（机械制造及其自动化专业论文）旋转机械监控保护系统通信管理及监视软件开发.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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： 赴q ：罐 日期：2 殳! 啤芝日墨! 宜 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电 子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信 息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：超d 建导师签名： 日期： 中文摘要 旋转机械监控保护系统通信管理及监视软件开发 研究生姓名：庞小健 导师姓名：贾民平 学校名称：东南大学 旋转机械监控保护系统是采用分布式人工智能技术、嵌入式微处理器技术、d s p 技术以 及计算机网络技术开发的新一代的旋转机械监测系统。本课题旨在为该系统开发通信管理软 件及监视软件。 首先，采用模块化的软件设计思想，对通信管理模块软件和监视软件总体结构进行了设 计。通信管理模块是整个系统的中枢，根据其功能需求将其划分为数据通信模块、以太网传 输模块、组态管理在线升级模块以及数据存储管理模块。监视软件作为监视终端，根据其功 能需求将其划分为：以太网通信模块、数据处理模块、图形显示模块以及数据存储模块。 其次，对软件系统中的关键技术进行了研究。根据通信管理模块运行平台的功能需求， 对w i n d o w sc e5 0 操作系统进行了定制和移植；对软件的架构进行了设计，通信管理模块软 件和监视软件采用多线程的软件架构，各线程之间通过共享循环缓冲区的方式提高软件各模 块并行运行的效率，线程同步技术的使用，保证了多线程软件运行的可靠性；对以太网通信 及r s 4 8 5 总线通信技术进行了分析，在此基础上对以太网通信和r s 4 8 5 总线通信类进行了封 装，并设计了以太网和r s 4 8 5 总线通信协议。 最后，编制实现了通信管理模块软件和监视软件，并将所研制系统应用于高速径向柱塞 泵的故障诊断，结果表明所研制系统是可靠与实用的。 关键词：旋转机械，状态监测，通信管理，监视软件，故障诊断 s o f t w a r ea n dm o n i t o r i n g a n dp r o t e c t i o ns y s t e m s u p e r v i s e db yp r o j i am i n p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y b a s e do nt h el a t e s td e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n t t e c h n o l o g y , e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , d s pt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g y , an e wg e n e r a t i o no fm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o ns y s t e mf o rr o t a t i n gm a c h i n e r yi s i n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r ea n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e f o rt h es y s t e mi sd i s c u s s e di nt h ep a p e r f i r s to fa l l ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r e so fc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r ea n dm o n i t o r i n g s o f t w a r ea r ed e s i g n e d a st h ec e n t e ro ft h es y s t e m ，c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ei st h e c o n n e c t i n gl i n kb e t w e e nt h ep r e c e d i n ga n dt h ef o l l o w i n g i na c c o r d a n c ew i t ht h en e e d so ft h e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ，i tw a sd i v i d e di n t od a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，e t h e m e t t r a n s m i s s i o nm o d u l e ，c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ea n dd a t as a v ea n dm a n a g e m e n tm o d u l e a sam o n i t o r i n gt e r m i n a l ，t h em o n i t o r i n gs o f t w a r eg e t sd a t af o rt h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t m o d u l ea n dg i v e st h ef i g u r e so ft h ed a t a i na c c o r d a n c ew i t ht h en e e d so ft h em o n i t o r i n gs o f t w a r e ，i t c a nb ed i v i d e di n t oe t h e m e tt r a n s m i s s i o nm o d u l e ，d a t ad i s p o s i n gm o d u l e ，d a t as a v em o d u l ea n d f i g u r ed i s p l a ym o d u l e s e c o n d l y , t h ek e yt e c h n i q u e so ft h es o f t w a r es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ew i n d o w sc e o p e r a t i o ns y s t e mo v e r a l ls t r u c t u r ea n dc u s t o md e s i g na p p r o a c hm e t h o d si ss t u d i e d ，a n dt h e nt h e s y s t e mi sd o w n l o a d e dt ot h ea i m e dd e v i c e t h e n , t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e si sd e s i g n e d t h e s o f t w a r eu s i n gm u l t i t h r e a da n dr i n gb u f f e ri su s e dt og u a r a n t e et h ee f f i c i e n c yo ft h es o f t w a r e t h e u s a g eo ft h r e a ds y n c h r o n i z a t i o ni n s u r e st h er e l i a b i l i t yo ft h es o f t w a r e t h em e t h o do fm o d u l a r s o f t w a r ed e s i g na n a l y s i sa n dt h ee t h e r n e ta n dr s 4 8 5b u sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma l s ob e e n s t u d i e d f i n a l l y , t h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r