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钻井平台发电机纽顺序控制及监控系统的研究 摘要 本课题来源于国家经计委立项的国家高技术产业示范工程项目的子专题 “平台信息系统的研究与开发”，以及国家经贸委立项的九五国家重大技术引进 消化吸收“一条龙”项目中的一个子专题：大型f p s o 系统的“全封闭高速信 息公路自动化网络系统开发”。 本课题开发的电力系统监测软件，是一套实时监测软件，由数据采集模块、数 据处理与存储模块、数据库操作模块、网络通讯模块、数据显示模块等功能模块 组成。它主要是实现对各类实时信号的采集、处理、存储及显示等功能，既包括 对数据采集板进行的底层编程，也包括为了实现通讯功能而采用的网络编程和数 据库内容。经验证，本系统软件功能达到要求，系统界面监测内容全面，布局合 理，易于操作。 此外，为了丰富监控软件的内容，本课题还研究了相关的发电机组的自动控制 系统以及进行了非接触扭矩传感器的实验。其中，发电机组的自动控制是油船综 控系统的重要组成部分，意义重大；扭矩是监控软件需要重点监控的信号之， 而非接触扭矩传感器正是当今先进的扭矩测量技术。 关键字：电力系统监测，发电机组自动控制，扭矩传感器 i i 钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研究 a b s t r a c t t h et h e s i si sd e r i v e df r o mas u b s u b j e c t ”1 er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no ff l a t i n f o r m a t i o n s y s t e m ”o f t h eh i g h t e c hd e m o n s t r a t i o n e n g i n e e r i n gp r o j e c t o f c o u n t r y m a d eb ye c o n o m y c o m m i t t e ea n d p l a n c o m m i t t e ea n da n o t h e rs u b s u b j e c t ：” t h ee x p l o i t a t i o no fc o m p l e t e l yc l o s eh i g h - s p e e di n f o r m a t i o na u t o m a t i cn e ts y s t e m ” w h i c hi si n c l u d e di n a p a c k a g ep r o j e c to fi n d r a u g h t 、d i g e s t i n ga n d a s s i m i l a t i o no f g r a v et e c h n o l o g yi nt h e9 t hf i v e - y e a rc o u n t r yp l a n t h es o f t w a r em o n i t o r i n ge l e c t r i c s y s t e m i n t r o d u c e di nt h e t h e s i s ，w h i c hi s a r e a l t i m em o n i t o r i n gs o r w a r e ，c o n s i s t so ft h em o d u l e so fc o l l e c t i n go fd a t a ，t h e p r o c e s s i n ga n ds t o r a g e o fd a t a ，t h eo p e r a t i o no fd a t a b a s e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb y n e t ，t h ed i s p l a yo f d a t a i tm a i n l yi m p l e m e n t st h ef u n c t i o n so f c o l l e c t i n g 、p r o c e s s i n g 、 s t o r a g ea n dd i s p l a yo fm a n y k i n d so f s i g n a l s ，w h i c hi n v o l v e sn o to n l yp r o g r a m m i n g t h ec a r do fd a t aa c q u i s i t i o nb u tt h ec o n t e n to f p r o g r a m m i n g t ot h en e ta n dd a t a b a s ef o r f u l f i l l i n gc o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h en e t i th a sb e e nv a l i d a t e dt h a tt h es o f t w a r ec a l l m e e tt h ed e m