（通信与信息系统专业论文）中小型企业生产信息实时监控管理系统.pdf

摘要 摘要 近年来，随着物联网技术的快速发展，加之企业信息化建设的深入，数据 的管理质量和传输时效性已经成为企业市场竞争力的一个重要部分。在数据就 是技术、数据就是财富，数据就是竞争资本的现代社会，对基础数据的管理建 设必将在企业管理中占有重要的地位。 本文主要设计并实现了一种对中小型企业生产信息进行实时采集管理与控 制的系统。该系统设计采用客户端服务器结构，选用s q ls e r v e r2 0 0 5 作为数据 库对生产数据进行管理储存；使用w i n d o w s 作为基础软件平台，利用流量计与 p l c 实现对生产过程中信息的采集与反馈控制；信息则通过m o d b u s 协议经由 无线网络传输到上层软件中；通过使用面向对象的技术以及模块化开发形式实 现了多功能的客户端软件。最终设计并实现了一种具有高效管理效率、直观显 示效果、实时动态监控、兼容性与可扩展性强的信息化管理系统。本文实现的 信息管理系统对企业信息化建设具有一定的指导意义。 关键词：数据管理监控实时数据库无线网络w i n d o w s 平台 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g i e s ，b e c a u s e i n f o r r n a t i o n sc o n s t r u c t i o na n d a p p l i c a t i o nw h i c ht a k e sd a t aa sab a s i sc a r r i e so u t d e e p l y i ns o c i a l ，t h e q u a l i t y o fd a t a s m a n a g e m e n ta n dt h e t i m e l i n e s so ft h e t r a n s m i s s i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nm o d e m s o c i e t y , w h e r ed a t ai st h e t e c h n o l o g y , t h ew e a l t ha n dt h ec a p i t a lo fc o m p e t i t i o n ，t h em a n a g e m e n tc o n s t r u c t i o n o nt h es e r i e sp r o c e s so fb a s i cd a t a s a c q u i s i t i o n ，s u m m a r ya n ds t o r a g ep l a y sa n i r r e p l a c e a b l ei m p o r t a n tr o l e i nt h ep r o d u c t i o no fe n t e r p r i s e s oi t sa ni m p o r t a n t p a r to fi m p r o v i n gm a n a g e m e n tl e v e l ，e n h a n c i n gt h es c i e n t i b ca n dt e c h n o l o g i c a l c o n t e n to fm a n a g e m e n tf o re 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 sa na c q u i s i t i o nm a n a g e m e n ta n df e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m a i m i n ga tp r o d u c t i o nd a t af o rp r o d u c t i o n - o r i e n t e de n t e r p r i s e s ，w h i c hi sd e s i g n e d b a s e do nc l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r em o d e l s q ls e r v e ra sas e r v e r s i d ed a t a b a s ei n t h i ss y s t e m ，i ss e l e c t e dt oi m p l e m e n tt h em a n a g ea n ds t o r a g eo fb a s i cd a t a a sa r e s u l t ， i tc a ne f f i c i e n t l yp r o v i d et h er e q u i r e dd a t af o rt h ec l i e n t s i d e t h r o u g ht e r m i n a l c o l l e c t o r st om e a s u r ep a r a m e t e r s ，s oa st oi m p l e m e n ta c q u i s i t i o na n df