（计算机应用技术专业论文）计算机和智能设备通信与远程数据传输研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 本硕士论文致力于研制一套基于r s 2 3 2 和m o d b u s p l u s 网络的天然气计 量管理与远程监测系统。该系统定位于矿区与配气站的应用，实现对各配气 站的数据采集、计量、管理及和管理中心的远程通信。所实现的系统具有实 时性好、兼容性好、可扩展性强、测量精度高、安全性高及友好的人机界面 等优点。 论文首先在需求分析的基础上进行了总体设计及现场子系统的物理结构 设计，给出了系统的软件设计要求。分析了现场网络的形式，软件的设计与 实现等。物理结构设计主要介绍了串口通信的体系结构和远程通信的体系结 构。软件设计首先介绍了基于a p i 的串口通信设计和w i n d o w s 多线程编程原 理，并介绍了串口通信模块的设计；其次讨论了s q l s e r v e r 数据库的特点 和数据库模块的设计；再次对远程通信的模式进行了探讨，介绍了r a s 拨号 模块和s o c k e t 通信的设计：最后基于网络安全性的考虑，我们对数据加密 技术进行了探讨，并针对本系统开发了套加密模块。在本文结束时，我们 还对工业控制领域的未来发展进行了展望。 关键词：流量计量：远程监控；串口通信；数宇加密；s q l s e r v e r 数据库 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s t r a c t n l em a s t e rt h e s i si sa i m i n ga td e v e l o pam e a s u r e m e n t 、m a n a g e m e n t a n d r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fn a t u r eg a sd i s t r i b u t i n gs y s t e mb a s e d o rr s 2 3 2a n d m o d b u sp l u sn e t w o r k t h es y s t e m ，w h i c hi sa i m e da tt h ea p p l i c a t i o no nt h es u p e r a n ds u bs t a t i o n so fn a t u r eg a s ，b a s i c a l l yr e a l i z et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sf o re a c h n a t u r eg a ss t a t i o n s ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n 、m e a s u r e m e n t 、m a n a g e m e n ta n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc e n t e rs t a t i o na n ds u bs t a t i o n s t h es y s t e mw h i c hh a s b e e nr e a l i z e dh a sm a n yr e m a r k a b l ef e a t u r e s ：r e a lt i m er e s p o n s e 、h i g h c o m p a t i b i l i t y 、h i g he x p a n d a b i l i t y 、h i g hp r e c i s i o n 、s t r o n gr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y a n df r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c ee t c b a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，t h et h e s i sh a sf i r s t l yd e s i g n e dt h ep h y s i c a l s t r u c t u r eo fw h o l es y s t e ma n df i e l ds u b s y s t e m ，i t a n a l y z e dt h em o d e o ff i e l d n e t w o r ka n dd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs o f t w a r e a b o u tt h ed e s i g no f p h y s i c a l s t r u c t u r ew e m a i n l yi n t r o d u c e dt h es y s t e ms t r u c t u r eo fs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n a n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n a b o u tt h es o f t w a r ed e s i g n ，f i r s t l yt h et h e s i s i n t r o d u c et h em o d u l ed e s i g no fs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nb a s e do na _ p