a n da n di t si n t e r f a c e sa r ec o m p r e h e n s i v e 、s e n s i b l ea n d e a s yt oo p c r a t e b e s i d e s ，t oe n r i c ht h ec o n t e n to fs o f t w a r e ，r e s e a r c h i n gr e l a t i v et h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mt ot h eg r o u po fg e n e r a t o r sa n dt h ee x p e r i m e n to fn o n - c o n t a c tt o r q u e s e n s o ra r ea l s oi n v o l v e di nt h et h e s i s t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt ot h eg r o u po f g e n e r a t o r si sai m p o r t a n tp a r to f t h e t a n ks h i pm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c h i sv e r yi m p o r t a n t ；t o r q u ei so n eo f i m p o r t a n ts i g n a l st ob e e nm o n i t o r e di nt h es o f t w a r e s y s t e ma n d n o n c o n t a c tt o r q u es e n s o ri sj u s tt h ev e r ya d v a n c e d t e c h n i q u e i nt h ef i e l do f t o r q u em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：m o n i t o r i n ge l e c t r i cs y s t e m ，a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt ot h eg r o u po f g e n e r a t o r s ，t o r q u e s e n s o r 钻井平台发电机纽顺序控制及监控系统的研究 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 本课题来源于国家经计委立项的国家高技术产业示范工程项目的子专题：大型 b i n g o9 0 0 0 型半潜式钻井平台的“平台信息系统的研究与开发”，以及国家经贸委立项 的九五国家重大技术引进消化吸收“一条龙”项目中的一个子专题：大型f p s o 系 统的“全封闭高速信息公路自动化系统开发”。b i n g o9 0 0 0 型半潜式钻井平台，是大连 新船重工为挪威船级社设计建造的当代最先进的深水海洋钻井平台，现已完成船体建 造。二期工程需要解决的问题之一是电力系统的设计建造。大型f p s o 电站自动化是我 国需要重点研究解决的技术问题。大型w e n l 3 1 2f p s o 是我国目前承接的最大吨位的 f p s o ，其技术水平为当代国际先进水平。 在本课题的两个项目来源中，虽然它们的电力系统有所不同。但自动控制与监测的 理论和基本方法基本相同，即都需要研究发电机组的自动监测与控制问题。因此，根据 项目研究的需要，本文论文题目确定为“钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研 究”，主要研究大型海上石油装备，如大型海洋钻井平台、大型f p s o 的电力系统的监控 自动化。 本文研究的发电机组的顺序控制自动化，在大型钻井平台和大型f p s o 通讯网络系统 中具有重要地位，除了可以得到高质量的电能外，还可以保证供电的连续性，可靠性和 经济性。例如自动进行发电机设备的调整控制和工况检测监视，以便及时发现和排除故 障，避免工作人员的误操作，减少维修工作量，改善劳动条件，保证油船电站供电的连 续性，可靠性和电能质量。此外，油船发电机组的自动化是实现机舱自动化，进而实现 油船自动化的必要条件。 实现油船发电机组顺序控制自动化需要对各种信号的采集和处理，发电机组扭矩监 测信号就是其中种。扭矩监测系统的研究还具有更加广泛的意义，该系统不仅可以用 于网络监控系统及钻井平台发电机组的自动化实现上，还可以广泛的用于船舶、轧钢、 石油钻机等方面。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 本文的依托是大连新船重工建造的大型钻井平台b i n g o9 0 0 0 和大型f p s o 两艘海 洋石油装备。其中，f p s o 是海上油田浮式生产储油船的简称，英文名称为f l o a t i n g p r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f l o a d i n g 。