（电力电子与电力传动专业论文）基于moxa+nport的油液监测仪器数据采集系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o i lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi so n eo fm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i st e c h n o l o g yu s e d w i d e l yi ni n d u s t r y o i lm o n i t o r i n gt a k e s o nt h ev a r i e ds t a t ef r o mt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n dt e c h n o l o g yf l o w , t h ec o n f i g u r a t i o no fd i f f e r e n tt e s t i n gi n s t r u m e n t s a r em o r ed e l i c a t ea c c o r d i n gt om o n i t o r i n gf u n c t i o n a l t h o u g he a c hi n s t r u m e n th a s h i g h - d e g r e ea u t o m a t i z a t i o n , e a c hi n s t r u m e n t i si s o l a t e di n p h y s i c sf r o mo t h e r i n s t r u m e n t s i fo n ep e r s o nw a n t st oa n a l y s e ，d i a g n o s eo rb u i l dt h et e c h n o l o g yr e p o r t f o rt h ed a t aa c q u i r e db ya ni n s t r u m e n t ，t h ed a t an e e dt ob er e c o r d e da n dp r o c e s s e db y h i m s e l f t h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n s t r u m e n t si ss e p a r a t e di nt h el a b t h e r ei sn o e f f e c t i v em a n a g e m e n tt ot h ei n s t n l r n e n t s i tm a k e st e c h n i c i a n sv e r yi n c o n v e n i e n ti n d a t ap r o c e s s i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，i n s t r u m e n t sm a n a g e m e n ta n ds oo n n l eo i lm o n i t o r i n gc e n t e ro fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yi ss e l e c t e da st h e t 琵僦c h # a t f o r m t h i ss t u d a d o p t st h ea 西锄僦t e e h n o l o g i e ss u c h 觞c o m p u t e r n e t w o r k , d a t a b a s et oc o n d u c tt h et a s ko f d a t aa c q u i s i t i o no f a n t o m a t i co i lm o n i t o r i n g l a b ak i n do fn e t w o r k i n gm e t h o dh a sb e e np r o p o s e d , w h i c hi sb a s e do i lp r o t o c o l c o n v e r s i o nm o d u l eo f n p o r t 5 1 1 0o f m o x ac o m p a n y n e t w o r k i n gd a t aa c q u i s i t i o n m e t h o d so fd i f f e r e n ti n s t r u m e n t sh a v eb e e ns t u d i e da sw e l l ，m a n yo i lm o n i t o r i n g c o l l e c t i o na p p r o a c h e sa l es t u d i e db a s e do nn e t w o r k b e c a u s em o s tm o n i t o r i n g i n s t r u m e n t sh a v ed a t ao u t p u ti n t e r f a c ei nd i f f e r e n tm o n i t o r i n gl a b ，t h ed a t ac o l l e c t i o n , c o n v e r s i o na n dm m s f e rp r o g r a mc o r r e s p o n d i n gt oo u t p u td e v i c e sa n di n t e r f a c e si s d e v e l o p e dt ot r a n s f e rd a t af r o mo nm o n i t o r i n gd e v i c ei n t ot h er e m o t ed a t a b a s e a c c o r d i n g 、衍mt h et r a i to fd i f f e r e n tk i n do fm o n i t o r i n gd e v i c e sa n dd a t ao u t p u t i n t e r f a c e s p e o p l ec a nm a n u a l l yi n p u td a t ai nt h e d a t a b a s ea sw e l l n l eo i l m o n i t o r i n gd a t a b a s eb a s e do ns q ls e r v e ri se s t a b l i s h e d n 圮o i lm o n i t o r i n g d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nc l i e n t s e r v e r ( c s ) i sd e s i g n e dt om a n a g et h e o i lm o n i t o r i n gd a t a , d e v i c ea n do i ls a m p l es t a n d a r d s n l ed a t a b a s er e s e r v e sa f u n c t i o nt h a tb e c o m e sad a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o i la d v a n c e d b r o w s e s e r v e r ( b s ) 1 1 l en e t w o r ku s e rc a nb r o w s e m o d i f y , u p d a t ea n de d i tt h ed a t a l e s o u r c c 黜m a n a g es y s t e mh a su s e r sl i m i ta c c e s sf i m c t i o ni no r d e rt op r e v e m i i 武汉理工大学硕士学位论文 b s e rf r o mt r a n s c e n d i n gt h el i m i ta c c e s st om a n a g et h ed a t ar e s o u r c 宅i na c o n c l u s i o n , t h i ss t u d yh a se x p l o r e dan e ww a yt oa u t o m a t et h eo i l - m o n i t o r i n gl a b n o w a d a y s , a l lk i n do f i n s t r u m e n t s a r ；es e p a r a t e di nt h eo i lm o i f i t o r i n gl a b i ti sa d e v e l o p m e mb o t t l e n e c ko f o i lm o n i t o r i n gl a bt oc o n g r u o u s l ym a n a g et h ei n s t r u m e n t s a n dm o n i t o rt h ei n s t r u m e n t s s t a t ea n di n t a c t n e s so n l i n e a l o n gw i t ht h ew o r k l o a d e