ia n d t h e o r yo fw i n d o w s m u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n g ；s e c o n d l yw et a l ka b o u tt h e r e m a r k a b l ea d v a n t a g e so fs q ls e r v e rd a t a b a s ea n dd e t a i l e d d e s i g no f d a t a b a s em o d u l e ；t h i r d l yt h et h e s i sh a sr e s e a r c h e dt h em o d e so f r e m o t e c o m m u n i c a t i o n ，i n t r o d u c ei nd e t a i lt h ed e s i g no fm o d u l eo fr a sa n ds o c k e t c o m m u n i c a t i o n a tl a s tb e c a u s eo fm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e s e c u r i t yo f n e t w o r ka n dd a t at r a n s f e r , w eh a v ed i s c u s s e dt h e d a t a e n c r y p t i o ns t a n d a r d ，a n d d e v e l o p e do u ro w n d a t a e n c r y p t i o ns y s t e mf o rt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m mt h ee n do ft h et h e s i s w eh a v ea l s op u tf o r w a r dt h ef u t u r e p r o s p e c to fi n d u s t r y p r o c e s s c o n t r o lf i e l d k e y w o r d s ：f l o wm e a s u r e ；r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o l ；s e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o n d a t a e n c r y p t i o n ：s o l s e r v e rd a t a b a s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 在现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最快的 两个分支，计算机测控技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的 重要支柱。工业自动化的广泛应用能够提高工厂设备的技术水平、节约能源、 降低消耗、促进企业的综合信息管理；提高产品质量、发展品种、提高劳动 生产率以及产品的国际竞争能力；控制环境污染、改善劳动条件、保证生产 安全可靠。因此，工业自动化成为适应国内外市场竞争的重要手段，是促进 企业现代化大生产的有力工具。 目前应用最广的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o m m l a n d d a t a a c q u i s i t i o n 管理 控制以及数据采集) 系统主要包含了两种体系结构：d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m 集散控制系统) 和f c s ( f i e t d b u s c o n t r o ls y s t e m 现场总线控制系统) 。 这两种体系结构由于其不同的特点而应用于不同的场合。下面我们将对他们 分别展开讨论。 1 1d c s 简介 集散控制系统( d c s ) k 名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对 生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由 计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、c r t 技术、图 形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。 d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克 服了二者的缺陷而集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵活、控 制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范 化、调试方便、运行安全可靠的特点，适用于天然气、化工、冶金、轻工、 造纸等各种生产过程，能提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量， 降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产的安全，促进工业 技术发展，创造最佳的经济效益和社会效益。 当今工业自动化给工业生产带来了巨大变革，提高产品质量、发展产品 品种、提高劳动生产率、节能降耗、控制环境污染、改善劳动条件、保证生 产安全可靠等一系列问题都提到议事日程上来，并且依赖计算机控制技术来 实现。