f p s o 是海上油田开发中的创新技术，用于对开 采的石油，进行油水气处理、储存和外输。1 。它一般通过单点系泊长期固定在海上油田。 由于浮式生产方式具有便于迁移，可重复利用，技术经济好等特点，近年来已成为世界 钻井平台发电机鲺l 顺序控制及监控系统的研究 海洋石油开发的主流方式。 我国f 在丌发的海上油 ； ；i 文昌13 1 2 ( w e n1 3 一l 2 ) 浊f 【_ l 采用浮式生产方式。w e n 1 3 一l 2 油f = i _ i 位于我国南海，那早水深1 0 0 多米，风浪大，环境十分恶劣。该f p s o 采用 内转塔式单点系泊，即使在百年一遇台风期中也不会解脱。这是我国首次建造的具有当 今世界先进水平的f p s o 。w e n1 3 1 2f p s o ( 南海奋进号) 是人连新船重工建造的，已于 2 0 0 1 年6 月卜_ 水。 w e n1 3 一l 2f p s o 与常规船舶相比，具有当今世界最新式的全封闭高速信息公路计 算机式自动化系统。船上有主流程系统、单点系泊系统、应急发f u 机管理系统等1 7 个 系统。 w e n1 3 1 2f p s o 自动化临控系统是由美国f i s i t e r r o s e m o u n t 公司设汁的，监控 系统- | l 的自动化设备及监控单j i 来自多个国家，例如电力系统是采用f i 本r a d i o e l e c t r i cm f g 公司产品。浚系统代表了当今国际先进水平。 根掘国际海事组织的( i m o ) 的规则，在世界油舱建造市场上，近期推出的f 乜力系 统与监控新技术、新产品呈快速发袋的状态。侧如s a b r o e 公司攉出电力系统模块化汇 流排系统。a 1 f al a v a l 公司推出f c m 系列柴油机用燃油供油系统。n e w a g ei n t e r n a t i o n a l 公司和c a t e r p i l l a rm o t o r e ng m b h 公司推山新的重型船用发电机系统。w e s t f a l i a 公司 推出新的d 型柴油分离机。w o o d w a r dg o v e r n o r 公司新近推出2 3 0 1 d 型柴油发电机、泵 和蚯缩机组用数字负载分酉己与控制器，取代了原来的模拟控制器。 在2 0 0 1 年1 2 月中国国际海事技术学术会议和展览会上，国内外公司展示了多种船 舳舱控报警系统，例如：b & w 公司的柴油：r 况监控系统。u z u s t l i o 公司的船陆j 1 日j 综合信 息通讯系统、船内网络系统、电力综合管理系统。s t e i ns o h n 公司的报警监测与控制系 统。日本m u s a s i n o 公司船舱监视装置及系统。在船舶电站及油船自动监控网络系统中， 基于l c p i p 协议的因特网船舶监控系统，实现了网络技术与船舶自动化技术的结合， 是当代晟新的船舶监控系统。 舰船因特网平台j 监控系统可以用船内因特嗍将船内航行及机电等所柯设备单元连 成一片，这不仅实现了商性能，】n i 且所有的监控单，i 只有一种标准，实现了标准化、高 可靠、易维护。由于网络速度的极大提高，n j 以方便传送图像和声音，使船舶自动化系 统不仪实现传统的数据式监控，而且可实现图像式和声音式监控报警的新模式，产生了 新一代的数据图形图像声音混合式船舶监控系统。这是2 l 世纪新型船舶自动化系统， 是2 i 世纪信息技术发展的必然趋势0 1 。 船内因特网监控系统的特点： t c p i p 网络容量大，川包罗世界的计算机，是成熟的技术，凶此全船所有的设备单 元和监控单元全部分散联网是没有问题的，可以用种标准构成全船的管理控制汁算机 网络。 t c p i p 删络利用卫星等线路构成了命球的因特刚，船舶因特嘲可以利用余球因特i 叫 构成全球船舶安全管理和营行指挥系统，几乎不需要成本。 。r c p i p 网络硬件的通讯速率最大已达1 0 0 0 m b s e c ，l o o m b i o m b 的设备已普及，足目 前现场总线系统的1 0 0 0 0 倍，改进了自控设备的性能。 t c p 【p 网络已经标准化，有现存的各种技术产品可利用，对于改备标准化，降低成 本，提高可靠性有很大的意义。 钻井平台发电祝组顺序拄制及髓拉系统的研究 t c p f l i p 网络为“树形拓朴结构网络”，比总线形网络的可靠性更高。 由于数据响应快，改善了计算机监控系统的特性，由于全船及船岸连网，控制信息 全面，改善了控制精度。 超高速的通讯网络可以传送图像及声音信号，使船舶自动化系统不仅实现传统的数 据式监控，而且可以实现图像式声音式监控报警的新模式，同时有条件发展全面的准确 的船舶设备故障自动诊断和维护专家系统。 全部监控单元分散上网，不用计算机汇集再转换一点上网，不存在“瓶颈”问题， 可靠。 钻井平台或f p s o 的发电机组自动化包括的内容很多，除自动并车装置，自动调压， 调频技术外，还应包括供电发电机组的自动选择和控制等技术。“。 国外虽然已经有了相应的设备及控制系统，而且功能较强，但都具有一定针对性， 并且技术保密。本文将研究开发钻井平台电力系统的监控系统软件。 用于发电机负荷监测的扭矩传感器有以下几种： 1 应变电桥式： 这种传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，灵敏度高，速度快，适合静态、 动态测量。