s c a l a t i n gi nt h el a b ，t h ed e m a n do fd a t ac o l l e c t i o nu s i n gn e t w o r ka m o n ga n a l y t i c e q u i p m e n t s i sm o r ea n dm o r e u r g e n t t h a t t h ei n s t r u m e n td a t ai ss a v e d c o n c e n t r a t i v e l ya n dc o l l e c t e da u t o m a t i c a l l yw i l lo f f e ra ne s s e n t i a lf o u n d a t i o nf o r e x p e r ts y s t e ma n df a u l td i a g n o s e t h i sw i l lb ea l li m p o r t a n td i r e c t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：o i lm o n i t o r i n g ；p r o t o c o lc o n v e r s i o n ；n e t w o r k i n g ；d a t ac o l l e c t i o n s q ls e r v e r i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究现状与趋势 第1 章绪论 机械设备在使用过程中，零部件会逐渐产生磨损、变形、断裂、蚀损现象， 由于零部件使用的材质和工作条件不同，在一定时间内它们的有形磨损程度也 不同。随着零部件磨损的加剧，设备的工况也将变坏。由于零部件的磨损而使 其失去了原有的功能，设备就会出现故障，使整机丧失使用价值。设备维修是 在设备技术状况变坏或发生故障前后为恢复设备功能和精度而采取的措施，也 就是更换或修复磨损、失效的零部件，并对设备整体或局部进行拆装和调整的 技术活动。设备维修作业一般分为三大类：预防性维修、事后维修和状态监测维 修。现时的维修作业多采用预防性维修和事后维修，预防性维修是对没有发生 故障的设备确定一个强制性的维修计划，使每台设备都有自己固定的维修保养 周期。所谓状态监测维修是一种以设备状态为基础的维修方式，又称预知维修 或视情维修。它是根据设备的日常点检查、定期检查、状态监测和诊断提供的 信息，经过统计分析处理来判断设备技术状态的好坏，并在故障发生前有计划 地进行维修。随着科学技术的发展，机械装备的故障诊断、运行状况己从以前 的事后维修转变为目前的视情维修。为此，需要对机械设备的运行状态开展监 测，目前使用的主要方法有油液分析、振动分析和无损分析掣1 - 3 。 对机械设备进行状态监测，无论是采用油液分析，还是振动分析、无损分 析等都需要借助于各种分析设备，而分析设备产生的数据信息不仅种类多，而 且数量大。油液监测技术是通过监测分析机械设备在用润滑油的性能变化和油 中磨损颗粒的情况 4 - 5 ，获得机械设备的润滑和磨损颗粒状态的信息，从而评价 机械设备的运行工况和对其故障进行预测并确定其故障原因、类型和部位的技 术 6 - 7 1 。在油液测试和分析的过程中，每种分析方法都会生成多种原始数据。润 滑油可视为机械设备的“血液”，在用润滑油是设备中摩擦学系统经历摩擦学行 为的重要信息载体，油液监测技术从评价在用润滑油的质量和分析所携带的磨 粒这两方面综合评价设备的运行状态。据统计，缩短设备寿命的主要因素是磨 损，在报废的机械零件中，因磨损而失效的占8 0 ，磨损还会引发其他的失效【蜊。 研究表明：润滑油中磨损微粒的数量极其惊人，1 l 油中可达几十万个甚至更多 的磨粒，其尺寸范围通常在亚微米到上百微米之间。更进一步的研究证实：在 磨粒的数量，尺寸与磨粒速率和磨损严重程度之间，磨粒形貌与磨损类型之间， 武汉理工大学硕士学位论文 磨粒成分与摩擦副损伤之间存在着一定的依存关系i l o 】，因此，采用有效的方法 对磨损颗粒( 即磨损产物) 进行检测和分析，对于判别设备的磨损状态和故障有 着重要的意义 1 1 - 1 2 l 。就光谱油料分析而言就可获得2 0 种左右的元素的浓度值， 铁谱分析视其方法和仪器的不同，可获得5 4 0 项分析数据。此外还有红外光谱 分析，油品清洁度测试、油品理化分析可获得2 3 3 8 项数据。因此，如果一个 油样需要完成光谱、铁谱( 直读、分析、旋转) 、红外、油品污染度、油品理化 等分析，所产生的数据可达8 3 9 8 项。而这些原始数据的分析过程中，又会派 生出一系列的中间结果数据或结论。此外，就数据种类而言，油液监测技术的 数据不仅有数值型、日期型、文字型，还有图像数据。在油液监测技术的分析 过程中，常常需要对各类数据进行计算分析、统计汇总、绘制趋势图及打印报 表，而这些重复性的事务工作占用了油液监测操作人员的大量时间。