计算机控制技术也由于工业生产的迫切需要取得了突飞猛进的发展， 其发展过程经历了直接数字控制、集中计算机控制、分层控制系统三个阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 随着计算机技术、控制技术、通信技术、c r t 技术等的发展以及工业生 产对计算机控制水平要求的提高，管理的集中性与控制的分散性这一实际需 要推动了集散计算机控制系统的发展。d c s 的结构是一个分布式、分支树状 结构。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既 相互独立又相互联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能看，纵向分 散意味着不同级的不同功能，如实时控制、实时监视、生产过程管理等，横 向分则意味着同级设备具有类似功能。 1 1 1d c s 的优越性 d c s 是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理 级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制 相对分散、配置灵活、组态方便、具有高可靠性的实用系统。优越性可归纳 如下： 自主性：系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自 主地完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件可随时组态加载，是一 个能独立运行的高可靠性子系统。 协调性：实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之 间从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。 在线性与实时性：通过人机接口和i o 接口，对过程对象的数据进行实 时采集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线 修改、局部故障的在线维修。 高可靠性：高可靠性是d c s 的生命力所在，从结构上采用容错设计，使 得在任个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或 管理失效，局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路 都采用双重化配置。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程 序卷回或指令复执的容错设计。 适应性、灵活性和可扩充性：硬件和软件采用开放式，标准化设计，系 统积木式结构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、 生产流程时只需改变系统配黄和控制方案，相应使用组态软件填一些表格即 可实现。 友好性：d c s 软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人 员，采用实用而简捷的人机会话系统，c r t 高分辨率交互图形显示，复合窗 亘壹銮塑奎堂堡主塑塞竺堂垡迨塞 蔓i 垂一一 口技术，画面丰富，纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控 制、计量报表、操作指导画面、菜单功能等均具有实时性。平面密封式薄膜 操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等操作器更便于操作。 提供的组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态， 用户的方案及显示方式由它来解释生成d c s 内部可理解的目标数据。使用组 态软件可以生成相应的实用系统，便于灵活更改与扩充。 1 1 2d c s 现状与发展 1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司推出的t d c 2 0 0 0 集散控制系统是一个具有许多 微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将 它们通过数据高速公路与基于c r t 的操作站相连接，互相协调，起实施实 时工业过程的控制和监测，实现了控制系统的功能分散，负荷分散从而危险 性也分散。在此期间世界各国相继推出了自己的第一代d c s 。 第二代产品在原来产品的基础上，进一步提高了可靠性，新开发的多功 能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更完善了d c s 。其基本结构由六 部分组成，即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网 络连接器和系统管理站等。第二代产品的特点是采用模块化、标准化设计， 数据通信向标准化迁移，板级模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和 可扩充性。控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和 批量控制功能。 第三代产品开发了高一层次的信息管理系统。其共同特点是：实现了开 放式的系统通信，向上能与m a p 和e t h e m c t 接i ：3 ，或者通过网间连接器与其 它网络联系，构成复合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车 间的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。