（机械设计及理论专业论文）大规模离心机群频率监控系统的设计及实验.pdf

摘要 离心机是提纯浓缩铀的核心装置，这种提纯工作需要数万台或者更多的离心 机来完成。对大规模离心机群自动化监控系统的设计及实验进行了研究。 根据离心机现场工作的要求，设计并实现了一种基于l i n u ) 【内核的离心机频率 监控报警系统，实现了离心机工作时对频率、转速、摩擦功耗的控制要求。该系统 由两部分构成：下位机主要实现单台频率机柜所监控的1 9 2 0 路频率信号的工作和 报警功能；上位机实现了8 2 台下位机频率机柜信息的获取和控制功能。在上下位 机系统中使用了基于q t 框架的软件开发包，利用多线程技术，解决了使用采集卡 进行频率测量并与显示界面通信的问题；使用l i n u x 系统下的m y s q l 数据库，实 现上下位机中重要信息的存储和获取功能；使用面向连接的s o c k e t 通信，实现了 上位机对下位机的查询和控制功能。 本系统使用工业用计算机，以f e d o f a 为运行平台，选用p c i 数据采集卡为测 频卡，以q t 为开发库设计并实现。该频率监控系统已经通过了离心机群监控功能 的运行测试实验。实现了离心机工作场所和监控操作场所的分离，减少了一些由 于人的进入所带来的一些安全隐患。由于l i n u x 系统稳定的工作环境，实现了真正 自动化、全天候频率监控功能。 关键词：离心机频率监测 l i n u x q tm y s q l多线程 s o c k e t a b s t r a c t c e n t r i 如g e sa r et h ec o r ed e v i c eo fp l l r i 黟i n gu r a i l i u me r l r i c h m e n t t h et a s ko f l l r a l l i u me 耐c h e n to 金e nf e q u i r e st e n so ft 1 1 0 u s a n d so fc e n t m g e s0 rm o r et 0 c o m p l e t e a u t o m a t i o nc o n 艄d ls y s t e mo fm el a r g e - s c a l ec e m r i 如g eg r o u pl l a sb e e n d e s i g n e da n dr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt 0 t l l e r e q u i r e m e n _ t so fc e n t r i 如g em o l l i t o r i n g ，t 1 1 ef k q u e r l c yo f c e 砌m g e sv i g u a la l 锄【1 1m o n i t o d n gs y s t e mi sc o m p i e t e db a s e do nt h el i n u ) 【k e m e i ， 、析t hm er m c t i o no ff 沁q u e n c y ，r o t a t i o n a ls p e e da n d 衔c t i o np o 、v e rc o n s 啪p t i o n t h e s y s t e mi sm a d eu po f t 、op a n s ：u n d e rm a c h i n e ，t h em a i na c h i e v e m e mo ft h eca _ b i n e tt o m o n i t o rm ew o r k i n gs t a t u sa 1 1 da l a e m 如n c t i o no fm ef k q u e n c ys i g n a i si nt h e19 2 0 m a c h i n e t h em a i na c h i e v e r n e n to ft h eu p p e rm a c h i n ei st oo b t a i nm ei n f o 姗a t i o n f i o mt 1 1 e 啪d e rm a c h i n e t h i ss y s t e me m p l o y sq tm u n e w o r ko ft h es o f h a 托 d e v e l o p m e n t k i ta i l d m u l t i t h r e a d i n gt e c l l l l o l o g y t os o l v et h e p r o b l e m o f c o m m u n i c a t i o nb e 觚e e nt l l et h r e a d s l i m s y s t e m su n d e rm em y s q ld 刁【t a b a s ea r e u s e dt oa c 量l i e v em em a c h i n e c r i t i c a li n f o 姗a t i o ns t o r a g e c o 肌e c t i o