ea n dm o n i t o r i n gs o f t w a r ea r er e a l i z e d ，a n d t h e nt h ep l a t f o r mi s a p p l i e dt o t h ef a u l td i a g n o s i so ft h eh i g hs p e e dp i s t o np u m p t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y , c o n d i t i o nm o n i t o r i n g , c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t ，m o n i t o r i n g s o f t w a r e ，f a u l td i a g n o s i s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景l 1 2 通信管理技术及监视系统的研究历程及发展现状l 1 2 1 通信管理技术及监视系统的研究历程1 1 2 2 通信管理技术及监视系统的发展现状3 1 3 本课题的提出4 1 4 本文的研究内容5 第2 章旋转机监控保护系统通信管理及监视软件总体设计6 2 1 旋转监控保护系统总体结构6 2 2 模块化的软件设计方法7 2 3 通信管理模块软件总体设计7 2 3 1通信管理模块需求分析7 2 3 2 通信管理模块硬件平台8 2 3 3 通信管理模块软件平台选择9 2 3 4 通信管理模块总体结构设计1 0 2 4 监视软件总体设计1 l 2 4 1 监视软件需求分析l l 2 4 2 监视软件总体结构设计l l 2 5 本章小结1 3 第3 章软件系统若干关键技术研究1 4 3 1 通信管理模块软件平台定制。1 4 3 1 1w i n d o w sc e5 0 操作系统层次结构1 4 3 1 2 通信管理模块软件平台定制1 4 3 1 3 通信管理模块软件平台下载1 6 3 2 多线程软件架构设计1 6 3 2 1 w i n d o w s 平台任务调度机制研究1 6 3 2 2 单线程与多线程的性能研究1 8 3 2 3 线程同步机制研究l8 3 2 4 循环缓冲区的运用1 9 3 2 5 通信管理模块软件架构2 0 3 2 6 监视软件架构2 0 i i i 目录 3 3 以太网通信的设计与封装2 l 3 3 1以太网通信简介2 1 3 3 2以太网通信关键技术分析2 2 3 3 3以太网通信类封装2 2 3 3 4 以太网通信协议开发2 5 3 4r s 4 8 5 总线通信的设计与封装2 6 3 4 1r s 4 8 5 总线介绍2 6 3 4 2r s 4 8 5 总线通信关键技术研究2 7 3 4 3r s 4 8 5 总线通信类封装2 7 3 4 4r s 4 8 5 通讯协议开发2 9 3 5 本章小结2 9 第4 章通信管理及监视软件的实现及应用3 0 4 1 通信管理模块软件的实现3 0 4 1 1 通信管理模块软件初始化过程的实现3 0 4 1 2 组态管理及在线升级模块3 0 4 1 3 数据接收及整合模块3 2 4 1 4 以太网通信模块。3 3 4 1 5 数据存储管理模块3 4 4 2 监视软件的实现3 6 4 2 1 监视软件的主体流程一3 6 4 2 2 监视软件以太网通信模块3 6 4 2 3 数据处理模块3 7 4 2 4 显示功能的实现3 8 4 2 5 数据保存模块3 9 4 3 旋转机械监控保护系统的应用3 9 4 3 1 测试对象介绍3 9 4 3 2 高转速径向柱塞泵诊断方法及故障机理分析4 0 4 3 3测试方案设计4 1 4 3 4 监视软件监视视图4 1 4 3 5 h h t 在高速径向柱塞泵故障诊断中的应用4 2 4 4 本章小结4 5 第5 章总结与展望一4 6 5 1 全文总结4 6 5 2 未来展望4 6 参考文献4 7 致谢4 9 i v 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 科技的发展，使得现代工业生产现代化水平日新月异，工业生产中的机电设备技术含量 不断提高，这些设备的自动化度、复杂度、完善度，以及功率都不断的提升。这些提升带来 最直观的好处就是提高了生产率和改善了工人劳动的条件，同时也节约了能源和劳动力。