e e d b a c kc o n t r o l o fp r o d u c t i o nd a t a t h e nt h ec o l l e c t e dd a t ai st r a n s m i t t e df r o mw i r e l e s sd a t ar a d i ot o t h ec l i e n tb ym o d b u sp r o t o c 0 1 o nt h e c l i e n t - s i d e ，u s i n g t h e o b j e c t o r i e n t e d d e v e l o p m e n tt e c h n i q u e sa n dm o d u l a rp l u g i nd e v e l o p m e n tm o d e ，m u l t i p l ef u n c t i o n s o fc l i e n t d e v e l o p m e n ta r es u c c e s s f u l l ya c h i e v e d f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n sa n i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mw i t hh i g he f f i c i e n tm a n a g e m e n t ，v i s u a ld i s p l a ya n d s t r o n gc o m p a t i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y k e y w o r d s ：d a t am a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g ，r e a l t i m e ，d a t a b a s e ，w i r e l e s s n e t w o r k w i n d o w sp 1 a t f o r m i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景及目的 生产型企业如何能提高自己的效益，如何能在当今竞争异常残酷的环境下 发展壮大，归根到底就是对产品生产过程的控制即对生产的各个环节的精细化 管理控制，在西方的现代生产型企业中早已告别了人工目测监视、手动调节阀 门、粗放型人工记录数据转而变成了计算机控制、可追溯性详细记录、实时动 态监测等现代化、科技化管理，不仅大大的控制了生产成本节约了人力劳动， 更是使产品质量得到了有效保证，使企业一直处于市场的领导者地位。 随着我国改革开放程度的不断加强，社会各个生产领域都有不同程度的外 资进入，在面对国外企业的优秀管理水平、充裕的资金支持、高效的生产效率， 本土企业必须提高自己生产管理的科技含量，建立起对生产的各个环节做到实 时监控管理，对生产数据的实时掌握和记录，对生产流程的动态监控，从而节 约生产成本，保证产品质量，加强企业的市场竞争力。 数据采集监控系统在这样的背景下产生、发展并在企业生产中扮演着越来 越重要的角色。企业生产监控系统主要是由数据采集器、网络传输服务以及信 息汇集、显示、存储终端这几部分构成了一个工序复杂、系统封闭、实时性强 的循环管理系统【l 】。 近些年企业生产规模的不断扩大，数据采集器种类和数量也是急剧增加， 网络传输的信息量规模不断扩大，企业对于数据显示的实时性和准确性要求越 来越高。如何能有效的管理各种数据，提高监控系统的效率，更合理的使用各 种生产原料，减少无用的材料损耗变得日益重要。这些都对企业管理层的管控 水平、管理规划提出了更高的要求。 在国内企业对生产过程精细化管理重要程度认识还不充分，生产过程监控 科技含量不高，数据保存不及时、不到位的背景下，为了提高企业对于生产成 本的管理和控制，提升企业生产的信息化和科技化，提高企业的市场竞争优势， 基于此我们对于企业生产数据的采集和汇聚、存储、显示以及分析进行了详细 的研究，设计并实现了一套多参数、可扩展的生产监控系统。 生产数据监控管理系统是一套基于客户端服务器( c s ) 结构的采用无线传 第一章绪论 输并可进行数据种类扩展的反馈控制系统，该系统主要有基础数据采集模块、 数据无线传输模块、数据显示模块和数据存储模块构成，其中数据显示模块和 存储模块是该套系统的控制核心。在生产中采用该系统将及时、准确的获取生 成实时数据，并将数据自动存储以方便以后进行历史数据查询分析，系统还将 会根据系统需求进行在线反馈调节和报警处理，真正的做到全自动控制。该系 统在数据显示上不仅突破原有数据表式的直观显示，更添加了具有趋势分析的 曲线形显示，这样不仅能对当前生产情况有所了解并能对未来生产状况做出较 为准确的判断，提高了控制管理水平，有效的避免了一些人力及原料的浪费。 为企业生产精细化管理打下了良好的基础。 第二节国内外研究现状 数据采集系统起源于2 0 世纪5 0 年代，美国首先研究了用在军事上的测试 系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件、由非熟练人员进行操作，测试发 现可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了认可【2 】o 随着微型机的发展，使得数据采集系统的性能优良，超过了传统的人工方式， 因此获得了惊人的发展。