n - o r i e m e ds o c k e t c 咖 蚰u i l i c a t i o l l si su s e dt 0r e a l i z et h e 血n c t i o no fu p p e rm a c i l i n ei n q u i r i e sa n dt 0 c o n t i i o lm eu n d e rm a c h i n e 1 1 l i ss y s t e mo fi n d u s t r i a lc o m p u t e rt h a tu s ef e d o r aa sap l a t f o n i la r l dp c id a 诅 a c q u i s i t i o nc a r di si m p l e m e n t e dw i t ht h eq tl i b r a 搿t h i ss y s t e mh a sp a s s e dt h et e s t i n g a n d 砌m i n ge x p 翻m e n t so ft h eg r o u po fc e n t r i 如g e s 。t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m h a sa c h i e v e dt h es e p a r a t i o nb e t w e e nt l l e 、o r k p l a c ea i l dm o n i t o r i n gp l a c e b e c a u s eo f t l l ec h a r a c t e r i s t i c so fl i n u xs y s t e m ，as y s t e mo ft m ea u t o m a t i o na r l dr o u n d t h e c l o c k m o i l i t o r i n go f t h ef 诧q u e n c yi sa c l l i e v e d k e y w o r d ： c e n t r i f u g e s m y s q l f r e q u e n c ym o n i t o r i n g l i n u x q t m u i t i t h r e a d s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的沦文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之 本人签名： 左蕴一 处，本人承担一切的法律责侄。 f | 期j ! 广! ： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公向论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保让，o 产_ k 后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名节何为两安电予科技犬学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权二书。 本人签名： 盈绉f 1 期兰! 竺： ： 导师签名： 奎豳绪 同期缓：星 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铀浓缩技术方法概述 “浓缩”术语的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素丰度的同位素分离过 程。浓缩设施分离铀同位素的目的是提高铀2 3 5 相对于铀2 3 8 的相对丰度或浓度。 核电厂使用的是铀作为燃料，铀是存在于自然界中的一种稀有化学元素，具有放 射性。铀主要含三种同位素，即铀2 3 8 、铀2 3 5 和铀2 3 4 ，其中只有铀一2 3 5 是可 裂变核元素，在中子轰击下可发生链式核裂变反应，可用作原子弹的核装料和核 电站反应堆的燃料。在天然矿石中铀的三种同位素共生，其中铀2 3 5 的含量非常 低，只有约o 7 。根据研究结果，在铀核燃料中铀一2 3 5 的含量达到3 以上才能 燃烧，因此开采出来的铀需要经过提纯、浓缩的手续，把铀一2 3 5 的含量比例提高 之后，才能做燃料。为满足核动力的需求，建造了铀浓缩厂，以天然铀矿做原料， 运用同位素分离法使天然铀的三种同位素分离，以提高铀一2 3 5 的丰度，提炼浓缩 铀。提纯浓缩铀有以下几种技术：气体分离法，气体扩散法，气体动力学分离法， 激光浓缩法，同位素电磁分离法，化学分离法，等离子体分离法l l j 。 