但它属于接触测量，若要将电信号传出来，需要滑环装置，因此这种传 感器不适合于扭矩的非接触测量。 2 磁电感应式 这种传感器是一种非接触测量，满足基本要求，但它尺寸和重量较大，结构复杂， 难以制造。 3 磁弹性扭矩传感器 这种传感器具有非接触测量、线性度好、灵敏度高、响应速度快等优势，还不受安 装空间限制，结构简单，且不破坏原有传动结构。它的主要缺点是对转轴与磁极之 间的气隙扰动变化敏感。国外文献简介了几种气隙扰动的补偿方法，因为属于专利， 无法得知具体细节。但是传感测控研究所已经研制出磁弹性扭矩传感器样机，本文 将在已有的试验结果基础上，进行磁弹性扭矩传感器的工程应用方面的深入研究。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的主要工作：一是从整体对平台电力监测系统进行分析，设计出方案；二是 根据要求设计出通讯网络系统软件；三是进行非接触性扭矩传感器工程应用方面的研 究。具体的工作是： 1 从整体上分析系统，了解、分析每个部分的组成及功能。 2 根据系统功能要求，完成软件设计。 ( 1 ) 设计通讯网络系统软件整体结构。 ( 2 ) 完成电力系统的数据采集、数据库、网络通讯软件设计。 3 ，研究发电机组的顺序控制自动化理论并开发相应软件。 4 在已有的试验结果基础上继续进行扭矩传感器应用特性的研究。 钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研究 第二章电力监测系统的总体设计 在本课题研究中，详细分析研究了b i n g o9 0 0 0 、w e n l 3 - 1 2 f p s o 和 q h d 3 2 6 f p s o 的资料，并参考了在2 0 0 1 年1 2 月中国国际海事技术学术会议与展览会 上收集的大量国外最新资料，本文研究设计了1 5 万吨f p s o 电力供配电监控系统的数 据实时采集、处理、数据库软件，监控界面软件，网络通讯软件等。大型f p s o 监测系 统是由电力系统、货油系统等四个子系统构成的一个通讯网络系统，这个网络系统实现 了由1 个工程师站和4 个操作站之间的网络通讯，可实现对f p s o 全船的机器监控与报 警 4 1 。f p s o 通讯网络系统可以将全船作业及机电等所有设备联成一片，这不仅实现了 高性能，而且将所有的监控单元统一成一种标准【5 j 。实现了标准化、高可靠性和易维护 性。本文主要研究内容： ( 1 1 在w i n 2 0 0 0 操作系统、v c + + 6 0 软件平台上，以t c p i p 协议为基础开发设计 了f p s o 局域网，实现了1 个工程师站和4 个操作站之间的网络通讯。 ( 2 ) 研究与设计数据采集与处理系统，并用a c l 一8 1 l l 数据采集卡进行模拟信号的 实时数据采集与处理试验。进行了数据库设计，实现了实时和历史数据的存储、显示 和扣印。 ( 3 ) 自主开发设计出电力配电监控与报警管理系统。实现了流程图和监控、报警 显示的有机结合。 本课题开发设计的软件通过电力系统实时信号采集等考核，验证了数据采集与处理、网 络传输以及界面动态显示软件设计的正确性与可靠性。 2 1 系统的硬件开发环境 2 1 1 数据采集板的选择及其应用 在计算机测试系统中，若实现智能控制，必须将被测对象的各种测量参数按要求送 入计算机，由传感器、放大器送出的信号是模拟信号，进入计算机的信号应该是数字信 号，因此，在计算机和传感测试电路之间，按要求设置信息的传递和转换装置，从而起 桥梁和纽带作用，这种装置就是数据采集通道，也就是a d 转换器。a d 转换器包括信 号的采样、量化和编码，它主要有以下技术指标： ( 1 ) 分辨率。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。分辨率 设用数字量的位数来表示，如8 位或1 2 位等。 ( 2 ) 量程。指所能转换的电压范围，如5 v ，1 0 v 等。 ( 3 ) 转换时间。完成一次a i d 转换所需要的时间。 考虑到研制周期、质量、可靠性等，本系统采用的数据采集板为：台湾研华公司的 a c l 8 1 1 1 。 a c l - 8 “1 是种高性能多功能的数据采集板，适用于i b mp c x t a t 及其兼容机， 它不但具有数据采集功能，还具有信号控制和输出功能，例如：1 2 位a d 转换，1 2 位 4 钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研究 d a 转换，数字量输入，数字量输出，定时器和计数器。它已广泛应用于高速1 2 位数 字处理中，具有较高的性价比。尤为重要的是，a c l 一8 1 1 l 还有较强的编程功能，应用 它的编程功能，使用v c + + 语言对其进行编程，使它能够对数据进行快速采集、a d 转 换等。 它的主要功能有： 8 个单端1 2 位模拟输入通道。 板载采样保持器。 程控可变输入电压范围：5 v ，2 5 v ，1 2 5 v ，0 6 2 5 v ，0 - 3 1 3 5 v 。 1 6 个数字输入通道。 1 6 个数字输出通道。 一个1 2 位单片多路复用模拟输出通道。 三种a d 触发模式：软件触发，外部触发，可编程定时触发。 