从2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家， 数据采集监控技术已经在军事、航空电子设备以及工业制造等领域广泛应用， 数据采集监控系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过较为 复杂的增加和设计模块，并结合系统编程，可扩展或修改系统，使之成为一个 全新的系统 3 1 。 在上世纪8 0 年代末到9 0 年代初，国内开始发展数据采集监控系统，大概 分为三个阶段首先出现的是一些单一的数据显示并由人工手动汇总记录，之后 由于微机的快速发展进入到多种类数据采集简单有线网络汇总显示，现阶段进 入到为定制性模块化数据采集监控系统，但是，与国外先进的数据采集监控系 统相比，我国的系统还很落后，其主要表现在以下几个方面： 1 系统应用范围比较单一，后期系统可扩展性不强，系统的保密性还比较 滞后。 2 系统的设计水平还比较低，很多系统的监控反馈还需要依靠人工手动实 现，粗放的管理和维护使得系统不能和企业生产水平相适应，也极大地制约了 企业管理水平和生产效益。 第一章绪论 3 软件水平还有待提高，人机交互界面还有进一步提升的空间 4 现阶段系统更多的是侧重于对数据的存储和显示，缺乏对历史数据的分 析并做出相应的趋势判断，影响了一定的生产效率。 因此我们需要不断提升系统的科技水平，提高系统的可扩展性和安装的方便 性，进而提高管理部门的工作效率。在提升系统的科技性基础上应该加强系统 本身对于数据的安全保密性，避免一些重要数据参数泄露对企业利益造成严重 损害。 第三节本文的主要研究内容 1 3 1 数据采集管理系统定位 本文所研究的数据采集及监控管理系统是定位于提高中小型生产企业管理 的信息化，我国大量的中小型企业，他们一般技术力量薄弱，资金比较紧张， 对于数据管理的科技化虽有足够认识，但面对高昂的费用只能望而却步，在这 样的背景及意义下，我们试图设计一套具有自动运行检测、参数实时采集、自 动检测报警、多功能数据显示、扩展性强、安全性高、操作简单的系统。充分 提升中小型企业生产管理的科技含量。 基于蒙牛齐齐哈尔有限公司对于该种系统的需要，我们设计并实现了中小型 企业生产信息监控管理系统。 1 3 2 主要研究内容 本文主要介绍了一套由关系型数据库为数据存储核心，数据管理显示为软 件主体，通过无线传输方式连接智能数据采集终端的封闭式循环监控管理系统。 其中数据库我们选取了s q ls e r v e r2 0 0 5 。智能采集终端由p l c 和各种带数 字端口的流量计组成，这种多种类的终端保证了数据采集的多样性，在该系统 中我们可以对包括风力、温度、压力、流量和电量等一系列参数进行采集，并 能根据实时数据进行趋势预测和当前值判定，自主做出多种形式的报警和记录。 从而保证了对整个生产运营的实时监控管理。 在该系统中我们创新性的使用了无线数据传输，这样既方便了系统的安装， 也方便系统随时根据企业生产调整而随时进行布局调整。并且这样做使系统具 有更好的开放性，能够更方便和其他信息管理系统共享数据，使不同系统通过 第一章绪论 既可以通过数据共享做到子网融合，也可以为其它系统提供基础数据。 该系统采集的数据被存储在s q ls e r v e r2 0 0 5 中，通过使用关系型数据库 不仅优化了数据管理更使得数据的保存更加安全可靠。 本系统的优点主要有几下几点： 1 以无线通信为主，融合多种通信方式，在保证了数据传输的稳定性和可 靠性的基础上，优化了系统的安装布局。 2 采用手动下载和定时自动下载两种形式的报表系统，并完全按企业自主 设计报表格式下载打印。 3 融合了最新的软件设计技术，应用面向服务的架构，使得设计出来的系 统对于非计算机专业人员也能快速数量操作。 4 设有多重报警级别并采用短信和界面提示双重报警方式，做到了出现危 险第一时间通知到相应人员，确保企业生产安全。 5 本系统对于不同数据采集终端的兼容性更强，提高了企业对于数据采集 控制终端的可选择性。 4 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 数据采集监控管理系统主要是有三大部分组成，数据采集和控制终端部分、 无线网络传输部分以及数据管理部分，在本章中我们将依据这三大部门分别介 绍各部门的重点相关技术。 第一节数据采集和控制终端技术 2 1 1 数据采集器技术介绍 该系统由于是面向生产型企业开发研制的，因此在数据采集器中我们采用 的更多的是测量不同参数的传感器，例如温度、压力、流量、电量等。 数据采集器主要是由直接与测量介质接触进行测量的传感器或机械式仪 表，如热电阻、热电偶等和不直接与被测介质接触，而是配合传感器一起进行 测量的，如与热电阻配套进行测量的数字显示仪表，流量积算仪等共同组成， 具体组成见图2 1 ： 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 图2 1 数据采集器原理框图 机械式仪表( 一次表) 或传感器根据不同的工作原理来进行测量，根据不 同的工作原理可分为叶轮式、差压式、电磁式、超声波式等等，根据不同的机 械构造和测量介质特性产生相对应的信号【4 1 。