气体扩散法，是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的铀同位 素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级，当高压六氟化铀气体 透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时，其铀2 3 5 轻分子气体比铀2 3 8 分子的气体 更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送 到下一级，而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中，铀2 3 5 铀2 3 8 浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀2 3 5 丰度需要1 0 0 0 级以上。 离心法作为第二代浓缩铀生产方法，目前正在发展中，离心法是将六氟化铀 气体通过高速旋转的空心圆桶。稍重的铀2 3 8 组成的六氟化铀气体分子，由于离 心力而聚集在筒壁附近的较多，稍轻的铀2 3 5 组成的气体分子，则较多地集中在 筒中央区。而离心法高速旋转的离心机使圆筒离心力大，由于材料的限制，离心 机尺度不能太大，它每台的生产能力低于扩散机。在相同生产规模的情况下，离 心机的数量比扩散机多几十倍以上。但是由于耗电少，产品成本比扩散离心机低 3 0 左右，离心尾料中铀2 3 5 只占0 。1 。这也是本文所论述的离心机群的由来。 1 2 离心机群频率监控系统功能 离心机群监控系统是用来监控铀浓缩过程中离心机运行状态的辅助监控系 2 大规模离心机群频率监控系统的设计及实验 统。软件系统由上下位机两部分构成，下位机运行于离心机频率柜上，通过对频 率信号的测算实现对离心机运行状态的监控；上位机运行于一台普通p c 机上， 其功能是对8 2 台下位机频率机柜进行整体的监测和控制。系统运行时每台下位机 频率柜根据其监控状态对其负责的1 9 2 0 路离心机频率信号进行监控，向目标端口 发送控制和显示命令，同时响应上位机的监控命令。上位机运行时，轮询所有下 位机，并且针对用户的操作，发送响应控制命令到对应下位机，执行操作获取信 息后在上位机显示，并且记录结果到数据库。 设计开发此系统的目地就是希望能够实现铀浓缩过程中数十万台离心机运行 状态的实时监控，能够在尽可能短的时间内，获取离心机的运行状态。由于实际 工作环境的特殊性，要求系统能够自主运行、自动监测和自动报警，软件系统出 现故障重起时监控系统状态能够自动恢复，能够响应上层监控设备的命令。通过 频率机柜和上层监控系统，使得整个离心机群的监控能够自动进行，又可进行人 为干预。 1 3 本文的工作 本文主要研究离心机群频率监测控制系统的设计和实现，具体工作包括以下 几个方面： 第一章：介绍离心机群频率监测控制系统的应用背景，对离心机群频率监控 系统进行简单介绍，对本文的工作做了简要的说明。 第二章：介绍离心机群频率监控系统的原理，描述了硬件的组成及布局情况， 介绍软件实现的平台环境和开发环境。提出了离心机频率监控通信体系结构，提 出了通道换算、频率测量和摩擦功耗测量等相关算法。在此基础上形成了离心机 频率监控系统的工作流程，将系统划分为上下位机两部分，构建了软件模型，设 计了软件组织结构。 第三章：对下位机软件的设计和开发进行了研究，根据离心机运行状态和对 监控的要求，在f e d o m 5 操作系统下，以k d e v e l o p 为开发i d e ，以q t 为开发库， 以m y s q l 为数据库，构建出基于用户界面的、多线程的、数据库相关的、提供 s o c k e t 通信的离心机频率监控下位机系统。实现了频率采集硬件在l i n u x 系统下 自动挂载，数据采集在独立线程中执行，通过数据库操作保存状态信息，记录监 控系统日志，给出了将下位机作为s e n r e r 端时上位机对下位机的查询和操作的方 案。 第四章：研究了上下位机交互控制的设计和开发问题，根据数据传递和监控 的要求，设计了一套通信规则，规定了上下位机通信传输的数据和格式，并且实 现了这样的通信规则。针对通信中大量操作的记录和数据的保存，采用m y s q l 第一章绪论 3 数据库，设计并实现了上位机对获得的数据进行存储和显示的功能。 第五章：研究了上位机监控系统的设计和开发情况，根据实时监控的要求， 在8 2 台下位机同时进行频率测量及监测的情况下，上位机通过内网p 地址利用 s o c k e t 通信连接各个下位机，并且通过通信规则对下位机进行控制操作，获取各 个下位机的数据信息，同时所有的信息将建表保存在m y s q l 数据库中。在f e d o r a 操作系统下利用q t 开发出上位机g u i 监控程序，实现查询下位机、操作下位机、 察看日志、数据保存和数据再现等工艺流程功能。通过了下位机群和上位机监控 系统的联合运行测试实验。 结论：对全文进行了总结，对系统未来研发进行展望。 第二章离心机监测控制系统的原理 第二章离心机监测控制系统原理 2 1 引言 本章介绍离心机频率监测控制系统的工作原理，结合监控要求经过分析综合， 形成了上下位机的划分。介绍了软硬件环境以及开发平台和开发工具的相关情况， 给出系统中重要的概念和算法以及上下位机通信的方式，在此基础上构建了系统 开发模型。 2 2 离心机群划分规则及系统组织结构 2 2 1 离心机群介绍 此系统监测的离心机数量上限为1 5 7 4 4 0 台，每台离心机产生一个频率信号。 为了标记和统计离心机的工作状态，将这些信号平均分配到8 2 台下位机频率柜监 控，每台频率柜负责1 9 2 0 路离心机的频率。