的最新方向和潮流虚拟仪器中，计算机处于一个核心的地位， 传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。利用图形软件建立 虚拟仪器来完成仪器控制，数据采集，数据分析，数据管理和数据生成的任务， 是现代自动测试系统的一个显著特点。因此，从这个意义上来说，软件就是仪 器。 现代化生产要求电子仪器的品种多，功能强，精度高，自动化程度高，而 且要求测试度快，实时性好，具有良好的人机界面。虚拟仪器正好实现这些要 求。虚拟仪器的功能可以由用户确定，所以它一出现更得到人们的广泛接受虚 拟仪器的出现是计算机技术和仪器技术相结合的结果。用户和系统开发人员利 用个人计算机就能够确定程序以及处理数据的算法。利用软件开发工具，用户 可以方便而且灵活地建立所需要的测试方案。虚拟仪器正随着计算机技术的和 仪器技术的进步而发展。现代计算机和仪器技术造就了能够在复杂场合中应用， 解决复杂测试问题的虚拟仪器系统。 虚拟仪器在以下几个方面具有为传统仪器所无可比拟的特点： 上淘交通人学砷! 士学位论文 f 1 ) 虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义，即可以根据用户的不同要 求对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删，彻底打破了传统仪器一经 设计、制造完成后，其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。 ( 2 ) 可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功 能软件库”虚拟仪器库内，通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬 件接口搭配，使得在一台个人计算机就可实现各种仪器的不同功能，大大提高 了仪器功能的灵活性，甚至可以进行非常复杂性的测试工作。 ( 3 1 由于计算机具有强大的图形界面功能和数据运算功能，因此虚拟仪器的 操作简单直观，数据分析及数据处理、结果与图形曲线的显示功能也非常强大。 ( 4 ) 可以在同一总线系统的仪器之间或通过网络进行数据交换，实现资源共 享。 ( 5 ) 测量精度高、测量范围宽且性能稳定、可靠性高。 目前，虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动 分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。国际上从1 9 8 8 年陆续有虚 拟仪器产品面市，美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国， 生产虚拟仪器的主要厂家有h p 公司和t e k t r o n i x 公司，此外还有n i 公司、k e i t h e l y 公司、i o t e c h 公司等。 二虚拟仪器系统l a b v l e w 的特点 l a b v i e w 是美国国家仪器公司m a t i o n a li n s t r u m e n t 简称n i 公司) 推出的一种 虚拟仪器仪表开发平台。在该环境下，l a b v i e w 用图标连线方式的图形语言代 替了传统程序语言的文字编程方式，使用者可以较自如地设计各种应用程序。 在虚拟仪器系统上，整个软件才是系统的主体，硬件只是为了解决信号的输入 输出而配置。l a b v i e w 中包含了丰富的函数及子程序库，如数据信号处理、概 率统计、线性代数以及滤波、加窗等子程序，还包括了g p i b ( 通用仪器控制接 口总线标准) 、及串行仪器控制子程序。通过它所提供的各种函数、子程序，可 以实现硬件系统的软化，设计符合用户要求的测试控制系统。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系 结构的执行方式。传统的计算机语言( 如c 语言) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被并行机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模 式，这种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是 说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、 计算机等因素的影响。 由于l a b v i e w 程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有 e 淘交通人学硕士学位论文 当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时爿是 有效的。这样，l a b v i e w 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次 序，而不象文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功 能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。 在开发程序方面，l a b v i e w 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应 用软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。 