过程 控制组态采用c a d 方法，使其更直观方便，实现自整定功能。 当今d c s 向综合化、开放化发展。9 0 年代工厂自动化要求各种设备f 计 算机、d c s 、单回路调节器、p l c 等) 之间的通信能力加强，以便构成大系统。 开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换，实现计 算机集成生产系统。同时在大型d c s 迸一步完善和提高的同时，发展小型集 散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能技术， 以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、可编程调节器、智 能p i d 自整定控制、智能人机接口，以至于智能d c s 。总的发展趋势可体现 西重窒逼奎兰塑主堡塞竺兰垡迨塞 蔓! 夏 _ _ 一一一一 在如下几个方面：各制造厂商都在“开放性”上下功夫，力求使自己的d c s 与 其他厂商的产品很容易地联网；大力发展和完善d c s 的通信功能，并将生产 过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品；高度重视 系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术：在控制功能中，不断引进各 种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊 控制等：在系统规模和结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需 求。 1 2 现场总线和p r o f i b u s 协议 1 2 1 现场总线 现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过 程现场成为可能后，于1 9 8 4 年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于 智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信 总线。其主要特征： 1 ) 数字式通信方式取代设备级的模拟量( 如4 2 0 m a , o 5 v 等信号) 和 开关量信号； 2 ) 在车间级与设备级通信的数字化网络； 3 ) 现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命： 4 ) 现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底 层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场； 5 ) 在c i m s 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸， 是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自 动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用 现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放 化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。 作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线 是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字 化时代的来临，现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 必将成为工 业自动化的主流。现场总线控制系统有如下优点： 1 全数字化：将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求 的理想，但只有在f c s 出现以后这种理想才有可能高效、低成本地实现。在 亘重奎适查兰亟主堑塞竺兰焦迨塞 篁! 夏 一一 采用f c s 的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线 网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制 系统的可靠性。 2 全分布：在f c s 中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通 信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制 计算机，实现真正的分布式控制。 3 双向传输：传统的4 - 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。现 场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制 信息。 4 自诊断：现场总线仪表本身具有自渗断功能，而且这种诊断信息可以 送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做 不到的。 5 节省布线及控制室空间：传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到 中央控制室，在中央控制室装备个大配线架。而在f c s 系统中多台现场设 备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省 了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。 