针对每台频率柜的1 9 2 0 路信号，按 照8 个截断组，1 2 个装架，2 0 个机器再次进行分组，其中每个截断组包含1 2 个 装架，每个装架包含2 0 个机器。这样1 9 2 0 路频率信号的任何一路就可以由截断 组、装架、机器来唯一标识。 2 2 2 离心机群频率监控系统组织结构 8 2 台下位机并行接入，一台上位监控机负责监测控制所有下位机，它们的相 互关系如图2 1 和2 2 所示。其中每台下位机柜监控1 9 2 0 路信号，每8 台下位机 柜连接在一个交换机上，然后交换机再连接组成一个内网，最后和上位监控机相 连接，通过内网i p 访问。 交换机 图2 1 每八台下位机组织结构 6大规模离心机群频率监控系统的设计及实验 图2 2 上卜位机系统连接结构图 2 3 离心机运行状态介绍 2 3 1 离心机频率传输流程结构 所监测的是离心机的运行频率，频率信号经过线路接入频率机柜的端子板， 经过处理之后，可以由p c i 采集卡捕获，通过对p c i 采集卡的操作和控制计算出 该台离心机的工作频率，如图2 3 所示。每台离心机的频率都是经过一个标准的 过程，我们的监控就是针对这个标准的工艺流程来进行。 图2 3 离心机频率监控流程 2 3 2 离心机运行状态的频率判断 通过一台离心机工作过程中的频率变化来判断离心机的工作状态。离心机的 频率有“损坏”、 “正常”和“失步”三种表示，以及“升周”、“正常”两种 运行状态。在运行状态中，开始阶段为“升周”状态，此阶段是离心机从启动达到 标准转速的一段时问。在此阶段内频率值位于 o ，1 2 7 ) h z 时称为损坏，频率位于 1 2 7 ，2 9 0 】h z 时称为失步，其他状态称为正常。经过一段时间的升周，离心机达 第二章离心机监测控制系统的原理 7 到稳定的工作频率，此时的运行状态称为“正常”状态。在正常运行状态下频率 值位于【0 ，1 2 7 ) h z 时称为损坏，位于【1 2 7 ，9 0 0 0 】h z 时称为失步，频率数值大于 9 0 0 0h z 时称为正常。表2 1 所示就是在升周和正常两种工作状态下对监测频率的 不同判断标准。 表2 1 频率判断标准 嬲p 、避丝 损坏大步正常 升周 0 ，1 2 7 )【12 7 ，2 9 0 】 2 9 0 正常 0 ，1 2 7 ) 1 2 7 ，9 0 0 0 】 9 0 0 0 2 3 3 离心机频率监控系统的功能、工作方式及控制要求 设计开发此系统的目的就是能够对离心机的运行状态进行有效的监控，并且 通过内部的计算适时地发送各种控制显示信息到p c i 板卡的d o 端口和其他程序 界面。每台下位机柜在负责其所监控1 9 2 0 路离心机频率信号后，将有一台位于同 一内网的上位机负责监测控制这8 2 台下位机，因此将系统划分为上下位机两部 分。 下位机频率柜监控的要求：要求每台下位机频率机柜能够监控1 9 2 0 台离心机 的频率信号：包括“单台失步 、“成组失步”、“单台破坏”、“成组破坏”、“屏蔽 、 “事故保护”、“综合报警 和“电源故障”等信息。 下位机频率机柜的四种工作方式：“自动检测 、“手动巡检 、“远端控制”和 “就地控制”。 在“自动检测 方式下，下位机软件能完成下述功能： 1 ) 按顺序自动接通检测传感器，在地址和数据显示区实现地址和数据滚动显 示。 2 ) 在第二个巡检周期后产生“单台失步 、“单台损坏 信号，机柜上相应的 信号灯亮。在第三个巡检周期后产生“成组失步”、“成组破坏信号，接 着产生“事故保护本地机柜上相应的信号灯亮。 3 ) 禁止从本地机柜前面板上操纵控制系统。 在“就地控制 方式下，频率机柜有两种工作方式“自动 和“手动”。 自动巡检工作方式下能够实现下述功能： 1 ) 依次自动接通检测传感器，在地址和数据显示区完成地址和数据滚动显 示。 2 ) 在第一巡检周期中产生“单台失步 、“成组失步”、“单台损坏”、“成 组损坏”信号，本地机柜上相应的信号灯亮，检测“事故保护 信号并 封锁其向上位机传送数据。 手动巡检工作方式下能够完成下述功能： g 大规模离心机群频率监控系统的设计及实验 1 ) 根据手动给出的传感器地址进行检测。 2 ) 根据检测结果，相应的信号灯亮。 3 ) 对任意被检测传感器进行屏蔽和解除屏蔽操作，可以通过截断组、装架、 机器或通过对话框直接输入( 截断组、装架、机器) 的数字( 用数字键输 入) 来快速屏蔽( 或解除屏蔽) 离心机。 4 ) 允许操作各个功能子界面。 在“远端控制方式下，频率机柜只能处于“自动 ，这时： 1 ) “远控”灯显示。 2 ) 执行“自动检测”。 3 ) 响应上下位机通信。 上位机功能要求：要求对所有下位机频率机柜进行轮询，察看其状态，并且 能够发送对下位机的“单台频率测量 、“屏蔽解除屏蔽、“全部频率测量 、“摩 擦功耗测量”、“升周测量 和“查看历史信息 等操作，根据操作结果在上位机 界面中显示结果状态。 上位机的工作状态有：轮询状态，此状态下上位机轮流查询所有下位机的 综合信息以及对应的详细信息( 此时详细信息并没有显示) ，针对查询的结果给出 相应的显示；手动状态，此状态下人为控制上位机，上位机停止轮询状态，手 动状态下可以进行对某一频率机柜的具体命令操作，并且显示和记录数据。 