可编程中断级别选择。 本课题主要应用它的1 2 位a d 转换功能。模拟信号输入有8 个端口，可构成8 个 单端输入。a c l 8 1 1 1 提供八个单端模拟信号输入，用多路选择开关进行各路信号之间 的切换。单端模式只有一个相对于地的输出，适合于浮动信号源联接，浮动信号源指的 是没有任何与地的连接源，图2 1 指出了模拟信号与a c l 8 1 1 1 数据采集板的连接。 2 12 监控通讯网络的硬件构成 ( 1 ) 计算机 c p u ：i n t e lp e n t i u m3 内存：2 5 6 m 显示器：三星，1 7 寸 显卡：g e f o r c e 2m x ( 3 2 m 显存) 硬盘：4 0 m 光驱：5 0 x 软驱：3 寸。1 4 4 m b 双键鼠标，w i n d o w s 标准键盘 个数：3 台 ( 2 ) 操作站 c p u ：i n t e lp e n t i u m3 内存：5 1 2 m 显示器：三星，1 7 寸 显卡：g e f o r c e 2m x ( 3 2 m 显存) 硬盘：4 0 m 光驱：5 0 x 软驱：3 寸，1 4 4 m b 磁带机：4 8 g bt r a v a nt r 4e i d e 双键鼠标，w i n d o w s 标准键盘 钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研究 个数：1 台 采用显存为3 2 m 的显卡是因为3 2 m 已经成为主流，而且友好的入机界面需要犬量 的图形元素，需要较高性能的显卡支持。 模拟地 图2 - 1 模拟信号的连接 f i g u r e 2 1t h e c o n n e c t i o no f a n a l o gs i g n a l s ( 3 ) 网卡 i o mp c i 总线即插即用以太网卡 2 2 系统的软件设计 2 2 1 系统软件设计的目标 系统的应用软件是根据系统功能要求设计的，应可靠地实现系统的各种功能。该系 统的设计目标： 可操作性：考虑到运用该系统的用户的计算机应用水平存在差异，在系统设计时 界面应当尽可能友好，操作尽量简单，因此在设计时多采用对话框、组合框、按钮等操 作简单的控件，这样用户可以一目了然；对于易出错的地方，系统会给出提示。 易维护性：在系统设计时，为了便于使用者理解软件结构、接口、功能和内部过 程，在编写代码时尽量采用模块化的程序结构、结构化的程序设计以及良好的程序设计 风格，同时尽可能采用模块独立、模块间联系的低耦合、高内聚的设计原则，易于维护 整个系统。 可靠性：系统在发生故障或数据输入不合理时，应有较强的抗干扰能力和排控故 障的能力，以免系统产生错误或遭到破坏。 安全性：系统在设置时，应保证某些关键参数的安全性问题。 钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研究 2 2 2 系统软件的框架及模块划分 f p s o 监控与报警系统软件部分要实现的功能是：实时采集数据并进行分析、界面 显示、网络传送。在此基础上，借鉴网络协议的分层思想，将软件部分按照功能及重要 性划分为五部分： ( 1 ) 数据采集 ( 2 )数据处理及存储 ( 3 ) 。数据显示 ( 4 ) 网络传送 ( 5 ) 数据库操作 按照分层的思想，各部分应当相互独立，只是留出接口以供其他部分调用6 1 。逻辑图及 分析具体如下： 1 数据采集是最基础的部分，所有的其他功能层都要依靠这一层提供的数据来动作。 在本程序中将数据采集做成了动态联接库d l l ，这样，如果数据处理及存储模块需要得 到采集的数据，只需要调用d l l 提供的接口函数就可以了。 处理过的 各类信号 图2 - 2 系统功能逻辑图 f i g u r e 2 - 2 t h el o g i cc h a r to f s y s t e mf u n c t i o n 2 数据处理及存储模块完成数据的软件滤波、标度转换、越限判断的分析处理功能和 将数据存入数据库的功能，然后将处理过的数据传递给数据显示及网络传送部分。 3 数据显示模块将采上来的信号用友好的界面显示出来。而网络传送模块负责将信号送 往服务器，以便其他操作站来观察。 4 数据库操作模块是用来对已存入数据库的数据进行各种操作的功能模块，包括数据库 的管理、数据查询、打印等。 钻井平台发电祝组顺序拄制及髓拉系统的研究 2 2 3 数据采集模块 数据采集是最基础的部分，所有的其他功能层都要依靠这一层提供的数据来动作。 数据采集模块包括设备驱动部分和上层接口部分。设备驱动程序是联系用户应用程序与 底层硬件设备的基础，而上层接口部分是用户直接与计算机交互的界面。 设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的。每个设备驱动程 序都具有一个共同的应用程序接口( a p i ) ，因此，不管系统所使用的计算机或者操作系 统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的【“。 数据采集系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集硬件系 统来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合，比如c p u 中断、 d m a 传送、存储器等驱动软件在保持高性能、提供给用户易于理解的基础的同时，隐 减了复杂、详细的硬件级程序设计。