综上所述， 油液监测技术存在着数据种类繁多、事务处理工作量大和分析速度受制于数据 处理的特点“o j 。 目前，监测设备的数据采集均采用人工操作，并且分散保存在于设备相连 的计算机中，不利于维护和管理。例如，在实验室里完成了油液监测的实验后， 就得到一些油液监测数据，这些数据被用手工输入的方式输入到信息系统或专 家系统。这样就存在工作量大，数据维护和分析困难，不能实现实时监测、及 时得到结果的诸多不足，因此对油液监测实验室实行自动化改造势在必行。在 一些高校和科研究院所的油液监测实验室里，往往要对许多监测的参数进行实 时记录和监测，并对测量所获得的数据进行分析处理，从而获得一些有用的信 息与结果。传统的人工观测模式是通过完成油液监测实验，读取油液监测仪面 板上显示出来的数据，并通过监测人员手工记录面板表显示的数据，根据记录 所得的数据进行数据处理和作图分析1 1 7 1 。由此可见，当测量的数据量较大时， 就会存在工作量大，数据的维护和分析困难，不能实现实时监控等诸多的缺点 与不足i 瑚。 鉴于以往的监测设备数据采用人工分析、分散保存，开展分析数据的集中 保存与仪器分析数据的自动采集以及仪器的状态监测，可大大降低操作人员的 工作量，减少人为错误，有利于数据管理和维护，能够对机械设备进行实时监 控。目前国内某些高校和科研院所也开展了这方面的研究。武汉理工大学可靠 性工程研究所以该所的油液监测实验室为工作平台，利用当前先进的计算机技 术、网络技术、数据库技术和动态网页技术，探讨了基于网络化的油液监测实 验室的自动化改造方案【1 9 】。该改造方案也有一定的不足，首先仪器所在的位置 2 武汉理工大学硕士学位论文 对组网方案有一定的限制，该方案中一台仪器连接一台计算机，增加了硬件的 成本。其次，该方案只仅仅对数据进行采集，而不能生成相应的报表。 目前，信息系统和专家系统 2 0 - 2 a 都是与监测系统的分析仪器是相分离的， 操作人员要先将仪器的分析数据输入，然后才能通过信息系统或专家系统软件 对设备进行故障诊断。在基于油液监测的辅助诊断系统开发方面，武汉理工大 学开发了可以处理铁谱、光谱、油品理化指标等数据的油液监测信息系统【2 5 】。 在中国设备管理协会主持下，宝山钢铁集团公司、武汉理工大学、西安交通大 学及北京铁路局科研所积极合作，开发了油液分析诊断软件包，这一软件包涉 及油液诊断模式子库、实用程序子库和诊断知识信息子库。它可以管理文字、 数值等多种类型的数据，是迄今为止国内外管理较齐全的油液监测诊断的辅助 系统。在基于油液监测的故障诊断专家系统的研制方面，目前国内外使用最广 泛、最有效的机械设备状态监测油液分析综合监测的专家系统a t l a s 3 c 软件， 是由美国s p e e t r oi n c o r p o r a t e d 公司提供的，可用于机械设备运转状态的全 功能综合监测、磨损趋势自动分析。上述各种诊断系统都需要操作人员先将仪 器的分析数据输入系统中。 近年来设备监测诊断的模式经历了从人工离线监测诊断方式，到单机监测 诊断系统再到分布式监测诊断系统，进而到基于网络的远程监测诊断系统这一 发展过程。基于i n t e r n e t 的机械设备远程在线监测与故障诊断技术倍受学术界 和工业界的重视，并逐步成为开发监测与故障诊断系统的必然趋势。基于网络 的远程油液监测技术是通过安装在润滑系统中的传感器，利用光、电、磁学等 手段采集设备的润滑油或工作介质的状态信息，分析样品携带的设备摩擦副的 磨损、污染物颗粒和污染指标等信息，利用网络传给远程分析诊断中心，进而 定性和定量地描述设备的磨损状态( 包括部位、形式、程度) ，找出诱发因素， 并预测发展趋势1 2 ”n 。 仪器数据的集中保存、信息化自动采集，为今后的专家系统、故障诊断等 提供了必要的前提，是必然的发展方向。在传统的监测实验室中，分析数据的 采集很多还停留在人工记录和输入的初级阶段，自动化水平不高，不能严格确 保分析数据录入的准确性，无法避免人为操作失误导致的数据失真风险。而且， 现阶段实验室中各种仪器设备比较分散，如何对这些仪器进行统一管理，实现 对仪器状态、完好性能等在线自动监测成了监测实验室发展的瓶颈。随着分析 中心实验室工作量的逐步扩大，对实验室仪器设备的组网数据采集的需求也越 来越强烈。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究对象 本文以油液监测仪器的数据采集为研究对象，研究各种仪器数据采集方法。 目前在油液监测实验室中各种类型的分析仪器设备，一般都提供r s - 2 3 2 或 r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 等串口，传统的串口方式只能实现设备与计算机的直接一对一 连接，而且数据的传输距离比较短。以前的分析软件，对仪器的分析数据，多 采用两种方法：一是先手工记录在纸张上面，然后再输入到计算机；另外一种 是通过串口线将分析仪器和计算机相连接，通过该计算机实现数据的采集。