上位机状态的切换：启动时是轮询状态，当用户点击某一机柜图片时进入查 看详细信息界面，此时停止轮询，当退出查看详细信息界面，从停止处开始轮询。 当用户点击某一命令如：频率测量、摩擦功耗测量、查看历史信息等具体操作时 停止轮询，弹出具体功能窗口，当窗口结束时，从停止处开始轮询。 2 4 1 工作模式 2 4 离心机频率监控系统的概念及关键算法 下位机有远控和就地两种工作模式：远控模式下只能运行自动状态，此时接 受和响应上位机的控制命令。就地模式下可以运行自动和手动两种状态，此时下 位机不响应上位机的通信控制命令。 2 4 2 机柜状态和操作 下位机根据控制面板的选择可以划分为手动状态和自动状态，根据控制面板 的选择对频率的处理分为升周和正常两种方式，这两种方式对于频率处理的不同 第二章离心机监测控制系统的原理 9 在表2 1 中已经说明。 对下位机的操作有：察看历史纪录、察看全部频率、测量摩擦功耗、察看上 次摩擦功耗值、故障查找、整装架屏蔽、整组屏蔽和整机柜屏蔽。 2 4 3 工作模式和操作之间的约束关系 根据离心机工艺流程的要求，控制面板上设置远控就地，升周正常两组选 择开关，在软件界面上可以选择手动自动状态，软件启动的时候根据检测到的开 关状态选择相应的监控方式。其中升周和正常方式仅在对频率处理时选取标准不 同。在远控方式下，下位机进入自动状态，顺序监测所有通道的频率，此时下位 机人为只能从机柜控制面板上运行察看全部频率操作，下位机软件对其他的操作 均不响应，但是会响应上位机发送来的控制命令：察看全部频率、摩擦功耗测量、 整装架屏蔽、整组屏蔽和整机柜屏蔽等操作。在就地状态下，通过软件界面上手 动自动状态的选择，在手动状态下可以从下位机控制面板上执行察看历史纪录、 察看全部频率、测量摩擦功耗、察看上次摩擦功耗值、故障查找、整装架屏蔽、 整组屏蔽和整机柜屏蔽等操作；在自动状态下只能进行察看全部频率操作。就地 状态下的手动和自动都对上位机发送来的操作不响应。其相互之间的约束关系如 图2 4 所示。 响应二位税发送孵淡订 l 远控卜 氏嵌一 嫌作，和卜似祝察行食 都频：瓠擞你 1 一懒 粼夕 人 一p 仪响陂f 倪秽t 察霸仓酃 l 就地卜 结束符：i l 全部频率测量命令码：0 1 单台频率测量命名码：0 3 测量整个区段摩擦功耗命令码：0 5 整柜屏蔽命令码：0 7 解除整柜屏蔽命令码：0 8 单台屏蔽命令码：1 1 单台解除屏蔽命令码：1 3 查询综合信息命令码：1 5 ( 1 6 ) 详细信息查询命令码：1 7 查询非屏蔽机器数命令码：1 9 频率数据格式：6 位如0 0 9 3 0 0 摩擦功耗数据格式5 位如1 5 0 2 截断组格式：2 位如0 2 装架格式：2 位如0 6 机器格式：2 位如1 5 屏蔽解除屏蔽成功标志：a c k 屏蔽解除屏蔽失败标志：e r r 下面举一个实例说明实现上下位机通信时数据的发送和接收。 例如：要向3 号机发送单台测量命令：查看1 截断组，2 装架，3 机器的频率， 那么上位机通过在服务器i p 数组中找到3 号机器对应的i p ，1 9 2 1 6 8 1 1 0 3 ，与此 i p 建立连接。 向下位机发送的数据为： 0 3 0 1 0 2 0 3 其中 是起始符，0 3 是控制命令，o l 、 0 2 、0 3 分别代表截断组、装架、机器。 上位机接到命令计算处理后返回： 0 3 0 1 0 2 0 3 0 0 9 3 0 0 ，其中 是起始符，0 3 是 控制命令，0 1 、0 2 、0 3 分别代表截断组、装架、机器，0 0 9 3 0 0 代表频率。 2 6 1 下位机系统设计 2 6 频率监测控制系统设计 下位机是整个离心机频率监控系统的核心部分，它执行整个系统的大部分工 作。其功能要求就是从l i n u x 系统启动开始自动登录系统、自动运行程序、自动 监测频率、自动数据存储、自动故障报警，直到有人为的操作则响应相关的人工 操作。为此将下位机系统的设计分为以下几个部分进行： 1 ) 设计l i n u x 系统的自动登录和自动运行设置，因为系统需要加载p c i 频率 采集卡，针对此硬件实现系统配置，在l i n u ) ( 系统下此类硬件设备一般需要在重 1 4 大规模离心机群频率监控系统的设计及实验 起机器后重新配置，为了实现重起机器后程序的自动运行，需要实现对p c i 板卡 的自动安装和配置4 1 ，为此需要编写s h e l l 脚本并且在r c 1 0 c a l 中添加相关的s h e l l 路径。 2 ) 设计下位机程序框架结构，因为系统要求能够在尽量短的时间间隔内测量 完1 9 2 0 路离心机的频率信号，可视界面的显示可以和频率测量不同步，即允许实 际测量的快而显示的可以慢些。为了解决此问题引入多线程的设计，即在程序启 动时开启两个线程【2 - 3 1 ，一个是频率测量的线程，此线程仅仅负责关于频率测量、 相关计算和板卡操作；另一个是显示g u i 界面的主线程，此线程负责所有用户界 面操作和频率计算结果的非同步显示。通过事件传递和q t 特有的信号槽来进行 g u i 界面线程和频率测量线程之间的消息传递。由于需要上下位机通信的功能， 要有专门的进行通信处理的模块，为此考虑在g u i 界面主线程下启动一个通信处 理子线程，此线程在主g u i 线程启动以后立即随之启动，当程序关闭时它才关闭。 