6 多功能仪表：数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪 表功能单的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器， 甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。 7 开放性：1 9 9 9 年底现场总线协议已被i e c 批准正式成为国际标准，从 而使现场总线成为一种开放的技术。 8 互操作性：现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可 以在个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在 起，避免了传统控制系统中必须选用同厂家的产品限制，促进了有效的 竞争，降低了控制系统的成本。 9 智能化与自治性：现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故 障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大 大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 现场总线控制系统通常由现场总线仪表、控制器、现场总线线路、监控 和组态计算机组成。这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、 通信协议软件连接f , t j n 2 。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线 亘塑奎追查兰堡圭堡窒生兰垡堡壅 筻! 里 控制系统的基础和神经中枢。对于目前的f c s 的各种总线协议，p r o f i b u s 协议以其开放性而得到了广泛的应用，下面我们就介绍这种协议。 1 2 2p r o f i b u s 协议 p r o f i b u s 是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标 准，代号d i n l 9 2 4 5 ，由十三家工业企业及五家研究所经过两年多的时间完 成。1 9 9 6 年经欧洲电工委员会批准被列为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。根据欧洲标准 化规则，e n 5 0 1 7 0 于当年自动地在法律上得到欧洲所有国家标准化机构的认 可。德国注销了原有的p r o f i b u s 国家标准d i n l 9 2 4 5 ，以e n 5 0 1 7 0 取而代 之。从现在起，欧洲所有公开的招标都是在e n 5 0 1 7 0 的基础上进行的。 e n 5 0 1 7 0 在保护投资方面为生产厂家和用户提供了一个最高的标准。 p r o f m u s 提供一个从传感器直至管理层的透明网络。正因为如此， p r o f i b u s 可以在许多方面从汽车工业、机器制造业、食品工业、运输 业直到环保工程等，获得应用。近年来，p r o f i b u s 在众多的现场总线中占 据首位，并以其约占4 0 的市场份额居欧洲之冠。 作为开放式通信系统工业标准，p r o f i b u s 现场总线公布了网络各层协 议的所有规范。按照这些规范设计设备网络接口，不同的设备可以实现网络 互联。这给控制设备的生产厂家、系统设计安装调试单位和用户带来了极大 的方便。用户可根据需要选择不同的设备，构成相应的系统，以减少设备的 冗余度，降低成本，也为以后系统的扩充提供了方便。 1 3 论文的内容和研究意义 1 3 1 论文的内容和安排 在系统的整个开发设计过程中，作者严格遵循系统需求分析、可行性报 告、总体设计、系统各模块的设计和实现、系统实施和调试等过程，分阶段 完成了系统的设计。在该系统的设计中，作者完成了大部分的设计与开发工 作，所做的研究与设计工作大致可分为以下几个阶段： 第一阶段，系统初步设计，主要的工作是：系统分析，系统总体结构的 设计，系统界面设计，并根据系统的具体要求确定各整体方案设计思路，查 阅相关技术资料，选用合适的操作系统、数据库系统和开发软件等。 第二阶段，系统的具体设计，实现各模块的基本功能，实现数据库编程。 第三阶段，通讯模块的实现，包括了串口通讯、s o c k e t 和r a s 通讯，并 研究数字加密技术。 堕直至塑盔望巫圭堑窒皇堂焦鲨塞 塑z 里一一 第四阶段，完成对系统的调试，包括调试软件的编制。 根据系统需求情况和目前监控系统存在的问题，本论文着重研究了以下 内容： 1 系统的总体结构设计，包括物理结构和软件结构。 2 用a p i 实现m o d b u s 协议通信研究。 3 实现s o l s e r v e r 编程。 4 用r a s 实现数据的远程传输。 5 对关键数字进行加密处理。 1 3 2 论文的研究意义 在现今的一些天然气管道监控站中，所使用的监控系统很多还处于单机 监控的状况，没有充分利用现有的网络资源和信息技术，造成所谓的信息孤 岛。这种状况不利于数据资源的共享，也制约了企业的进一步发展，如e r p 、 m i s 等系统的开发。所以针对这种情况，本文专门讨论了如何把监控和网络 数据库( s o ls e r 承) 有机的结合起来，利用s o ls e r v e r 强大的功能实 现企业资源的合理分配，并利用r a s 的技术，使信息共享的范围变得更大， 为实现全行业资源的优化配置提供了可能。另外，在如今信息技术高度发展 的今天，人们对于信息的安全也越来越重视，因此在这种背景下，本文讨论 了如何对重要数据资源进行加密，介绍了当今应用最广的d e s 算法并自行设 计一套较为容易实现的算法过程，为提高资源的安全性和保密性提供了解决 的途径。 