以电磁式为例，是应用导电体在磁 场中运动产生感应电动势，而感应电动势大小又和流量大小成正比，通过电动 势来反映管道流量的原理而工作。在工业上多用来测量水、矿浆等介质流量。 信号转换装置( 二次表) 【5 】在一次表通过测量介质得出相应信号后把信号量 传递给信号转换装置通常的情况下，因为检测元件输出的信号很微弱，而且其 中还夹杂着一些噪音，所以还要安装一个放大器，这样一来可以把信号进行放 大再通过由单片机为核心配合其它电路系统形成流量显示具体构成见图2 2 卜懈蝴h 络卜 一蝴h t 、， t 取样电阻 i 一麟卜 变压器全波整流器 续流电路 图2 2 信号转换装置结构图 2 1 2 底层控制单元技术介绍 底层控制单元主要是用来接收上层软件控制信号来反馈控制生产设备以达 到最佳生产效率。在本系统中我们主要应用p l c 作为控制单元。 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n 仃o l l e r ) ，可编程逻辑控制器，主要是用来代 替继电器实现逻辑控制，设计应用在工业环境中【刚。它采用可编程的存储器，用 于内部存储程序，顺序控制，定时等面向用户的指令，作为工业控制的核心部 分，通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。 p l c 其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要组成部分及相应功能如下： 1 审源 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 由于p l c 是设计应用在工业环境中的因此电源模块就变得十分重要。所以 p l c 的电源是特殊设计的，使得它可以工作在交流电压波动在+ 1 0 ( + 1 5 ) 范 围内，并且可以直接将p l c 连接到交流电网上去。 2 中央处理单元( c v u ) 中央处理单元( c p u ) 是p l c 的核心。它执行用户程序，按照用户要求处 理数据，并将相应的数据和指令传送到指定的端口。近年来，随着对p l c 要求 的越来越高，双c p u 系统和三c p u 系统陆续出现，这样当某个c p u 不能正常 工作时，会有其它c p u 带替它工作，从而保证整个系统的正常运行。 3 存储器 存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器分别用来存放系统软件和应 用软件。 4 输入输出接口电路 这两个电路模块主要是用来接收现场数据采集终端数据和对现场的可执行 部件输出相应的控制信号。 5 通信模块 如以太网、r s 4 8 5 等端口主要是用来组成网络进行数据共享和远程连接。 第二节无线传输技术 在本系统中通过无线传输网络连接了底层设备和上层软件，因此可靠地无 线传输技术就显得很重要。 2 2 1 无线数传电台 无线数传电台又被称为“无线调制解调器”【_ 7 1 。是指借助无线电技术以及 d s p 技术实现的高性能专业数据传输电台。可以传输包括遥控遥测数据、数字 化语音、动态图像等数据。由于其具有体积轻巧、功耗较低、安装方便、性能 可靠等优点被越来越多的使用来替代有线传输。 无线数传电台在采用了数字信号处理技术、数字调制解调技术等后具有了 软判决、前向纠错等功能，其构成如图2 3 所示： 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 图2 3 无线数传电台结构示意图 数据通过网口或r s 4 8 5 端口传输给数传电台，然后通过电路转换以及编码和调 制再发射出去，在组成的无线网络中由特定的电台再接收和解调，由输出电台 构成的无线网络如图2 4 所示： v vv 囹 囝 囝 o 0 oo 图2 4 无线网络组成不意图 我们采用由一台主电台和多台从电台组成的点对多点网络，且数据采集工作的 方式采用轮询方式，这样就可以使每个从电台都能把对应的实时数据传送到上 层软件中。 在本系统中我们选用了日精n d 2 5 0 a 型号的数传电台。其具有可编程设置， 采用温度补偿振荡器( v c t c x o ) ，频率稳定度优于士1 5 p p m 。以及4 8 个半双工 频道，双存储器，不跑频【8 1 。各频道内的参数可以独立设置为不同的值等一系列 优势。所有技术指标达到欧洲工业标准，并符合欧洲r o l l s 环保指令 9 1 。在组网 方面，考虑到我们的数据采集控制终端将会有多种类大数量的特点，因此我们 采用了图2 4 的组网方式，迅速准确的把底层数据传输到上层软件中。 2 2 2m o d b u s 无线通信协议 m o d b u s 协议是由美国厂商m o d i c o n 公司设计的一种用于分布式控制系统的 协议【1 0 1 。由于其是开放的、标准的并可以支持多种电气接口，如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 = | | 巍 | | 避 j | 镳 l | 搬 一 辩 = | | 捺 抟 蓦 一 一 舔瀵 一 撵 囊 m 磊撼 ? 缓。气 甲；l v 肉凼 v 肉吲凼 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 等，既可以在光纤等有线网络也可以在无线网络上传输，所以现在该协议已成 为通用的工业标准协议。