如图2 7 表示软件模块结构图。 竹 频枣测缝模 事件传递 茏界磁i 黟以j 和擞实现通汛 块 俄7 槭 张i 模块 储野褙 梭块 。敞障焱找 i 二 ，。 界嘶 过羰 采集箝选掸丰界嘶 。 i工 iil i 梭豁计铭缡强 l| 嫩列触件瑞 1 i ：= l 妻辘作 。察行令黼；摩擦功耗整装絮解整组解蔽一 ：玖摩擦、历史倍息 参叛；簪界j 越测缴猝压敝终谣羿谢功耗猝瞄界面 图2 7f 位机软件结构不意图 图2 7 中每个子界面都由主界面来控制，子模块在运行时，通过从主界面和 频率测量子线程的数据获得信息，根据需要经过计算处理反馈后显示并且记录在 数据库中【1 5 五9 】。 3 ) 设计数据库表格 由于此系统中需要实现程序关闭后再次启动时能够恢复上次程序运行时的状 态，同时还要存储每次操作的记录，将来在历史纪录子模块能够查询出以前对下 位机的操作。采用内置数据库的方案来实现，在l i i l u ) 【系统中，安装时就可以选 择安装m y s q l 数据库f 3 0 。，这是一个好用而且开源的数据库。在数据库中建立 2 张表，一张用来保存对下位机操作的历史记录，一张用来保存下位机保存的1 9 2 0 路离心机频率信号的序号( i d ) 、频率数值( 右陀q u e n c t ) 、摩擦功耗数值( t e s u n c ) 以及 第二章离心机监测控制系统的原理 离心机的状态( 删e ) 。设计数据库及表如图2 8 所示。 有了这两张表就可以实现对历史信息的纪录和对软件关闭后再启动时情景的 重现。q t a b l e q 表中1 e x t 类型的q t e x t 用来记录操作的日志，i n t 类型的t e x tk e y 是记录日志的i d ，为了今后维护数据库表格的方便。m a c m n e 是一个定长的表， 一共包含1 9 2 1 行，表中i d 保存的是这1 9 2 0 路离心机的序号由1 1 9 2 0 分别代表 1 1 9 2 0 路离心机，删e 代表该序号下离心机的状态：o 表示正常，1 表示失步，2 表示损坏，3 表示被屏蔽。缸q u e n c t 保存的是该序号离心机的频率，t e s tm c 保存 该序号离心机摩擦功耗数值。q t a b l e q 和m a c l l i n e 一个保存日志记录，一个保存1 9 2 0 路离心机的信息，这两张表将在后续的下位机软件实现中起到相应的作用。 2 6 2 上位监控机系统设计 图2 8 下位机数据库设计图 上位机软件主要的功能是负责监控总计8 2 台下位机的运行状态，获取各个下 位机检测的数据，以及一些对下位机的控制命令。同时上位机自身需要有自己独 立的数据库，能够把获取的数据以纪录的方式保存，通过上位机的历史信息功能 查询相关的操作记录并且显示当时获取的详细内容。 由于上位机不用直接操作底层的采集卡( 仅以命令的方式发送到下位机，待下 位机向上位机返回数据) ，因此上位机并没有频率测量的子线程，它仅以g u i 界 面主线程的方式启动，通过轮询的方式对下位机进行s o c k e t 连接，查询下位机的 状态。当需要针对某一台下位机发送命令时，通过内网i p ，经s o c k e t 连接到选定 的下位机，向其发送命令等待返回结果【3 2 - 3 6 1 ，同时保存此次操作的记录和结果到 数据库。上位机数据库及表设计如图2 9 所示。 1 6 大规模离心机群频率监控系统的设计及实验 挺9 1 j b 日】 “，p t i l h ct i i n 站3 t n l t i p ( 14 ) n o tn u l li t t ：y t o l ，_ j e x tt e x t “) p t y p c i dj n t t o p l m a c h i n e i di n t m a c h i n c _ j zi n t m a c h i n e 。q 1 ) i n t b c g i n ，d zi n t b e g i n z ji n t 托n d _ _ j d zi n c e n l 2 ui n t 一一 。一一 图2 9 上位机数据库设计图 由于上位机所监测的是全部8 2 台下位机的频率信息，因此对上位机的数据库 要考虑保存信息的完整性。上位机在某一时刻只能针对某一台下位机产生操作， 因此以时间为关键字来建立数据库的表格。同下位机一样，上位机也有历史信息 显示界面，因此需要将上位机发送的操作记录在日志中，但不同于下位机的是， 上位机在记录日志的同时需要记录由下位机返回的数据结果，因此对上位机的建 表采取动态建立表的方式。表g l o b a l 保存的是历史信息中显示的日志部分，是以 时间为关键字，每条记录都有相应的数据为支持，以g l o b 2 l l 表中每条记录的 t o pt i m e ( 作相应的变形) 为表名建立对应日志记录的数据信息。详细的实现过程将 在上位机实现中给出。 上位机主界面是轮询界面，此界面用来轮询8 2 台下位机的状态，获取机柜状 态信息。通过主界面菜单的操作，上位机进入到各个子模块中实现对某一台下位 机的具体信息的查询和操作，数据库系统将记录每次操作的日志和查询的结果， 在历史信息子模块中可以查询以往的操作和查看以往的数据。