1 4 本章小结 本章介绍了当前s c a d a 系统的技术背景，提出了目前天然气流量监控 系统中存在的一些问题，以及在新的技术形式下存在的一些技术要求，为系 统的分析设计提供了方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章天然气流量监控系统分析与设计 当今世界计算机技术已经深入到各行各业，i n t e m e t 网络的发展，电话的 普及以及宽带信息网的大力发展都给我们的生活、工作带来了日新月异的变 化。信息技术的发展使得s 已蛐a 系统功能变得日益强大，使得它在铁路电 气化、冶金、水泥、集成制造和电力系统等方面正发挥着越来越重大的作用。 s c a d a 系统通常由主机和一些远端控制单元( r t u ) 组成。r t u 完成 各种数据的采集、终端命令的实现、信号的上传等。主站则完成整个系统的 总控，包括数据的处理，遥控、遥信、遥测、遥调等。 2 1 系统需求分析 天然气是我国重要的能源和工业原料，它不仅关系到国民经济的持续、 稳定、健康发展，同时它也具有十分重要的战略意义。由于近年来我国对天 然气的需求越来越大，因此对天然气资源的合理分配就显得十分的重要，需 要我们对天然气资源的整体分配有个清晰的了解。要做到这点，首先最重 要的就是准确计量天然气的流量，其次还需要在全网系统中对天然气的流量 数据进行共享，实现整个地区的天然气资源合理分配，并且也使地区之间的 天然气资源调配成为可能。 目前市场上可用于天然气流量计量的流量计很多，已经使用或即将投用 的流量计大致有以下种类：差压式流量计、涡轮流量计、流体振动流量计、 容积式流量计、超声流量计、靶式流量计和科氏质量流量计等。其中对超声 波流量计的研究已有近3 0 年的历史，由于技术条件的限制，以前人们研究的 主要是超声波液体流量计。9 0 年代以来，随着科学技术特别是电子技术及传 感器技术的发展，超声波气体流量计才日益受到人们的重视，并开始逐步走 向实用化、广泛化。 超声波气体流量计采用声速差法，通过精确测量超声波沿气流顺向及逆 向传播的声速差，测量各种口径管道内稳态或脉动气流的双向流速、流量。 其相比其他流量计具有如下优点： 1 ) 可进行双向流量计量； 2 ) 测量速度快； 3 ) 对气体无流阻，管道内无压力损失； 4 ) 量程宽，适用范围广； 堕壹奎望盔兰塑主堑窒竺兰焦堡塞 蔓2 夏 _ _ _ _ _ _ - - _ _ 一一一一 5 1 测量结果不受气体声速随成分、压力、温度变化的影响； 6 1 对大管径及脉动气流也能进行正确测量，解决了目前大口径大流量气 体缺乏精确、便捷计量手段的难题。 由于本系统要求测量精度高，且管道流量变比大，因此我们采用了超声 波流量计。 其次，由于系统希望实现天然气资源的合理分配，因此对于计量数据的 全网共享也显得十分重要。以往我们采用的是把数据收入本地数据库后，再 通过拨号实现数据的远程传输，这种方式的主要缺点有：1 ) 传输速率较小； 2 ) 不能保证数据的安全性和保密性问题；3 ) 不易实现全网的数据共享。基 于以上的问题，我们在系统中采用了s q l s e r v e r 数据库，利用s o l s e r v e r 数据库强大的网络功能和安全性来弥补以往系统中所存在的一些问 题。 最后，由于天然气是一种重要的战略资源，我们对其数据( 流量、压力 及有关的计量参数) 的安全性要求较高。另外，本系统目前虽然只实现了对 数据的采集，但在今后实现整个系统的闭环控制时，其对控制信号的安全性 要求也很高。基于以上需求，本文就数据的加密问题展开了讨论，介绍了目 前应用最广的d e s 算法，并设计了一种加密算法。 2 2 系统设计 该系统应该是一个实时监测系统，是以实时数据库为核心的监测软件支 持系统，不仅实现了数据的采集，还实现了数据在天然气系统内的共享。另 外本系统还应该实现以下功能：实时监测、数据储存、历史数据查询、报表 打印、报警、参数设置、数据上传和数据加密等。 2 2 1 系统结构设计 目前在工业过程控制领域，运用最广的系统结构是d c s 和现场总线，这 两个系统结构我们在前面已经介绍过了。他们各有各的特点，但考虑到本系 统的控制节点不多，分布不是很广，并且要求数据的集中显示等实际情况， 我们在本系统中采用d c s 结构，和智能设备的通信采用标准m o d b u s 协议， 系统的结构如图2 一l 。 西南交道盔堂塑婴窒生兰焦迨塞 塑! ! 夏 一 图2 一l 系统结构拓扑图 整个地区的天然气资源的调配由局监控中心来实现，局监控中心又通过 天然气系统内的光纤专网来与各下级子站相连，如成都、重庆、泸州和自贡 等。各下级子站监管各地区的天然气调配，所以他需要了解本地区内各配气 站的运行情况。本系统的主要目的就是把各配气站的运行数据采集上来并传 输给地区的监控中心，数据存入监控中心的s q ls e r v e r 数据库中。由于天 然气系统内的各监控中心均采用s q ls e r v e r 数据库，因此他们之间可以通 过设置不同的权限来相互进行访问。下面我们将就系统的各个部分逐一进行 介绍。 图2 2 是某配气站简易工艺流程图，进气管路有两条，8 条输出管路， 均设有一阀门。每根进气管道对应4 根出气管道，中间汇管的作用是进行天 然气的分流。进气管道上安装了在线分析仪的传感器，用于检测天然气的成 分数据，并把数据上传给在线分析仪，数据经分析仪处理后，通过r 8 2 3 2 被 采集到工控机上，其上传的数据包括了c 0 2 和n 2 的含量以及天然气比重。 同样，1 号管路、2 号管路、5 号管路、6 号管路上安装超声波传感器，采集 天然气的状态参数，并把他们上传给流量计，流量计处理数据后，最终把温 度、压力、瞬时流量和总计流量等数据上传到工控机。而3 号、4 号、7 号和 8 号管路上安装了孔板流量计，收集天然气的温度、压力、差压等值，再联 合在线分析仪的数据，计算出天然气的流量值。 堕壹窒塑盔兰塑丛窒竺堂焦迨窒 塑! ! 