不同的设备间当然也能够使用m o d b u s 协议进行组网连 接，具体如图2 5 。 酣o d b u sc o m m u n i c a n o n 翟露譬墨葱泰譬警慰菠鬣窭拳盟黧譬譬翟墨互盘翟嚣嚣蕊鬣滋翟譬2 = 蠛羹溢銎2 警盘= 一 图2 5 不同设备m o d b u s 组网示意图 m o d b u s 协议采用主从式通信技术，即在整个通信网络中，有且只有一台主 机能主动发送指令，其余设备只能根据发送的指令由指令中指定的从设备进行 相应的数据回应【1 2 1 。如图2 6 就是协议查询应答过程 图2 6 协议查询应答示意图 当主设备需要发起m o d b u s 询问的时候，其构建一个m o d b u s 数据协议包，包 含了从设备地址、功能码以及数据字段，其中功能码占据一个字节的空间并指 9 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 定了从设备需要回应的操作【1 3 】。数据字段在发送给从设备的时候，包含了从设 备需要获知的信息，如寄存器起始地址、数量等。 m o d b u s 协议有两种传输模式，一种是a s c i i 传输模式，另一种是r t u 传 输模式。两种模式各有自己的优势：a s c i i 传输模式适合远距离、低速率的通信 要求，而r t u 则更多的用在短距离，高速率的控制采集系统中【1 4 】。在本系统中 结合两种传输方式的特点，我们选用了m o d b u s r t u 模式作为我们无线传输网 络中的通信协议。 第三节n e t 平台 2 3 1 n e t 平台介绍 n e t 平台是微软的新一代技术平台，它简化了在高度分布式i n t e m e t 环境 中的应用程序开发，即允许应用程序通过i n t e m e t 进行通信和共享数据，主要架 构和应用在w i n d o w s 系统平台上【1 5 】。 在n e t 中的核心技术就是w e bs e r v i c e s ，w e bs e r v i c e s 就是计算机之间新 一代的数据传输格式。w e bs e r v i c e s 并不是微软开发的，而是作为一种开放的标 准协议存在。作为新一代的数据传输格式具有以下几点优势： 1 w e bs e r v i c e s 允许不同应用程序之间共享各自数据； 2 w e bs e r v i c e s 可以分拆代码模块单元； 3 基于x m l 语言，实现了跨语言、跨操作系统、跨平台； n e tf r a m e w o r k 是在n e t 平台上开发的基础，其主要是由两大基础部分组 成：通用中间语言( c i l ) 和公共语言运行时( c l r ) 。其中通用中间语言包括 一般系统、基础类库和中间代码 1 6 17 1 。具体n e t 框架结构图请见图2 7 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 v bc + +c # j s c r i p tj # 公共语言规范 a s p n e t w i n d o w s 窗体 a d o n e t & x m l 基础类 图2 7 n e t 框架结构图 在n e tf r a m e w o r k 的运行基础就是公共语言运行时( c l r ) ，c l r 是直接建 立在操作系统上的虚拟环境其主要任务是对代码的运行进行管理【1 7 】。凡是n e t 语言都可以编写成面向c l r 的程序代码，这种代码在n e t 中被称为托管代码 ( m a n a g e dc o d e ) ，所有的托管代码都可以在c l r 上直接运行，当对象或变量的 生命周期结束后c l r 提供了垃圾回收机制，所以它会自动释放变量所占用的内 存，因此c l r 具有与平台无关、跨语言集成、自动内存管理等优点，其结构图 如图2 8 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 图2 8c l r 结构不恿图 n e tf r a m e w o r k 的另一个主要组成部分是通用中间语言( c i l ) ，c i l 其实本 质上就是n e t 平台的基础语 1 7 1 。当程序员通过一种托管的编程语言构建n e t 程序集时，相关的编译器就会把源代码编译成c i l 。正如其他高级语言一样， c i l 也提供了很多的结构和标记，其实c i l 对于n e t 就像是汇编语言对于c + + 一样。帮助我们实现多种多样的应用程序。 总之n e t 是一个具有一致的编程模式、简化的编程方式、强大的互操作能 力和统一的接口规范的先进的技术平台。 2 3 2c # 高级语言 c 是微软在2 0 0 0 年发布的一种新的编程语言，是专门为n e tf r a m e w o r k 量身订做的程序语言，作为面向对象的语言，它是第一个组件导向的语言拥有 着c c + 十以及j a v a 的强大功能以及b a s i c 的简易使用等特性 18 1 。 c 拌被旨在设计成一种“简单、现代、通用”，以及面向对象，并应提供具有 强类型检查、数组维度检查、未初始化的变量引用检测、自动垃圾收集等安全 机制的程序语言。相对于c c + + 它对于指针的使用更加的谨慎，只允许在不安全 模式下使用，对于对象的访问则通过安全的引用来实现；只允许单一继承，舍 弃了c + + 中的多继承；加强了类型的安全【1 9 】。