l a b v i e w 与v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等编程语言+ 不同，后者采用的是基于文本 语言的程序代码，而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语言g ，用方框图代替 了传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大 部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。 l a b v i e w 的核心是g 语言编程。像c 或b a s i c 语言一样，g 语言为各种程 序设计提供了强大的扩展库和函数。g 的扩展库中包含了用于数据采集，数据 挖掘，数据存储和g p i b ( 通用仪器控制接口总线标准1 ，串行仪器控制的扩展程 序库。g 语言所编的程序被称为v i r t u a li n s t r u m e n t s ( v i s ) ，之所以称之为虚拟仪 器是因为它的外观和操作能够模拟实际的仪器。或者说，v i 就像传统语言中的 函数一样。 v i 用于人机对话的用户界面称为前面板( f r o mp a n e l ) ，它模拟了实际的仪 器。前面板可以包括旋钮、按钮、图表和其他的控件( c o n t r o l s ) ，或者指示器 ( i n d i c a t o r s ) 。v i 从类似于源代码功能的框图程序( d i a g r a mb l o c k ) 接受指令，而 这些指令由你用g 语言来编写，g 语言就相当于程序编写的图形解决方案。 用l a b v i e w 编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先， 从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位置：然后用导线 ( w i r e s ) 连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这 些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分析v i 以及用来存储和检索数据 的文件输入输出功能和网络功能。 用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的。我们可以将之用于 顶层( t o pl e v e l ) 程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个v i 用在其它v i 中，称之为s u b v i ，s u b v i 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。 l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解 为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务， 直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。首先设计s u b v i 完成每个子 任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的v i 。 此外功能强大的l a b v i e w 还可调用w i n d o w s 动态链接库( d l l ) 和用户自 定义的动态链接库中的函数。l a b v i e w 的c i n ( 代码接口节点c a l ll i b r a r y f u n c t i o n ) 节点使用户可以使用由其它语言，如a n s ic ，编译的程序模块，使 ，i 。淘交通，、学硕j 学位论文 l a b v i e w 成为一个开放的开发平台。这也是本次设计的工作重点。l a b v i e w 还直接支持动态数据交换( d d e ) 、结构化查询语言( s q l ) 、t c p 和u d p 网络 协议等。此外，l a b v i e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够 设置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以及进行方便的调试。 作为第四代程序语言，图形化程序设计( gp r o g r a m m i n g ) 编程简单、直观、 开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试 和控制领域内最流行的发展趋势。 第二节工业配料虚拟仪器系统 本系统是主要在l a b v i e w 虚拟仪器的平台下开发的全自动配料系统。该系 统经过开发和不断的改进，已经在十几家大型生产厂家中投入使用并稳定运行， 取得了很好的经济效益。 本系统集配方生产和管理功能于一体，具有配方设定，生产参数设定，生 产过程自动监控，生产报表实时打印，生产数据管理等功能。它的软件系统根 据功能模块分为三部分： ( 1 ) 配方生产控制系统( l a b v i e w ) ( 2 ) 配方管理系统( l a b v i e w & s q l ) ( 3 ) 输入输出配置系统 配方生产控制系统 下图2l 为配方生产控制系统的生产界面 上海交通大学硐十学位论文 图2 - 1 配方生产系统生产界面 配方生产控制系统的开发我们已经完成的比较成熟，在全国各地许多工厂 得到应用，开发一个控制系统最重要的是熟练的掌握该控制系统的工作流程。 我们开发的是这样一个系统：系统中有一个或多个秤( 每个秤上装有秤重 传感器) ，本文以2 个秤为例，每个秤对应数个料仓，料仓中盛放原料。