新 的设备虽然能够极大的促进生产力的发展，但是其也存在着设备中不同部分之间的相互联系、 耦合程度更加紧密，一个部件出现故障，将引起整个生产流程中断，轻者设备损坏，生产停 滞；重则机毁人亡，造成重大损失i l 。3 】。 1 9 8 5 年陕西大同电厂发生2 撑机组联轴器断裂事故，1 9 8 8 年秦岭电厂5 j f i 机组主轴断裂， 这两起事故的直接经济损失均达亿元，并严重影响了华北和西北地区的供电。2 0 0 7 年，华能 海口电厂6 f | 机组发生故障停机，造成了海南省有史以来最严重电力紧缺事故，给全省人民的 工、农业受到了巨大的损失。以一台2 0 0 m w 的汽轮机为例，每停机一天，给电厂带来的损 失就达数百万。 在这样的现实背景下，人们对设备的可靠性和安全性都提出了越来越高的要求，设备监 控与保护技术也越来越受到人们的重视。准确和及时的发现系统故障，对保障设备运行的可 靠性、人员的安全性都有着十分重要的意义。 旋转机械监控与保护技术是了解和掌握旋转设备的运行状态，识别设备的异常表现，早 期发现设备潜在故障，并对设备故障发展趋势进行预测预报的技术，是解决复杂系统安全性、 可靠性、维修决策科学性问题的关键技术之一【4 】。早期，因科技的限制，人们对设备的故障 只能通过感官去感知。但随着科技的发展，计算机技术、人工智能技术、传感器技术等也运 用到了状态监测与故障诊断技术中【5 】。利用计算机为平台，对旋转机械进行在线状态监测已 经成为一个重要的发展趋势【6 8 】。但纵观国内大多数的状态监测与故障诊断系统可以看出，由 于这些设备是征对特定对象开发而成，系统耦合性较高、灵活性较差，一旦监测对象发生改 变，整个系统就需要重新设计，浪费大量的人力物力【9 , 1 0 】。 针对国内目前存在的状态监测与故障诊断系统的弊端，基于分布式人工智能技术、嵌入 式微处理器技术、d s p 技术和计算机网络技术的智能旋转机械监控保护系统成为该领域的发 展方向之一。本课题旨在为该系统研制满足性能要求的通信管理模块软件和监视软件。 1 2 通信管理技术及监视系统的研究历程及发展现状 1 2 1 通信管理技术及监视系统的研究历程 设备状态监测自工业大生产以来就已经存在，机械设备监控保护系统中的通信管理技术 东南大学硕十学位论文 及监视系统的发展，伴随着机械设备监控保护系统的发展而发展。早期因科技的限制，人们 对设备的工作状况只能通过感官去感知，比如说通过对声音、振动等状态特征的感受、根据 工程师的经验去判断故障是否存在，以及对故障进行定位，此时通信管理技术和监视系统还 没有运用到机械设备的状态监测中。而随着科技的发展，设备的复杂程度不断提高，人的感 官的判断已经无法满足监测的需求。此时建立在仪器仪表技术、自动化技术、计算机技术等 相关技术上的机械设备监控保护技术发展起来了，这也使得应用于机械设备监控保护系统的 通信管理技术及监视系统得到了发展。机械设备监控保护系统的发展从总体上来说经历了以 下阶段1 5 1 ： 1 ) 模拟仪表时代 在计算机技术未引入到状态监测领域的时候，人们只能采用各种模拟仪表对重要设备的 重要的状态进行独立监测。此时通信管理技术还没有引入到机械设备的状态监测中，这种方 式没有考虑整个系统的耦合性，各个监测仪表之间相互独立，缺乏有效的协调，难以适应大 型复杂的工业监测发展的需求。 2 ) 数字仪表时代 上世纪6 0 年代早期，人们利用微处理器和一些外围电路构成数字式仪表以取代模拟仪 表，并加入了控制功能，该方式不仅提高了控制精度，而且具有传统模拟仪表无可比拟的性 能价格比。因为当时计算机发展水平的限制，此时通信管理技术还没有引入到机械设备的状 态监测中，仍不能解决各个监测仪表之间的协调问题l l6 1 7 】。 3 ) 集中式监控时代 上世纪7 0 年代左右，为了解决各个监测仪表之间的协调问题，采用计算机对各个监测仪 表进行协调管理，出现了集中式监测监控系统，运用了通信管理机制来协调各个监测仪表的 工作。在整个系统中，由一个监测监控中心完成总任务的分解、分派和协调，采用计算机作 为设备通讯管理的中心，实行集中监测控制和管理。由于采用了计算机，这种方式可以充分 利用计算机强大的数据处理和显示功能，比常规仪表控制系统具有了很大的优越性，控制功 能也变得比较齐全，而且可以实现传统模拟仪表难以实现的功能和各种复杂的控制。虽然早 期的现场总线雏形已经得到了应用，但是因为没有建立起统一的总线标准、且受限于计算机 技术的发展水平，通信管理技术只能在小范围内，在数据量不大的情况下进行使用，这也使 得监视软件无法像现代监视系统那样实现大规模的图形显示。 4 ) 集散式监控时代 7 0 年代至8 0 年代末，随着工业生产过程复杂度地增加，分工进一步细化，由一个控制 中心实现对所有子系统的控制变得越来越困难，随之产生了新一代监测监控系统，即集散监 控系统。