在c 中最大的特点是它与c o m 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 的无缝集成，而c o m 就是微软的w i n 3 2 组件技术。简单说来就是c 编写的类 或对象都可以自动生成一个c o m 对象，反之c 拌也可以调用由任何语言编写的 c o m 组件【川j 。 总之，c 增强了程序开发的效率，同时也尽量消除程序中可能会导致严重 后果的潜在错误，保持了开发人员开发的灵活性和语言的强大能力外。 2 3 3 模块化概念及控件技术 在现代软件设计中，设计人机交互界面是一个非常重要的过程，本课题基 于v s 2 0 0 8 开发平台研发的，通过对控件的模块化处理，设计并实现了一个较好 的人机交互界面，下面就对具体几项概念和技术进行阐述和说明。 采用模块化的思想解决一个复杂问题，从上到下逐层把系统划分成若干子 模块，使复杂系统分解成更好的可管理的模块。每个模块完成一个特定的子功 能，在系统的结构中，模块是可组合、分解和更换的单元，所有的模块按某种 方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。模块化在系统中 和大型软件中经常被采用。 通过分析把人机交互界面按功能和任务划分为几大模块，通过n e t 控件来 构建几大模块图像和功能。在n e t 中控件继承关系如图2 9 ： 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 图2 9 n e t 控件继承关系示意图 从图2 9 中我们发现在n e t 中c o n t r o l 类是所有控件的根节点，其它派生控 件在继承了c o n t r o l 类中的基本事件和属性后，由延伸出自己的特有事件和属性 悼1 i 。通过对交互界面的模块化，使得其分为不同的功能区，而每个功能区通过 选用不同的w i n f o r m s 控件来美化界面和完善功能。通过对不同控件模块的加载， 实现了对系统不同界面的显示和功能的调用，当本系统以后需要添加新功能时， 只需要对新功能模块进行开发，完成后嵌入到已有系统中即可使用，这样大大 方便了系统的可扩展性。 实现模块化和控件的基础就是g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 技术 2 2 。即图形 用户界面，又称图形用户接口。是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。 与早期计算机使用的命令行界面相比，图形乔面对于用户来说在视觉上更易于 接受。比如d o s 不具有图形用户接口，所以只能通过输入命令来实行各种操作， 这样用户就需要记住不同功能的较复杂的命令语句，而w i n d o w s 则采用了图形 用户接口，这样用户就可以用鼠标来点击按钮来进行各种命令操作，使操作更 人性化，减轻使用者的认知负担，使其更适合用户的操作需求【23 1 。g u i 的 概念在由x e r o x 公司提出，最终由苹果公司和微软发扬光大起来。 1 4 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 在w i n d o w sg u i 程序设计的发展历程中，早起w i n d o w s g u i 程序多是基于 微软基础类库( m f c ) 开发设计的，m f c 是一个以c + + 类的形式封装了w i n d o w s a p i ，其中包含大量w i n d o w s 句柄封装类以及很多w i n d o w s 的内建控件和组件 的封装类，从而提供了一个程序基础框架，减少了工作量。但是m f c 的一些封 装过程过于复杂，以至于新用户很难迅速熟练掌握和使用m f c ，随着v i s u a lb a s i c 6 和v i s u a ls t u d i o n e t 的发布，曾经一度被重点使用的m f c 被v b 6 、n e t 、 w i n f o r m 所取代。 在n e t 中可以用c 语言开发两种形式的g u i 应用程序：w i n f o r m 和 w e b f o r m s 。w i n d o w s 窗体的编程模型主要是由窗体、控件以及事件组成。其中 w i n f o r m 应用程序开发具有像v b 6 一样对控件进行拖拽和编码，来开发传统的 w i n d o w s 桌面应用程序。在整个g u i 程序的开发过程可以并行的分为生成初步 框架、直观构建程序界面、设计及实现用户接口、后台具体事件代码的编写最 后通过类库实现应用程序特定逻辑【2 4 1 。由于n e t 上w i n f o r m 程序开发具有简便、 功能强大等特点，因此越来越多的使用w i n f o r m 的程序开发模式。 第四节短信报警技术 对数据采集监控系统来说，及时的将报警信息报送给管理员是非常重要的 一环，在现代社会，随着手机的普及，短信报警成为了一种非常好的报送方式， 使得信息能及时的传递给管理员。 g s m 短信报警技术主要有二部分组成：g s m 终端模块和文字短信编码协 议。在底层设备上，因为短信报警中无需太多功能，因此g s m 终端模块仅需要 实现短信收发这单一功能即可。