控制程 序应该根据给定的配方，按照一定的次序控制料仓将原料下到对应的秤中，在 所有用到的料仓都下了规定重量的原料之后，将各秤内的原料下落到搅拌机内 进行搅拌，同时发出加微信号通知人工添加微量元素，在所有秤内的原料下落 到搅拌机内进行搅拌，同时发出加微信号通知人工添加微量元素。在所有秤内 的原料都倒空并且收到加微完成的确认信号之后，关闭所有秤门并且进行搅拌 计时，此时搅拌机进行搅拌，同时各秤准备进行下批配料。当搅拌计时到达指 定时间后，打开搅拌机门，将混合好的饲料倒至打包秤，然后关闭混合机门并 等待混合下一批饲料。 根据控制流程的需求，以下几个部分需要重视： 数据通道：数据通道是程序和机器的接口，通过数据通道我们的软件获得 必要的数据量，这些数据量来自现场的机器设备。它主要包括a d 、d a 通 道以及开关量i o 通道，实际系统中包含两路a d 输入( 分别获取两个秤 的重量值) 以及若干数量的开关量i 0 通道( 控制绞龙、电机以及获取某 些开关状态) 。a d 模块和开关量i o 模块的示意图如图2 - 2 ： 上海交通大学硕士学位论文 3 2 路开关量 输入 + _ 图2 - 2 开关量i o 模块 料仓模块：简化的料仓模块的示意图如图2 3 上料位报警1 下料位报警2 - 启动 3 斗 重置4 _ 已加料重量5 - 图2 - 3 料仓模块示意图 6 绞龙开关 7 快慢加料 8完成信号 上料位报警和下料位报警引脚通知料仓模块料仓中的料位是否高于上限或 低于下限：启动信号引脚通知该模块开始料仓下料过程，重置信号引脚通知模 块恢复初始状态，已加料重量引脚将该料仓已经下到秤内的原料重量传递到该 模块；6 号输出引脚表明应该启动还是停止料仓绞龙，7 号输出引脚表明当前处 于快加料还是慢加料，8 号引脚在料仓完成加料过程后发出完成信号。 秤控制模块：简化的秤模块结构如图2 - 4 所示： 重置1 启动2 总重3 仓组完成4 允许开门5 图2 4 秤模块结构示意图 6 开关门 7 净重 8 重置 9 启动 1 0 请求开门 三 卜海交通大学硕士学位论文 加微斗控制模块 混合机控制模块 当收到“关门到位”的信号后，即准备进行下一批搅拌。此时当“秤排料 请求”引脚收到t r u e 时，即发出“允许排料”信号。此信号将被发送到秤对象 的“允许开门”引脚，从而使各秤开始排料。当混合机模块在“秤排料完成” 引脚收到t r u e 时，表明所有秤已排料结束( 包括加微也已完成) 。此时混合机 开始混合同时计时。干混完成后发出“加液通知”信号，并等待“加液完成” 信号。收到“加液完成”信号后开始湿混计时直至规定时间，然后发出“开门 信号”开始排料，计时到达设定时间后关门，整个工作流程就是如此。 二生产配方管理系统： 生产配方管理系统由八个功能模块组成： 1 ) 配方输入模块 输入所生产配方的配方名、配方号、仓号、原料、批重、比例和重量，选 择生产中使用到的仓、秤、加微、混合机，并支持对已经存在的配方的修改。 2 ) 配方查询模块： 配方查询模块中提供两种查询方式：简单查询和复杂查询。 3 ) 配方删除摸块 配方删除模块的作用是根据用户给定的配方名和配方号在数据库中删除已 经存在的配方。 4 ) 生产任务模块 在每次生产之前，操作人员都要进入生产任务模块，输入本次所生产配方 及相关资料。 5 ) 系统参数模块 在配方生产中，有很多参数经过设置之后极少可能再变动，如仓参数中的 缺省原料、正向公差，秤参数中的回零偏差、最大秤重等。这些参数均可在系 统参数模块中进行设置。在系统参数模块中提供了设置参数和修改密码两个子 模块。 6 ) 原料设置模块 原料设置模块中共有三个子模块，分别为：原料添加、原料入库和原料修 改。它们与生产情况相结合，共同构成生产查询模块的数据。 7 ) 报警查询模块 生产中所有的报警记录都会保存到数据库中，报警查询模块提供按配方名、 配方号、同期和时间查询、打印生产过程中发生的报警记录的功能。 8 ) 生产查询模块 j ：海交通，：学硕士学位论支 生产查询模块中共有五个子模块。分别为：库存记录、配方生产记录、分类配 方累计、合计配方累计、原料使用累计。 为了保持系统的兼容性，该系统也是由l a b v i e w 编制，使用o d b c 和m ss q l s e r v e r 相连接，下图2 5 为配方管理系统的各个模块的界面： 图2 - 5 配方管理系统的工作界面 1 数据库接口： 本系统采用的数据库是m ss q ls e r v e r 7 0 ，应用程序访问数据库时采用应用 卜淘交通大学倾l 学位论义 0 d b c 接口。 o d b c ( o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放数据库互连) 是微软公司开放服务结 构( w o s a ，w i n d o w so p e ns e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 中有关数据库的一个组成部分， 它建立了一组规范，并提供了一组对数据库访问的标准a p i ( 应用程序编程接 口) 。这些a p i 利用s q l 来完成其大部分任务。o d b c 本身也提供了对s q l 语 言的支持，用户可以直接将s q l 语句送给o d b c 。 一个基于o d b c 的应用程序对数据库的操作不依赖任何d b m s ，不直接与 d b m s 打交道，所有的数据库操作由对应的d b m s 的o d b c 驱动程序完成。也 就是说，不论是f o x p r o 、s q ls e r v e r 还是o r a c l e 数据库，均可用o d b ca p i 进 行访问。由此可见，o d b c 的最大优点是能以统一的方式处理所有的数据库 应用程序要访问一个数据库，首先必须用o d b c 管理器注册一个