夏 图2 2 工艺流程图 图2 3 是系统的现场结构拓扑图，表示的是系统的物理结构，图中的计 算机是现场控制计算机，其主板上安装了一个r s 2 3 2 多用户卡，上有8 个 r s 2 3 2 串口，分别连接4 台超声波流量计和2 台在线分析仪( 均为二次仪表) ， 分别采集各个天然气管道的温度、压力、流量和成分构成等数据，通信协议 采用m o d b u s 标准。工控机、流量计和分析仪的二次仪表均位于中央控制 室中，流量计和分析仪的二次仪表再分别与现场的传感器相连。 图中虚线方框内的是孔板流量计的示意图，中间有一r s 2 3 2 到r s 4 8 5 的转换模块a d a m 4 5 2 0 ，它通过r s 4 8 5 与数据采集模块a d a m 4 0 1 7 相连。 数据采集模块分别采集天然气管道的温度，压力，差压等值，并且还需要通 过收集在线分析仪的数据来共同计算出管道中天然气的流量值，关于计算流 量这部分工作请详见参考文献【6 】。 西壹窒道查兰亟塑塞篁兰垡焦室 塑! ! 夏 一 图 2 - 3 系统现场结构拓扑图 本系统对于远程通信提供了两种通讯模式，我们可以根据实际情况来进 行选择。种是通过以太网的方式( 协议t c p i p ) 来实现远程通信，客户机和 服务器均通过网卡连接到交换机，再通过交换机连接到光纤专网上，这种方 式的优点是只要有网络的地方均可立即实现通信；其次它的传输速度快，它 的缺点是数据的保密性差。另一种方式是通过r a s 的方式来建立到远端服务 器的连接，这种方式运用的场合主要是一些偏远地区和没有互联条件的地区， 因此需要通过p s t n p s d n 来实现通信，其实现方法要复杂一些，数据传输 率也不高。系统远程通信的体系结构如图2 4 所示。 西南交道查堂堕丛窒生堂焦迨窒 整! ! 亟 一 一 图2 4 系统通信示意图 2 2 2 系统软件设计 软件技术主要是系统集成技术，是整个自动化技术中的关键，是控制软 件、优化软件和软测量技术的集成，是新一代主控系统、智能仪表的集成， 是检测、控制、优化、调度、管理、决策、经营等功能的集成，是实现工厂 综合自动化系统的基础技术。 根据客户提出的总体需求，软、硬件技术的发展以及系统的实际情况， 本系统应该具有以下的一些功能： 1 )实时的数据采集我们采用主一从的通信方式，主机每隔6 0 s 轮 循访问r t u ，r t u 包括4 台超声波流量计和2 台在线分析仪，并 对通信数据进行c r c 检验； 2 )运行数据的在线监测运行数据采集上来后，操作人员能够进行 监测，我们把主窗口设置为监测窗口，数据每隔6 0 s 采集次， 显示的数据包括了超声波流量计中的温度、压力、瞬时流量和总 计流量，孔板流量计中的压力、温度、差压和瞬时流量，以及分 析仪中的c 0 2 、n 2 和气体的比重等： 3 )运行数据的保存运行数据需要及时保存，方便以后的查询，我 们利用s q ls e r v e r 数据库来保存数据，充分利用s q ls e r v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 强大的安全性，数据处理和网络通信等功能来优化系统，保存的 数据包括了流量计中的温度、压力、瞬时流量和总计流量，以及 分析仪中的c 0 2 、n 2 和气体的比重等，每台仪器单独创建一个表： 舢历史数据查询对于历史数据，我们不仅需要能够在数据库中进 行查询，还需要能让操作人员在程序中方便的套询； 5 1打印报表系统能够实现打印报表的功能，统计每天和每月的数 据，包括了温度的平均值、最大值和最小值，压力的平均值、最 大值和最小值，瞬时流量的平均值、最大值和最小值，以及特定 时间段内管道中通过的流量； 6 )参数设置操作人员能够进行报警上下限设置，数据采集周期设 置； 7 ) 报警 当采集数据超过报警限时能够立即产生报警显示，并储存 报警数据，包括报警时间、日期、设备和报警说明； 8 )数据上传工控机能够把数据库中的数据上传到远程服务器中， 根据不同的场合，我们采用不同的传输方式，一是通过光纤专网， 一是利用r a s 的方式上传数据； 9 )数据加密由于目前对网络安全非常的重视，因此我们需要实现 对数据的加密，这不仅保证了我们现有的采集数据的安全性问题， 同时也为今后实现闭环控制提出了一种安全策略。 系统软件的主界面如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 5 程序主界面 2 3 本章小结 本章从客户的需求、技术的发展和系统的实际情况入手，分析讨论了系 统的体系结构和软硬件构成，给出了实现系统的方案，为以后进行系统的软 件设计和硬件集成提供了基础，同时给出了软件的一些功能要求。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 第三章计算机与智麓设备的通讯实现 对于目煎的数据浆集系统一般运用的是p l c 或单片机，对于本系统， 我们的r t u 佼用单片枕来与上位机通信。在系统中，我们的r t u 主蘩是6 台智能仪表，_ 而且他们的二次仪表均位于中央控制室，因此采用基于d c s 的审霸通讯是鼹有藉的。我钓在这里采用标漆的计算梳串目r s 2 3 2 ，遥讯协 议采用m o d b u s 标准协议，另外对予编程的环境，我们采用目前运用最广 懿c + + b u i l d e r 。下嚣我 f j 褥霹它能逶行麓要静分绍。 3 1 程序设计语言简介 本系统软髂豹开发主要矮黥是b o r l a n d 公霹豹c + + b u i l d e r 浯言。 c + + b u i l d e r 是b o r l a n d 公司继d e l p h i 之后开发的面向c c + + 用户的程序开发 工具，其实用性结合了v b 和v c 豹优点，既露v b 开发工具鳇友姆秘开发 快捷 生，同时又是基于目前应用最广的c + + 技术。我们既可以在其中崴接应 用c 谬言的动态连接瘁，也可以直接调用a p i 蘧数进行编程。