在g s m 模块中放入手机的s i m 卡后，通过数据 线和电脑连接即可接入到手机的移动网络中。在上层软件上，s m s 是由e t s i 所 制定的一个规范。使用7 - b i t s 编码时，可以最多发送1 6 0 个字符， 8 - b i t 编码时， 最多可以发送1 4 0 个字符，以及1 6 - b i t 编码时，最多7 0 个字符，被用来显示 u n i c o d e 文本信息。在短信收发方面有三种模式：b l o c km o d e 、基于a t 指令的 t e x tm o d e 、基于a t 指令的p d um o d e m ，其中p d u 模式成为现在主要应用的 模式。具体工作流程如图2 1 0 ： 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 图2 1 0g s m 工作流程不意图 从图2 1 0 中可以看到主机是通过串口连接g s m 终端设备，并通过a t 指令 控制设各，所以在这里接口函数的开发也显得非常的重要。为了降低开发难度， 对a t 指令进行封装，实现动态链接库形式接口。在动态链接库中分别提供设备 连接函数、端口关闭函数、短信发送函数、短信接收函数等基本操作函数。这 样一种动态链接库可以被多种高级语言如c 、v b 、d e l p h i 、p h p 多调用。 由于本系统主要应用在生产型企业中，因此生产数据的及时性和正常性就 显得尤为重要，因此我们在开发系统时将短信报警作为一个必选配置进行开发， g s m 模块我们选用了西门子的t c 3 5 1 ，在上层软件方面，把短信编码和a t 指 令进行封装，开发了一个动态链接库，即减少了系统的开发任务量，也方便我 们日后的软件更新。 第五节报表系统 报表是企业管理的基本措施和途径，是企业的基本业务要求，通过对数 据的访问和标准化定制，使信息以可靠和安全的方式呈现给使用者。而报表 系统就是将计算机技术与数据报表编制方法相结合从而设计出专门用于报 表数据处理的软件。 基于w i n d o w s 平台下，对于开发者来说把数据库中的数据制作、生成 e x c e l 报表一般有以下几种方法： 1 导为h t m l 文件，再强行把文件后缀名改为x l s ，这种方法是一种伪制作 报表，对于报表的格式等一些重要属性不能进行操作。 2 使用j e to l e d b 引擎来进行数据导入导出，通过使用s q l 语句来进行 具体过程性操作，其缺点是能控制的属性依然非常有限。 1 6 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 3 使用o f f i c ec o m 组件进行数据导入导出，缺点是对环境依赖性太强， 且需要通过打开e x c e l e x e 进行操作依然很难满足开发者要求。 为了能使报表的制作更加自由化以及在缺乏一些必要的第三方软件时 依然能使报表正常的制作和生成，我们采用n p o i 技术实现。 n p o i 是基于p o i 库开发基于n e t 2 0 的一种能帮助开发者在没有安装微 软o f f i c e 的情况下读写o f f i c e9 7 2 0 0 3 的文件的一种数据操作技术 2 5 j 。具有支持 对标准的e x c e l 读写，支持w e b 及w i n f o r m 从d a t a t a b l e 导出到e x c e l ，支持对 流( s t r e a m ) 的读写并且使用简单、容易掌握，对于格式和数据需要特殊定制的 报表有很好的操作性【2 引。n p o i 主要包含以下几个功能库：n p o i u t i l 基础辅助 库、n p o i p o i f so l e 2 格式读写库、n p o i d d fm i c r o s o f td r a w i n g 格式读写库、 n p o i s se x c e l 公式计算库、n p o i h p s fo l e 2 的s u m m a r yi n f o r m a t i o n 和 d o c u m e n ts u m m a r yi n f o r m a t i o n 属性读写库以及n p o i h s s fe x c e lb i f f 格式读 写库。基于这些库，因此n p o i 在生成e x c e l 文件时可以完全设计表格样式，设 置使用e x c e l 公式和在文件中创建图形。 由于在本系统中我们使用了n e t 平台，并希望报表样式和数据可以根据需 要进行自由设定和调整，基于此我们在报表子系统中我们采用了n p o i 技术， 并在实践中取得了良好的效果。 第六节数据存储管理系统 数据存储管理系统主要是由数据库及相应软件组成的系统，是为适应数 据处理的需要而发展起来的一种存储、维护和向应用系统提供数据的核心系 统。其中的核心构成就是数据库。数据库是一个有组织、有管理、规范化、 能提供数据共享的集合。数据库中的数据是以表的形式进行分类存储，有较 高的数据独立性和扩展性【2 7 】。软件核心就是数据库管理系统( d b m s ) ，它 是基于操作系统科学的组织和存储、获取和维护数据的系统软件【28 1 。