越来越复杂的计算机、软件等实际上更提高了驱动 程序的重要性和价值。合适的驱动软件不但减少了开发时间，而且是高性能和系统性的 最佳组合 8 】。 对于市场上的大多数计算机内置插卡，厂家都配备了相应的设备驱动程序。用户在 编制应用程序时，可以象调用系统函数那样，直接调用设备驱动程序进行设备操作。 如果所用计算机内置插卡和外设插卡没有设备驱动程序，用户也可以采用高级语言自己 编写。 本系统采用的多功能数据采集板就配备了设备驱动部分，可直接对硬件进行编程， 提高了使用的灵活性。 1 数据采集板的设置 数据采集板使用跳线开关和d i p 开关来实现通道和基地址的设置，成品出厂时进行 预设置，正常情况下不必进行设置。当测试条件改变时，除对软件的相应部分进行修改 外，还要对数据采集板的跳线开关和d i p 开关进行设置。 数据采集板包括三种a d 触发方式：软件触发，内部定时器触发和外部触发。触发 方式由a i d 操作方式控制寄存器来控制。软件触发方式适于低速a i d 转换，在这种方 式下，a d 转换时间完全由软件控制，必须由计时器中断服务程序来产生固定速率的触 发器；定时器触发适用于高速a d 转换，可以与中断数据传输方式一起使用，如果系统 需要一个固定精确的a d 采样速率，使用该种方式；外部触发方式使用外部信号的上升 沿来触发a d 转换，这种触发方式与前两种相比较有更大的柔性，可以使用外部设备来 产生所要求的可变速率的触发信号。 a c l 一8 1 1 1 数据采集板可以使用两种数据传输方式：软件查询方式及中断方式，可 以通过方式寄存器来控制。当a d 转换完成后产生了一个中断信号，在这种方式下，数 据传输方式可以与控制软件异步操作，中断方式必须通过硬件跳线开关来设置中断的 i r o 级别。 在本系统中，本文首先要通过d i p 开关设置a c l 一8 1 1 1 的基地址b a s e ，注意基地 址不要与计算机上已用的i o 地址冲突，本系统中所选择的基地址为2 8 0 h 。数据采集 板共需要1 6 个连续的i o 地址空间，本系统用了其中四个地址：b a s e + 1 ，b a s e + 2 ， b a s e + 4 ，b a s e + 5 ，其作用如表1 所示。 钻井平台发电祝组顺序拄制及髓拉系统的研究 由表2 - 1 可知，每个口地址与采集卡内的寄存器相对应，也就是说，每个寄存器有 一个相应的口地址，这样，我们就可以通过对口地址编程从而对采集卡进行操作控制。 i ，o 地址读写 b a s e + l计数器1计数器1 b a s e + 2计数器2计数器2 b a s e + 3没有使用计数器控制 b a s e + 4a d 转换结果低8 位d a 转换结果低位 b a s e + 5a d 转换结果高位d a 转换结果高位 b a s e + l o没有使用控制多路传输 b a s e + 1 1没有使用选择控制方式 表2 1 寄存器的作用与相应的哟地址 t a b l e 2 一lt h ef u n c t i o no f r e g i s t e ra n dc o n c e m e dy oa d r e s s 2 数据采集板的编程 设置完数据采集板，我们就可以对口地址进行编程，进而完成数据采集。本系统采 用的是定时器触发方式，数据采集板上有板载的8 2 5 3 芯片，8 2 5 3 芯片上的两个计数器 级联在一起产生准确的定时触发脉冲。由于振荡器的频率为2 m h z ，所以定时触发脉冲 的频率为：2 m h z ( c 1 * c 2 ) ，c l 、c 2 分别是计数器l 和计数器2 的值，所以，我们可以 通过写b a s e + 1 ，b a s e + 2 口来设置频率。 a c l 8 1 1 1 有两种数据传输方式：软件查询方式和中断方式。软件查询方式是通过计 算机查询端口b a s e + 5 ，数据准备好就开始传送，它可以对几路信号同时进行采集。中 断方式实时性好。但涉及到对硬件直接操作，在w i n 9 x 2 0 0 0 下，对系统底层操作采用 了屏蔽策略，应用程序不能像在实模式下可以随意操作硬件资源，这是因为， w i n 9 x 2 0 0 0 利用了8 0 3 8 6 的保护机制，从操作系统到一般应用程序一共有4 个特权层， 操作系统享有最高的优先级为r i n g 0 级，一般的应用程序工作在r i n g 3 级，如图2 3 所 不。 解决这一问题的方法之一是：直接处理硬件实时中断服务，这必须通过虚拟设备驱 动程序v x d 来实现。在本系统中厂家将虚拟设备驱动程序封装起来，并给出了动态连 接库，动态连接库d l l 是一种基于w i n d o w s 的程序模块，它是在运行时刻被装入和连 接的。同时，本系统也将该部分做成动态连接库d l l 形式以供其它部分调用。动态连 接库中只包含供应用程序运行时装入该d l l 的有关信息，并非是源代码的复制，因此 在w i n d o w s 使用动态连接库可以使多个应用程序之间共享代码和源代码从而提高运行 效率【9 】f l 们。 