此时由于现场总线技术的发展，利用计算机技术对生产过程进行集中监测，解决了 各监测点之间相互孤立的问题。在这期间，工业现场总线经历了从无到有的阶段，现场总线 技术为通信管理技术带来的最直观的好处除了通信方式的多样化，通信速率和稳定性都得到 了大幅度的提高。现场总线技术运用到了机械设备监控保护系统中，使得机械设备监控保护 系统的通信管理模块也得到了突飞猛进的发展。这段时期虽然监视系统在图形显示的精度上 有了一定的提高，但是受限于计算机技术的发展水平，其数据量相对较小，显示方式也较为 2 第l 章绪论 单一【1 8 , 1 9 】。 5 ) 分布式远程监控时代 9 0 年代以来，伴随着计算机处理器和工业现场总线的发展，通信管理模块性能不断的提 升，其主要表现在新型的高速现场总线的使用( 如c a n 总线等) 使得通信管理模块在通信方 式的选择上更加的灵活，同时无线通信技术的应用使得通信管理模块可以通过无线网络进行 数据的传输【2 0 也】。同时自9 0 年代以来，嵌入式微处理得到了突飞猛进的发展，各种高性能的 嵌入式处理器相继问世，基于嵌入式系统的通信管理模块也得到了广泛的应用，这使得通信 管理模块的体积能够在满足功能需求的情况下，体积不断的减小。同时伴随着计算机处理器 和现场总线技术的发展，监视系统的发展也取得了令人瞩目的成就，现代的监视系统可以对 通信管理模块传输过来的大量的数据进行数值计算，显示方式多样化程度也不断提高。触摸 屏的出现，使得监视系统走向了“触摸”的时代。 现在伴随着i n t r a n e t 和i n t e m e t 在工业领域的逐渐普及，更因为生产过程和监测控制系统 的进一步复杂化，计算机监测监控系统逐渐朝着网络化、分布式的方向发展，出现了分布式 远程监测监控系统。系统中的各个监测控制点分布在不同的地方，通信管理模块通过工业现 场总线完成数据的通信和数据交换，协调合作，共同完成监测、控制任务，监视系统可以通 过i n t e m e t 实现超远程的监视【2 引。 1 2 2 通信管理技术及监视系统的发展现状 在国外，作为大型的科研项目，英、法、芬兰、希腊等国从1 9 9 6 年5 月起，开始了一项 利用人工智能和仿真技术提高监测和诊断系统的功能与精度的“v 1 2 s i o n ”大型联合项目的研 究。法国从7 0 年代末开始实施“利用永久性状态监测实现状态检修( p s a d ) ”的研究计划， 现在已经成功地用在了4 个法国核电站的汽轮机组、反应堆循环泵、压力容器上，并计划配 备法国全部核电站。p s a d 系统可以实现主要部件在线状态监测和故障诊断、利用专家系统 对状态和故障进行评估、向全国性分析中心发送监测数据。这样一些大型的系统无一例外都 是智能化、模块化、组态化的系统，其都有十分先进且功能强大的通信管理模块和监视系统， 但这一类项目往往投资过大，无论是从实用性角度，还是从经济性角度来看，在常规的工业 应用中都难以普及。 目前国外实用化的状态监测与故障诊断系统也有很多优秀的产品。通用电气的b e n t l y 3 3 0 0 m s 、3 5 0 0 m s 、a d r es x p 系列是一个典型的代表。本特利的3 3 0 0 m s 和3 5 0 0 m s 已经广 泛应用到国内外电厂的汽轮机组的监控保护系统中。一个完整的3 5 0 0 m s 、3 3 0 0 m s 监测系统 包括传感器、监测器框架和各模块卡件、上位监控计算机，其监测器框架之间通过接口模块 r i m 上的h o s t 口和r a c k 口使用r s 4 2 2 通讯方式连接，计算机连接到第1 个监测器框架 的h o s t 端口上，第1 个框架的r a c k 端口连到下一个框架的h o s t 端口，以此类推以菊花 链方式组网，各框架和连接的计算机间就可互相通信【2 4 乃】。虽然b e n t l y3 5 0 0 系统功能模块较 多，功能接口较为全面，但其通信方式相对较少，主要以串口和自定义的通信方式为主。同 时其价格相对较高、且便携程度不高，安装使用过程步骤也较为繁琐，其监视软件使用相对 3 东雨大学帧士字位论文 复杂。 a d r es x p 则代表了通用电气公司最先进的高转速、多通道的便携式数据采集解决方案。 以a d r e 4 0 8s x p 为例，a d r e 4 0 8s x p 便携式动态数据采集系统，其自身的通信管理模块即 时保存实时数据，并支持与外部监控软件通过l a n w a n 通信，实现远程监测【2 6 。