其主 要结构如图2 1 1 ： 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 l 数据存睹层j j _善i 操作系统层 图2 1 1 数据库管理系统结构示意图 应用层：是d b m s 的界面层，处理的对象是各种各样的数据库应用。 语言翻译处理层：是对数据库语言进行语法分析、语言转换、正确性检 查等应用。 数据存取层处理的对象是组，把上层的集合操作转换为单记录操作。 数据存储层处理的对象是数据页和系统缓冲区。 操作系统层是d b m s 的基础。d b m s 的存储层是基于操作系统的存取 操作【2 9 - 3 1 1 。 d b m s 主要功能包括： 操作数据：提供数据结构化查询语句( s q l ) ，实现用户对数据的添加、 删除、更新、查询等操作。 接口通信：包括与网络中其他软件的通信功能以及网络间不同数据库的 数据共享功能。以及与操作系统的联机通信，负责处理数据的传送。 数据库管理：具有安全等级控制、多用户的并发控制、安全性检查和存 取限制控制、数据完整性检查和运行日志管理、事务管理。保证事务的原生 性。 大规模数据长久化存储：提供对还量不同类型数据长久化的独立存储， 并具有优化数据存储结构，支持快速查询数据等功能【3 2 粥 。 第二章实时数据采集管理与反馈控制关键技术研究 综合数据库及数据库管理系统的这些功能，在以w i n d o w s 系统为操作 平台的基础上，基于我们使用的n e t 平台最终我们选择了s q ls e r v e r 系列 数据库。 第七节本章小结 在本章中我们详细介绍了在开发企业数据采集管理及反馈控制系统中 用到的主要基础性概念和技术主要有软件开发平台、报表实现技术、g s m 短信报警技术以及数据库技术等，为第三章介绍系统的设计及实现做好了铺 垫。 1 9 第三章实时数据采集管理与反馈控制系统的需求与设计 第三章实时数据采集管理与反馈控制系统的需求与设计 第一节系统整体设计需求 3 1 1 数据采集管理系统设计需求 随着企业生产规模的不断扩大，生产用原料的种类和数量的不断增加，使 得对于企业生产的实时数据的监测管理越来越复杂，在人力成本越来越高的现 代社会通过增加劳动力来解决大规模数据监测问题已经行不通，为了能在有限 的劳动力和劳动时间内做到对生产实时监控我们设计并开发了这套数据采集管 理与反馈控制系统。 企业在建立过程中，由于设计规划和管理理念的滞后可能没有对企业生产 进行信息化、网络化预留和布局，造成了整个工厂处于信息独立、封闭的状态 即每一个需要监控的管道和设备都是独立的，没有形成相互之间的信息关联或 者没有统一连接到一个信息传输终端上，这样只能通过人工每个监测管理最终 手动汇总在一起。基于以上原因，数据采集系统的设计需求就是：第一对已有 独立的生产线路与流程进行网络化关联，使的不同种类的数据能汇总传输，监 控人员只需要在监控显示终端处就能掌握整个基础生产状况。第二需要选择能 反映生产状况和生产成本的关键数据进行采集，这样关键数据才能总体体现生 产效能。第三在能汇总显示各种数据的基础上，能做到生产数据和显示数据实 时对应，保证数据的实时性，这样通过对数据的监测才能真实的反映生产的实 时状况。 基于以上对数据采集管理系统的设计需求，通过对生产企业的实际考察， 明确了数据采集终端我们采用p l c 与数字化流量计相结合的方法呤4 | ，如图3 1 所 不： 2 0 第三章实时数据采集管理与反馈控制系统的需求与设计 图3 1 数据采集终端构成示意图 这样就把各个独立的流量计和电表通过p l c 和传输终端连到了一起形成了 一个以无线网络为媒介的局域网。在形成数据采集形成网络的基础上我们通过 确定采集关键参数实现了对生产总体情况的掌握与管理，具体采集参数参考表 3 1 ： 表3 1 关键参数示意图 类型关键参数反馈控制参数 流入温度 温度传感器 流出温度 瞬时流量 流量计 补水电机启动停止 累计流量 流入压力 压力表 流出压力 瞬时电量 电表继电器启动停止 累计电量 在数据传输的实时性需求上，我们采用上位机主动轮询呼叫各从节点，每 个从节点呼叫间隔可调的方法，从而保证了每一个数据的实时性。数据采集控 制子系统作为整个系统的基础，在满足设计需求的基础上才能更好的为后面的 系统管理运行提供良好的帮助。 3 1 2 人机交互系统设计需求 人机交互系统的核心就是数据显示监控管理，在数据显示监控的设计上有 2 l 第三章实时数据采集管理与反馈控制系统的需求与设计 以下几点需求： 数据显示上，系统设计需要做到直观、主动显示实时数据，对于所有的采 集终端既可以分类显示也可以汇总显示，这样既可以总体掌握各个生产环节的 情况也可以具体关注某一生产环节，因此需要把所有终端进行分类标注，在人 机交互系统中加以识别，并需在线实时数据更新。 数据监测上，在人机交互系统中需要设计预留传输数据的a p i ，设计保留了 进一步向上层软件或第三方系统提供数据的能力，这样为以后搭建更大型网络 建立好基础。 在系统操作的难易程度上，需要考虑到工人电脑操作水平整体不高，要在 短时间内能熟练掌握并运用该套软件，所以在设计上，尽量简化参数选项，把 复杂操作封装到后台中，使操作人员只需进行简单的选择即可实现相对复杂的 功能。 在开发结构上，考虑到企业中各部门都需要对生产过程进行掌控，因此采 用c s 结构，把数据显示、监控软件开发成客户端，使得每一个客户端都可对 数据进行显示，但是对于反馈控制需要明确权限，只能由主管部门进行调整、 设定。 在软件多功能性上，客户端上需要有多种不同功能，既包括对软件本身