钻井平台发电机组顺序控制及崎控系统的研究 图2 - 3w i n 9 x 特权级分配 f i g u r e 2 3 t h ed i s t r i b u t i o no f w i n 9 x p r i v i l e g e 上层接口部分主要是指一些可供调用的接口函数，当其它部分如数据处理部分需要 调用数据采集部分做一些工作时，就可以调用相应的接口函数。 2 2 4 数据处理及存储模块的设计 从功能总图中可以看出，这一部分起到承上启下的作用，数据显示、网络传送、数 据库操作等部分都需要该模块来提供数据，所以非常重要。 采集到的信号被送入数据采集板，在板内进行采样保持和a d 转换，结果送入计 算机专门设置的缓冲区。设备驱动软件就是从其中读取数据，该数据包含着有用的信息， 当然，在测试过程中由于测试系统内部和外部各种因素的影响必然在输出信号中夹杂着 许多不需要的成分。这样，就需要对所得信号进行进一步加工处理，例如消除噪音和干 扰，这就是数据处理部分的工作j 。 采上来的信号数据要进行记录，以便显示、报表、分析等，重要的数据还应当加以 重点保存，比如故障发生的时间、启动的电流等。这样日后可以进行分析计算。数据存 储部分就负责完成这样的工作，它将采上来的信号分类存入数据库中，以便察看。 由于本程序有采集、显示及网络传送多个部分，为了提高系统的性能和响应速度， 采用了多线程及派发自定义消息的方法来编程。 2 2 5 数据显示模块的设计 本系统的软件界面开发采用m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 操作系统，v i s u a lc + + 6 0 软件开发环境，利用w i n d o w s 的系统资源，c + + 语言，m f c 类库等进行界面程序设计 与开发。 微软的m f c 是对w i n d o w s 的应用程序接口( a p i ) 面向对象的封装，使得w i n d o w s 对象，如对话框、控件等变得如同c + + 中对象一样。m f c 还提供了应用程序框架结构， 如文档视图体系结构在a p i 上建造了一个功能强大的基础结构，将程序中的数据的图 钻井平台发电祝组顺序拄制及髓拉系统的研究 形表示( 视图) 与数据分开。采用m f c 的文档视图结构，用v i s u a lc + + 的a p p w i z m - d ( 应用程序向导) 自动生成程序的框架结构。本系统软件即在此结构基础上扩充完成的。 这样就简化了程序设计过程，降低了程序开发的复杂性和难度，提高了程序设计的效率 【1 2 1 。 监控系统软件界面是用户和计算机内部数据之浏的接口，它的主要任务是让用户方 便的使用应用程序，因而，要求界面要简洁、清晰、友好，操作简单，易用性强。 在f p s o 监控与报警显示系统界面设计中，着重考虑的问题如下： 界面的各个元素的空间布置。 色彩的选取和搭配。 逻辑性和一致性。 数据的显示。 f p s o 监测系统的监控界面主要分为主界面、子界面、子页面三层，其层次结构如 图2 4 所示： 图2 - 4 界面层次结构 f i g u r e 2 4 t h es t r u c t u r eo fs y s t e mi n t e r f a c e f p s o 监测系统有一个主界面，主界面下有五个子界面，代表五个子系统，分别为 电力、货油、压载、机器监测和火气监控系统。f p s o 监控系统主界面如图2 5 所示。 电力监测系统的子界面如图2 - 6 所示。每个子界面下又有具体监控对象的子页面，在电 力监测系统中包括6 3 k v 主配电板、4 0 0 v 主配电板1 、4 0 0 v 主配电板2 等监控子页面， 如图3 2 ，3 1 l 所示。 本系统利用的主要软件开发工具如下： m i c r o s o f tv i s u a lc + + ( 6 0 版) ，用于代码编辑、编译、连接、调试。 m i c r o s o f tv i s u a ls o u r c e s a f e ，用于小组开发的管理。 m i c r o s o f t 画笔，用于界面设计中需要的图形处理。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r ，数据库软件。 钻井平台发电机组顺序挣制放监控系统的研究 图2 - 5f p s o 监控系统主界面 f i g u r e2 - 5 t h em a i ni n t e r f a c eo ff p s om o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 图2 - 6f p s o 电力监测系统子界面 f i g u r e2 - 5 t h es u b i n t e r f a c eo ff p s oe l e c t r i cm o n i t o r i n gs y s t e m 2 钻井平台发电机组顺序控制及螈控系统的研究 2 2 6 网络传送模块 本系统f p s o 监控系统包括一台工程师级p c 及4 台操作级p c 。要求如下：其中， 每台操作级p c 监控一组或多组信号，而各操作级p c 之间可互看，而工程师级p c 对每 台操作级p c 均可看可控。由此，本课题所研究设计的局域网布局为广播型，它主要由 一个服务器、四个客户机所组成。传输介质为双绞线，速率为1 0 0 m b p s 。局域网的拓扑 结构通常有5 类，即总线型、星型、环型、树型以及网状型，但总的来说应分为两大类， 点到点型及广播型。