2 8 1 。但是通 信方式相对较少，且其可接入的终端类型较少、无法同时接入多个监视系统，其监视软件与 控制软件结合在一起，操作过程较为复杂，软件易用程度不高，且其图形刷新速率较慢。 我国在旋转机械状态监测技术方面的研究起步较晚，但是发展很快。总的来说说来，经 历了两个阶段：第一阶段是从7 0 年代末到8 0 年代初，主要是吸取欧美等国家先进技术，并 对一些监测技术、故障机理和诊断方法展开研究；第二阶段是从8 0 年代初期到现在，全方位 开展了机械设备的状态监测和故障诊断研究，引入人工智能等先进技术，大大推动了监控保 护的研制和实施，取得了丰硕的研究成果。如：北京英华达公司研制的e n 9 0 0 0 旋转机械振 动监测系统，是振动在线监测保护系统和故障诊断专家系统的集成，主要是对电力、石化、 冶金等工业领域中的大型机械设备，如汽轮发电机组、水轮发电机组、压缩机组、风机、电 机、水泵、齿轮和轴承等大中型机械设备进行在线振动监测保护、分析和故障诊断。该系统 可自动连续地采集与设备安全有关的主要状态参数，包括键相转速、轴振、瓦振、摆度、轴 位移、胀差、偏心和其它过程量( 如温度、压力、负荷等) ，为设备提供可靠的保护，并可以 对设备故障进行分析和诊断。e n 9 0 0 0 相对b e n t l y3 5 0 0 系统而言，由于实现了国产化，价格 相对较低，但其和b e n t l y3 5 0 0 存在着同样的问题，其体积较大、不适合便携式的应用场合。 其次整个系统的运行依赖上位机系统，其通信管理模块无法对采样数据进行存储和管理，而 将数据的存储管理交由上位机系统完成。 创为实公司研制的旋转机械状态监测系统( $ 8 0 0 0 ) 是新一代在线监测和故障诊断系统， 采用全新的设计理念，监测分站采用l i n u x 操作系统构建，系统采用j a v a 语言编写人机界面， 由w e b 8 0 0 0 企业级服务器、n e t 8 0 0 0 现场监测分站、f a s 8 1 0 0 机泵群现场数据采集分站等 组成；后二者负责数据的采集和分析处理，同时也可以独立地负责将数据传输给远程监测中 心；前者负责运行数据的集中传输以及数据的本地存储和管理【2 9 1 。$ 8 0 0 0 系统无论是从设计 理念和所具备的功能，都已经达到了世界先进水平，但主要针对水电机组在线监测开发，应 用面太窄，通用化程度不高。w e b 8 0 0 0 企业级服务器的使用，虽然能够使得整个系统具有强 大数据通信、管理的能力，但其也使得整个系统的成本大幅度的提高。其现场监视分站采用 l i n u x 操作系统构建，现场监视分站不提供数据存储的功能，数据存储的功能全部在w e b 8 0 0 0 服务器中实现。 1 3 本课题的提出 基于上述通信管理技术及监视系统发展现状以及国内外典型旋转机械监控保护系统的分 析，现代旋转机械监控保护系统主要存在以下问题： 1 ) 通信方式较为单一。通信方式过于单一不利于系统的扩展，及后续的二次开发，难以 满足日益发展的功能需求。 4 第1 章绪论 2 ) 系统的通用化程度较低。当需要检测一个新的对象时，程序源代码需要进行很大的改 进才能使用，而这些工作量对于开发单位来讲都是巨大的，且可能造成新的系统不稳定、容 易导致系统崩溃的现象，更不利于系统进行维护和更新。 3 ) 监视软件相对复杂，操作繁琐，其中多处涉及到数字信号采集和处理相关的专业知识， 要求使用者有较高的专业基础知识，令人“望而生畏”。 针对以上问题，本课题旨在研制新的旋转机械监控保护系统通信管理模块及监视软件， 增强了开放性、可扩展性、通用性、易用性。 1 4 本文的研究内容 根据国内外旋转机械监控保护系统的技术现状及某企业的需求，本人所在的研究室开发 了一套旋转机械智能监控保护系统，本课题旨在为该系统开发出满足需求的通信管理模块及 监视软件。本文所研究的内容如下： 1 ) 通信管理模块及监视软件需求分析及总体结构设计 根据课题总体的规划，及对通信管理模块和监视软件的技术要求，对通信管理模块和监 视软件的功能需求进行了分析，并对总结结构进行设计。 2 ) 软件系统的关键技术研究 该部分主要对软件开发中使用的关键技术进行研究。首先，根据课题要求，通信管理模 块软件建立在w i n d o w sc e 操作系统的基础上，该部分对w i n d o w sc e 操作系统结构进行介绍， 并对w i n d o w sc e 操作系统的定制、移植方法进行研究。其次，对w i n d o w s 平台任务调度机 制和多线程技术进行研究，重点分析保障多线程应用程序的效率、稳定性的方法。