通过作黉对 v b 、v c 和c + + b u i l d e r 的使用，感觉c + + b u i l d e r 对于熟悉c + + 的编稷人员 来说十分好用。 c + + b u i l d e r 中的可褫亿缀伟库( v c l ) 是基于属佼、方法、潦侔的( p m e ) 模型。p m e 模型定义了数据成员( 属性) 、操作数据的函数( 方法) 、用户使 羯类鹣途径( 攀 宰) 。v c l 是对象麓分藤结梅，它是瑟o b j e c tp a s c a l 掰葛懿， 但它可以完全征常地工作于c + + b u i l d e r 的i d e 当中，依靠它可以实现快速应 雳翟黪开发e 镬蠲c + + b u i t d e r 懿对象鼹察器蠢缝俘覆援，像可敬在塞髂孛经 意放置v c l 组件，并指定它们的属性1 搿无需编写任何代码。图3 一l 熙可视 缀件瘁麴分层缨捣麓强，图中鼹示出了瓣状分簇结构熬五个主溪魏分支。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页一 _ _ _ _ _ _ _ * m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ w _ _ h _ _ _ _ _ _ 一一一一一 强3 一lc + + b u i l d e r 可视化组件分鼹结构图 3 2 艘i 函数简介与w i n d o w s 多线耩编程 b o r l a n d 公司在c + + b u i l d e r 的开发环境中没有掇供专门用于串豳通讯的 控箨( 这一点d e l p h i 、v b 移v c 帮徽静较好) ，虽然叠裁在两上有诲多程序 员撼供了这方面的控件，但它们都存在可移植性差、不易理解和不易通过调 试等缺点，爨筵本系统设诗采耀w i n d o w s 鑫豢豹a p i 添数来炎瑗宰嗣煞逶援。 a p i 函数的优点之一就是它非常的底层，功能强大麒封装性好，但同时这也 是它的缺点，由于其灵活性秘低屡蠼两导致疑数不荔理解穗运用嚣麓。勇终 在串口的读冀操作中，系统等待得时间较长，为了青约c p u 的时间，提高稔 序的运幸亍效举，我们把读写撵作放到后台运行，这黎要运用列线程。因此在 下面的小节中，我们将对a p i 和多线程进行简要介绍。 3 2 1a p i 黼数简介 w i n d o w sa p i 蓬斑操作系统所掇供的函数，这塑函数可以为程净设计入 员提供相当多的执行功能，就连操作系统本身也是由这些a p i 函数所组成； 不管缓震熬怒耀一耱快速开发工具，滠詹熬一个除蔽还是会谲孺登a p i ，嚣 由a r i 执行操作。由于c + + b u i l d e r 已经将、m n 3 2 a p i 均声明进去了，因此 在魏+ b u i l d e r 墨委袋霪a p i 露只要鬟接弓l 趱鄂霹( 键登矮淼决文终审或者 文件的头部标明“稍n c l u d e “w i n d o w s h ”才可) 。使用a p i 函数时必须依a p i 函数故定义使用，才缝褥到溅确的结果，笼獒参数翳定义更爨重要，一般戆 a p i 使用的定义均是c 语言的定义方式，当使用时要特别注意是否定义相符， 否则执行结果将会出错。 3 2 2w i n d o w s 多线程编糍 w i n d o w s 系统平螽经历了从1 6 憾到3 2 饿的转交履，系统运行方戏和任 务警凝方式肖了缀大躺变纯，在w i n d o w s9 5 翻w i n d o w sn t 中，每个w i n 3 2 程序在独立的进程空间上运行，3 2 位地址空间使我们从1 6 位段式结构的6 4 k 段陵麓孛摆脱掇来，逻辑上这到了4 g 静线缝逡琏空阐。这样，我们猩设计 程序时就不再需要考虑编译的段模式，同时还提高了大程序的运行效率。独 立述程空阑翡另一个受大匏俊越燕是大大提怒了系统鹃稳定梭，一个瘫蘑程 序的弊常错误不会影响其它的应用程序，这对于现在的桌面环境尤为煎要。 凌w i n d o w s 鲍一个进程趱，包含一个或多拿线程。线程怒摇速程熬一条 西南交通大学硕士研突生学位论文第1 8 页 执行路径，它包含独立的堆栈和c p u 寄存器状态，每个线程共享所有的进程 资源，包括打开的文件、信号标识及动态分配的内存等等。一个进程内的所 有线程使用同一个3 2 位地址空恻，而这些线程的执行由系统调度程序控制， 调度程序决定哪个线程可执行以及什么时候执行线程。线程有优先级别，优 先权较低的线程必须等到优先权较高的线程执行完任务后再执行。在多处理 器的机器上，调度程序可将多个线程放到不同的处理器上去运行，这样就可 使处理器的任务平衡，也提高了系统的运行效率。 使用多线程的理由之一是和进程相比，它是一种非常”节俭”的多任务操 作方式。我们知道，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立 众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种”昂贵”的多任 务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地 址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进 程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换 所需要的时间。据统计，总的说来，一个进程的开销大约是一个线程开销的 3 0 倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据可能会有较大的区别。 使用多线程的理由之二是线程间方便的通信机制。对不同进程来说，它 们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种 方式不仅费时，而且很不方便。线程则