在点到点结构中，客户机和服务器是一对一的关系，即客户机发出 的数据只有服务器收到，而其他客户机则收不到。从该系统要实现的功能看，本课题所 研究开发的监控网络所采用的信道拓扑结构为广播信道。 本课题所使用的网络操作系统为w i n d o w s2 0 0 0 。w i n d o w s2 0 0 0 从w i n d o w sn t 升 级而来，因此它具有友好的操作界面，又有w i n d o w s n t 的安全可靠性以及强大的网络 功能i l3 。自从它问世以来，一直是出色的多功能系统。它综合了应用程序服务器、文件 和打印服务器、通信服务器和i n t e m e t i n t r a n e t 服务器的最佳特征。另外，他易于安装、 规划、管理和使用，能够和目前的系统一起运作，能够让用户在相同的操作系统内使用 他们的应用服务器、文件服务器和通信服务器。并且它具有高度的稳定性，同时还是 i n t e m e t 最佳的平台，内置了高性能的w e b 服务器的网络操作系统。因此本系统中选择 w i n d o w s2 0 0 0 作为操作平台。 本课题组所使用的数据通信协议：t c p i p 协议。下面简要介绍下t c p i p 协议： 目前网络中的主要的协议有o s i 七层模型以及t c p i p 协议。 o s i 七层模型是国际标准化组织i s o 发布的著名的o s i 标准0 s i i e c 7 4 9 8 。即 i s o 丌放系统互连参考模型，在这一框架下详细规定了每一层的功能及实现开放系统环 境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。o s i 标准制定的方法是分层的体系结构方 法，它的七层协议可分为高层协议( 负责解决和加工信息内容) 和低层协议( 负责无误 的传送信息) 。 应用层 表示屡 会谲崖 俦籍层 网蝰层 敷据链格屡 镌理层 0 耐参考横囊 图2 7 0 s i 参考模型结构 f i g u r e 2 7t h es t r u c t u r eo f o s ir e f e r e n c em o d e l 钻井平台发电机组顺序控制及监控系统的研究 o s i 给网络通信做出了贡献，但它有着自身的缺点，o s i 没有提供一个可以实现的 方法，不是一个物理的，可以直接用来实现的网络体系结构。它只是描述了一些概念， 是一个逻辑的网络体系结构。也就是说，它只是一个在制定标准时所使用的要领性的框 架。因此它不适合具体的应用。图2 7 所示的是o s i 七层模型结构。 t c p i p 协议是一整套数据通信协议，即传输控制协议( t c p ) 和网问协议( i v ) ”。其特 点包括： 它们是开放式协议标准与具体计算机硬件或操作系统无关。 与物理网络硬件无关。不同类型的网络可以通过t c p i p 集成在一起。 通用的寻址方案。该方案可以唯一标识i n t e m e t 上的每一台主机。 有各种标准化的高级协议。这些协议可提供多种用户服务。 t c p i p 的协议结构一般被看成是少于i s 0 7 层模型的层次结构。其协议结构如图 2 - 8 所示。 4 应用层 3 侍输层 2 罔间层 i 罔络访问层 图2 8t c p i p 结构模型 f i g u r e 2 8 t h es t r u c t u r eo ft c p i pm o d e l 其主要内容有： 1 网际协议i p 。它可以在广域网上也可以在局域网上实现，是以无连接模式操作 的。它允许两个主机在没有任何预先调用设置的情况下交换信息，它给末端用户建立了 一个虚拟网络，允许不同的网络与i p 网点相连。结果是i p 的安装十分简单，并且由于 i p 的无连接的设计，它的增强性也非常好。 2 t c p 协议。因为i p 不提供排序或通信确认，并且是无连接的。因此可靠性、流 量控制、对应用程序回话排序、打开及关闭等任务就留给了t c p 。t c p 的可靠性主要体 现在它提供面向连接的流传输。 本文在电力监测系统中应用了t c p i l p 协议，基于s e r v e r c l i e n t 模式，并采用了 w i n d o w ss o c k e t 套接字进行网络编程。 s e r v e r c l i e n t 模式实现的基本思想 在t c p i p 中进程间的通信模式是s e r v e r c l i e n t 模式。客户和服务器分别是两个应用程序进程，在服务器中运行的是服务器程序，服务 器先执行监听的任务，然后客户机中的客户机程序发出建立连接的请求，服务器若响应 要求，双方建立连接。这样客户机中运行的程序服务器中可实时的检测到。具体说明就 是客户机一边执行本地程序，一边向服务器发数据，服务器得到数据并在服务器程序中 实时地显示出来。这种s e r v e r c l i e n t 模式的概念是相对的，当把服务器程序和客户机程 钻井平台发电祝组顺序拄制及髓拉系统的研究 序固定在一个程序中时，那么，客户机可以是服务器。而服务器也可以看作是客户机， 本文运用了m i c r o s o f t 的m f c 中w i n d o w ss o c k e t 套接字，它是w i n d o w s 操作系统 的网络编程接口。也是w i n d o w