最后，对 以太网通信及串行通信方案进行设计，并对其进行模块化封装。 3 ) 对通信管理模块和监视软件的实现过程进行详细介绍，并将其运用到高速径向柱塞泵 故障诊断中。 东南大学硕士学位论文 第2 章旋转机监控保护系统通信管理及监视 软件总体设计 旋转机械监控保护系统是一种结构复杂，模块化较强，且配置较为灵活的系统，为了能 够更好的理解通信管理模块及振动信号采集模块在系统中的作用和地位，能够从整体中把握 两者应当具备的功能，本章对整个系统进行介绍，并根据通信管理模块和监视软件各自的功 能需求对其总体结构进行了设计。 2 1 旋转监控保护系统总体结构 旋转机械监控保护系统是保障设备安全、高效、可靠运行的关键装置。如图2 1 所示， 本课题所研究的旋转机械监控保护系统在保持传统的监控保护系统已有功能的基础上，结合 现代科技的最新发展，采用分布式人工智能技术、嵌入式微处理器技术、d s p 技术以及计算 机网络技术开发的新一代智能化、模块化、组态化旋转机械监测保护组合仪表。该系统框架 内主要由通信管理模块和底层功能模块( 振动监测模块、转速模块、键相模块、继电器保护 模块等) 。通过以太网可以与监视软件、便携式计算机等连接，以实现数据的远程传输、图形 显示、数据分析。 在该系统中，框架外的软件通常在通用p c 上运行( 嵌入式的显示模块除外) ，上位机可 以通过通信管理模块，将组态配置文件传递给底层的功能模块，并可通过通信管理模块，获 取底层的监测数据。通信管理模块是系统的“心脏”，它负责整个系统的通信与协调。底层功 能模块主要根据各自功能上的定义和组态配置文件的要求，进行数据的采集，并将数据传递 给通信管理模块。监测软件作为使用最多的显示终端，其主要作用是进行数据的图形显示。 图2 1 旋转机械监控保护系统总体结构图 6 第2 章旋转机械监控保护系统通信管理及监视软件总体设计 2 2 模块化的软件设计方法 过去因计算机性能等因素的制约，计算机软件的功能相对单一，同一个软件的开发往往 都是由一个厂家独立完成。而随着计算机技术的发展，人们对计算机性能以及计算机软件的 要求越来越高，一个软件开发企业很难独立完成某个大型软件的开发，即使能够完成，成本 也很难控制，软件产业传统的一体化开发模式已经很难适应时代的需求。模块化软件开发即 是为了适应时代的需求，将分工的思想融入软件开发产、1 t 3 0 , 3 1 】。专业化的分工一方面可以提 高生产率，另一方面也带来了巨大的创新效益，使产品具有更灵活的升级能力，延长了产品 生命周期【3 o 】。 对软件作模块化处理可以大大提高代码的可重用度，模块的可重用性减少了开发人员的 重复编码劳动。模块化思想也使编码过程实现了一定程度的标准化分工，开发人员可以专注 于自己所负责的功能模块，提高了开发效率和产品质量。 对软件做模块化处理还可以降低维护成本。在模块化的框架下，维护人员只要对问题模 块单独进行调整，而不会影响其他模块的正常使用，从而降低了软件维护成本和工作量，对 用户的反馈做出最快的响应1 4 。 基于模块化的软件开发，可以十分方便的根据需要，动态、分批次部署，后部署的功能 模块不会影响先前运行的功能模块，这也提高了软件的可扩展性。 模块化的软件设计方法，就是以功能需求为导向，将软件功能独立、抽象为各个单独的 功能模块，各个功能模块在满足所需的数据供给的情况下，能够独立的完成各自的任务。为 了保证模块间的弱耦合性，各个功能块间只进行简单的数据通信、消息的传递和信号量设置。 这也使得整个软件具有较高的“柔性”，能够较为轻松的满足用户多样化的需求。下面将对软 件的需求及总体结构进行分析。 2 3 通信管理模块软件总体设计 2 3 1 通信管理模块需求分析 通信管理模块作为该监测保护系统的主控单元，是整个软件的中枢。它既与外部的监测 软件和组态软件进行数据交换，又与底层模块进行数据通信，并对其进行配置。其具有丰富 的接口，支持远程的访问，能实现大量数据的传输与多种通信装置的互联。 根据通信管理模块在系统中的地位和作用，通信管理模块主要功能包括： 1 ) 数据通讯功能 数据通信功能是其最重要的功能之一。通信管理模块作为整个系统的通讯中枢，数据通 讯功能是必不可少的。其一方面需要从底层功能模块获取数据，另一方面还需要向底层功能 模块发送命令以及组态等信息，除此之外其还要与监视系统、组态软件等其他终端进行数据 交互。 7 东南人学硕j ：学位论文 2 ) 组态管理和在线升级 组态化配置作为本软件的一大特色，组态文件的管理和组态的传输是通信管理模块必不 可少的功能，通信管理模块需要从上位机的组态配置软件获取组态信息，并将其传输给底层 功能模块。 