当子模块界面退出 后，系统重新进入到主界面的轮询状态，流程如图2 1 0 所示。 图2 1 0 上位机结构设计示意图 第二章离心机监测控制系统的原理 27 1 硬件平台 2 7 系统软硬件平台和开发环境 下位机是离心机群频率监测控制系统中的核心设备，所有的频率信号都接八 下位机，同时所有的报警信号都由下位机输出，如图2l l 所示。下位机包括机柜 中备个端子板、整形板咀及各个报警单元，装有一台工业用计算机，一块频率采 集卡，以及一块液晶显示屏。 削2 1 1 频率机柜样机 实验室丌发时所使用的硬件设备如图2 1 2 所示 翻21 2 实验室使用的主要开发设备 其中包含工业用计算机p x i s - 2 5 0 6 ( 图21 3 ) ，它可以在极端环境f 正常工作， 并且具有很高的稳定性，其自身带有p c i 插槽可以插入p c i 频率采集卡，本文所 使用的频率采集卡( 图2 1 4 ) 就是安装在p x i s 2 5 0 6 上。此工业计算机就如同一台 个人电脑一样，可以安装操作系统，外接显示器，后续的软件系统开发都是在此 计算机e 进行，目前在p x i s - 2 5 0 6 上安装的是f e d o e r a5 操作系统。为了模拟频率 信号还需要频率源，如图21 5 所示，是本文所使用的两种频率发生装置。频率信 号从发生装置出来以后经由端子板，如图2 1 6 所示，处理后接入p c i 频率采集卡。 大规模离心机群频率监控系统 | q 殴计及实验 酗21 3p x i s 2 5 0 6j 二业计算目 2 72 软件平台和丌发环境 272 l 软件平台的介绍 幽2 15 低频信号发生器 图2 1 6 端子板 本系统是基于l | n 1 1 ) 【的g u i 频率监控软件，上下位机都是在f e d o r a 系统下开 发，其内核版本为26 。采用l i 肌x 操作系统开发此类软件是根据用户的要求和综 台分析了软件所要解决的阅题而最终确定的。 f c d 0 t a 是一个开放的、创新的、前瞻性的操作系统和平台，基于l i u x ，它 允许任何人自由地使用、修改和重发布。可运行的体系结构包括x 8 6 ( 即i 3 8 6 ) ， x 8 t6 4 和p o w e r p c 。f e d o mc o r c ( 有时又称为f e d o r al i n “) 是众多l i n u x 发行套 件之一。它是一套从r e dh a tl i n u x 发腱出来的免费l i n u x 系统”。1 。 l j i n 操作系统具有开放性、多用户、多任务、良好的用户界面、设备独立 性、强大的网络功能、可靠的安全性和良好的系统移植性，被越来越多的人们所 掣一 第二章离心机监测控制系统的原理 1 9 接受，尤其在嵌入式产品中，其应用更是广泛。本系统由于其自身对安全性、稳 定性、内核的操作和控制的透明性以及对今后发展嵌入式版本的要求采用l i 删x 系统作为本软件的开发和运行平台【3 7 硼。 2 7 2 2 软件开发环境的介绍 1 ) q t 是一个软件工具包，是一个多平台的c + + 用户界面程序框架，它提供给 应用程序开发者创建用户图形界面的功能，并且q t 是完全面向对象的并且很容易 被扩展【3 】。使用q t 进行开发，可以充分利用其高度面向对象和模块化的特征，从 繁琐的x 编程中解脱出来，专注于程序本身的内容，使l i i m x 下进行窗口程序设 计成为一件轻松愉快的事情【1 9 】。 q t 使程序员通过使用一个单一源程序来构建应用程序，该应用程序可以运行 在w i n d o w s9 5 到w i n d o w sx p 、m a co sx 、l i n u x 、s o l a r i s 、h p u x 和其他很多 使用x 1 1 的u 1 1 i x 版本。同时它还有一个用来进行嵌入式开发的版本q t e m b e d d e d ， 它和桌面应用程序版本具有相同的应用程序编程接口【3 】。q t 自由版是开放源码的 免费版本。 q t 开发库：q t 包括一组丰富的提供图形界面功能支持的窗口部件( w i n d o w s 术语叫控件) 。q t 采用了一种全新并且可选的被称为“信号与槽 的对象间通信 机制，以代替老的、不安全的回调技术。q t 也提供传统的事件模型用以处理诸如 鼠标点击、击键等动作。q t 的跨平台g u i 程序能使用现代程序所要求的各种用 户界面，比如菜单、背景菜单、拖拽与放下工具栏等【2 】。 信号和槽：信号与槽提供了对象问通信的机制。这种机制是q t 的核心机制， 也是它区别于其他g u i 工具的最主要特征。在大多数g u i 工具中，通常为可能 触发的每种行为定义一个回调函数，这个回调函数是一个指向函数的指针。在q t 中，信号槽机制取代了这种繁杂的函数指针，能够实现同样的功能。信号槽机 制可以携带任意类型、任意数量的参数，而且完全是安全的，不会引起系统的崩 澍3 1 。 所有由q o b j e c t 类继承而来的类，或者是它的一个子类，都可以包括信号 槽机制。信号通常是当对象改变他们的状态时发出的，这就是一个对象在需要与 其他对象通信时所需要做的一切，它并不知道是否有其他对象在另一端接收该信 号。