3 ) 数据存储管理功能 通信管理模块作为系统核心，进行着多种数据的处理和交互，同时对特定的数据进行存 储、管理。通信管理模块能够辨识监测机组的运行状态，并根据机组的运行状态进行数据的 管理。 4 ) 系统日志 通信管理模块可以记录发生的事件，例如：通讯中断、机组报警等事件。 除了具备以上的功能外，通行管理模块还必须具备如下特点： 1 ) 较高的模块化程度 软件设计中将功能进行细分，对于不同的功能模块进行封装，在主程序中按照系统运行 状态来进行调用。 2 ) 较强的可扩展性 通信管理模块软件还需要有较强的可扩展性，通信管理模块作为整个系统的核心，几乎 所有的设备都需要与通信管理模块进行通信，为了保证后续开发的设备能够顺利的接入，而 不需要对代码进行大幅度的修改，较强的可扩展性也是该模块的要求。 3 1 ) 较强的自修复能力 通信管理模块的抗干扰和自修复能力也极为重要。系统在运行过程中会受到各种干扰， 在软件运行出错的情况下能够自己进行恢复。 2 3 2 通信管理模块硬件平台 通信管理模块硬件平台为以a r m 单片机为核心的嵌入式平台。通信管理模块硬件平台 板载a t m e l a t 9 ls 舢v 1 9 2 6 3 单片机，主频2 0 0 m h z ，具有6 4 m bs d r a m 、6 4 m bn a n d f l a s h 、 2 m bd a t a f l a s h 。其外围具有如下外设： 1 路i d e & c f 卡接口 1 路u s b 2 0d e v i c e 接口 1 路r s 2 3 2 调试串口 3 路r s 2 3 2 串口，其中两路支持r s 4 8 5 1 路l c d 接口，支持3 5 英寸至1 7 英寸t f t - l c d 液晶屏，最高分辨率达2 0 4 8 x 2 0 4 8 1 6 位g p i o 总线 板载c a n 总线接口，全面支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 协议 1 0 1 0 0 m 以太网接口 提供复位和看门狗功能 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 属于a r m v 4 i 体系结构的微处理器，微软公司的w i n d o w sc e 操作系统 r 第2 章旋转机械豁控保护系统通信管理及监视软件总体设计 能够完美的支持该体系结构的微处理器。 2 3 3 通信管理模块软件平台选择 对于系统功能单一、实时性要求不高的场合，采用前后台系统可以缩短开发周期，降低 开发成本。但随着系统功能的扩展与提高，例如：一个嵌入式系统可能需要同时监视控制多 个外设，且要求能够对外设的操作做出及时的响应；同时系统还处理着多个任务，各个任务 之间有多种信息交互。如果此时仍采用传统的前后台软件设计方法，除了软件的实时性得不 到满足之外，由于系统任务多，在资源调度不恰当的情况下，死锁是在所难免的。因此，有 必要选择合适的操作系统。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 是一种特殊的嵌入式软件，其他应 用都是建立在嵌入式操作系统之上。系统复位后首先执行嵌入式操作系统，主要负责嵌入式 系统的全部软、硬件资源的分配、调度，控制、协调并发活动，将c p u 时钟、中断、定时器 存储器、i o 等都封装起来，为用户提供标准的a p i 接口。嵌入式操作系统必须体现其在所 有系统中的特征、能够通过增减某些组件来达到系统所要求的功能需求。 w i n d o w sc e5 0 作为一款成熟的嵌入式操作系统，其具有如下特剧3 0 1 ： 1 ) 较高的可靠性 w i n d o w sc e5 0 具有比其他任何桌面版w i n d o w s 都可靠的稳定性，其可靠的操作系统服 务保证系统可靠、持久的运行。 2 ) 多c p u 支持和丰富的驱动程序支持 从w i n d o w sc e4 0 开始，w i n d o w sc e 支持x 8 6 、a r m 、m i p s 和s h x 四种架构，其支 持的c p u 种类近2 0 0 种。 w i n d o w sc e 提供了丰富的b s p 和驱动程序支持，为每种不同的硬件设备、总线或端口 提供了例驱动程序源代码，便于用户直接应用这些驱动程序或快速的开发自己的驱动程序。 3 1 企业级的连接性 w i n d o w sc e 是为新一代的智能移动设备而设计的，但它强大的无线和有线网络连接支 持，使它可以和任何其他的c e 设备、