从这个意义上来说，这种机制实现了真正的信息封装，确保了对象可以被当 作一个独立的软件构件来使用。而槽可以被用于接收信号，它们通常是类中的成 员函数。一个槽并不知晓是否有一个信号与自己相联系，同样包含有槽函数的对 象也对通信机制一无所知，它们也可以作为一个独立的软件构件。用户可以按照 需要将许多信号与一个单独的槽函数相联系，一个信号也可以按需要被联系到很 2 0 大规模离心机群频率监控系统的设计及实验 多不同的槽函数。甚至还可以将一个信号直接与另一个信号相联系，这样当第一 个信号被发出时立刻发出第二个信号【3 】。 2 ) k d e v e l o p 是在l i i n l ) 【下的一种集成开发环境，可以通过k d e v e l o pi d e 这个 集成开发环境开发q t 应用程序。本文的工作就是在l i l l u ) 【系统下采用k d e v e l o p i d e 加载q t 库开发的。 可以把l e v e l o p 看成x 系统中的一个快速开发工具，它集成了如m a k e 和 ( n u c + + c o m p i l e r s 等编译器，这些工具都成为集成开发环境中的一个可视化部 件【6 】。所有开发c + + 程序所需要的开发工具：编译器、连接器、a u t o m a k e 和a u t o c o n f 应用程序向导都被集成在其中。有人把k d e v e l o p 比喻成l i n u x 下的s u a l lc + + ， 在实际使用过程中的确也验证了这样的说法。同时k d e v e l o p 是一个自由软件， 并且可以查看并修改其源代码【1 9 1 。 3 ) m y s q l 是一个小型关系型数据库管理系统，开发者为瑞典m y s q la b 公 司。目前m y s q l 被广泛地应用在i n t e m e t 上的中小型网站中。由于其体积小、 速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，许多中小型网站选择了 m y s q l 作为网站数据库【3 1 】。 m y s q l 的特性【3 0 弓1 】： 使用c 和c + + 编写，并使用了多种编译器进行测试，保证源代码的可移植 性； 支持a i x 、f r e e b s d 、h p u x 、l i n u x 、m a co s 、n o v e i ln e t 眦啪、c p e r m s d 、 o s 2w r a p 、s o l 撕s 、w i n d o w s 等多种操作系统； 为多种编程语言提供了a p i 。这些编程语言包括c 、c + + 、e i 虢l 、j a v a 、 p e r i 、p h p 、p 灿o n 、r u b y 和t c l 等； 支持多线程，充分利用c p u 资源； 优化的s q l 查询算法，有效地提高查询速度； 既能够作为一个单独的应用程序应用在客户端服务器网络环境中，也能够 作为一个库而嵌入到其他的软件中提供多语言支持，常见的编码如中文的g b 2 3 1 2 、b i g 5 ，日文的s l l i i s 等都可以用作数据表名和数据列名； 提供t c p m 、o d b c 和j d b c 等多种数据库连接途径； 提供用于管理、检查、优化数据库操作的管理工具； 可以处理拥有上千万条记录的大型数据库； 第三章下位机软件的设计和开发 2 l 第三章下位机软件的设计和开发 3 1 引言 本章根据功能要求，在上一章软件架构示意图的基础上，在f e d o r a 操作系统 中，使用q t 工具包，嵌入m y s q l 数据库，设计并且实现了多线程的具有s o c k e t 通信功能的离心机频率监控软件。实现了p c i 测频卡及其相关测频功能的开发、 g u i 主显示界面以及各个子显示界面的开发、模块之间消息传递方法的开发，数 据库相关开发和s o c k e t 通信的设计。 3 2 下位机频率柜总体框架设计 下位机软件系统基于f e d o r a5 操作系统开发，需要实现基于1 7 5 1 频率采集 卡的开发，包括板卡的装载和频率测量以及相关机柜状态的读写。在用户控制界 面上需要实现下位机对上位机发送控制命令的响应，通过主界面和各个子界面的 运行实现自动和手动控制所需要的所有功能，同时对下位机的操作需要记录在数 据库中供以后查看。 下位机频率监控软件的开发主要需要解决以下几个问题： 1 ) 基于1 7 5 1 频率采集卡开发的研究和实现。由于系统的核心功能就是测量 频率，因而如何能让频率采集卡正常工作和有效工作就显得尤为重要。 2 ) 下位机程序框架的建立。因为下位机是一个要求比较复杂的系统，因而对 下位机采取合适的开发模式就显得尤为必要。在本文的研究过程中，采取 增量式的开发模式对下位机系统实施开发和试验。即先实现基本核心功 能，再添加其他配套辅助功能。因而搭建的程序框架由主显示界面和频率 测量两个部分组成，其他各个功能模块，在此基础上进行添加。 3 ) 在主框架的基础上，添加和完善各个功能界面的模块。 4 ) 对上下位机通信功能模块的实现。q t 下使用s o c k e t 实现上下位机间的通