第 一种方法，工作人员的工作强度大；第二种方法，所需要的硬件成本比较高。 目前在一般的监测实验室中都布设有局域网，针对上述方法的弊端可以在监测 设备的串口上连接一个小型的转换卡，该转换卡能将串口转换为以太网口。通 过该转换卡，就能将从油液监测设备里采集的数据，通过转换卡封装在t c p i p 网络协议中，通过局域网直接发送到服务器数据库上。关键之处在于数据通信 双方的端口号、波特率等协议的设定必须一致，这样才能保证数据的正确传输。 根据仪器是否带有外围设备，可以将目前各种监测分析实验室在用的仪器设备 分为以下两种类型：第一种，带有r s 2 3 2 串口并有工作站( p c 机) ；第二种， 带有r s 一2 3 2 口但无工作站。现在最新的仪器设备有部分开始带有u s b 接口或网 络接口，这种仪器设备为了向前兼容，一般都会带有串口通信口，所以可以属 于上述分类中的某一种。 由于不同的仪器型号，其串口通信的协议不一样，考虑到系统的推广性， 可以将串口协议做成参数化，对不同的仪器，使用时只需要设置其串口协议的 参数就可以使用了。另外，对于一些便携式的仪器设备，其主要优点是能够移 动工作，因此该系统还应该保留手工输入等传统方式。随着监测诊断工作的不 断深入，新的监测设备会不断补充到实验室中，这些设备的自动化程度都很高， 但相互之间还没有集成，单独一个设备输出的数据如果要进行进一步的分析， 或者生成技术报告，都需要人工进行仪器数据的录入、处理。这样，大量监测 数据的提取、传输、人工归类和存档成为工作效率提高的瓶颈。而这些仪器设 备大部分都提供了数据的输出接口，因此，该系统还应该为以后新增加的仪器 预留一定的数据接口。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究的目的与意义 故障规律、故障状态、故障机理、故障模型、故障分析理论、信号处理理 论以及诊断标准限值与图谱等理论的建立和发展，为状态监测维修提供了科学 的理论依据。现代电子测量技术、传感技术、无损检测、状态监控技术、声振 诊断、温度诊断、污染诊断、预测技术以及综合诊断的研究，为状态监测维修 提供了技术依据。而上述状态监测的理论依据都需要依靠日积月累的数据和信 号统计资料。监测数据的集中管理是智能化故障诊断的必要前提。运用先进的 计算机维修管理软件，对维修实行科学的、系统的管理，掌握机械设备的技术 状况和准确的统计数据与图谱，从中找出机械的磨损和故障规律，是机械设备 实施状态监测维修的重要依据。 根据状态监测和故障诊断的结果而形成的维修决策，既可控制计划维修中 的“早修”，又可防止“失修”。状态监测维修是以许多定期监测点代替计划维 修中的定期维修点，因而减少了材料消耗和维修工作量。可避免修理不当而引 起的人为故障，从而保障了设备的可靠性。状态监测以可靠性理论为依据，以 现代化的设备故障检测诊断结论为前提，有针对性地实施修理或保养。机械设 备的有些耗损、故障，如疲劳裂纹的扩展，齿轮轮齿的磨损等，在其引起功能 故障之前，可以通过采集振动信号分析出来，采用状态监测维修的方式，对每 种零部件不是以统一的使用时间来规定维修期和更换期，而是在实际工况条件 下，通过对总体或部件进行不解体检测或连续性工况的监控，发现其特性参数 上升或下降到某个标准时就进行维修，以消除潜在的故障。因此，仪器设备的 状态监测能大大提高设备的生命周期。 目前，对机械设备进行状态监测以及故障诊断，需要借助于各种智能分析 仪器，而分析仪器产生的数据信息不仅种类多，而且数量大。在油液监测实验 室中，各种仪器所测量的数据在没有一个有效的采集和管理系统支持的情况下， 都各自保存在与仪器相连的计算机中，这样使得仪器测量的数据存放分散，数 据格式很难统一，这些都会导致时间的无谓浪费，造成工作效率相对较低。 本文所研制的油液监测仪器数据采集系统，能对数据进行集中保存和管理， 提高实验室工作人员的工作效率，能够对仪器设备进行有效的管理和维护，该 软件具有较强的扩展性，软件在设计时为用户预留了一定的数据接口，对于以 后新增加的仪器，只需要添加相应的仪器数据采集部分的程序，而不需要对软 件作较大的修改。该软件能够将监测仪器设备的处理结果直接保存到网络中的 5 武汉理工大学硕士学位论文 数据库系统中，能够方便快捷的输出数据报表，对于一些数据量比较大的仪器， 只要确定其数据的采集方式，就可以将数据存储进服务器，因此可向其他实验 室进行推广。该系统的开发，为今后的智能化故障诊断提供了必要的前提，是 必然的发展方向。因而该研究具有很强的实用性，也迫切需要。 1 4 本文的研究内容 本文以油液分析中心的监铡仪器数据采集为研究对象，给出了油液监测仪 器设备的组网方案，分析了各种仪器数据采集的方法，并开发了仪器数据采集 软件，该软件能对仪器的数据进行集中保存和管理，提高实验室工作人员的工 作效率，能够对仪器设备进行有效的管理和维护。 本论文分为六章，各章内容安排如下； 第l 章论述了油液监测仪器数据采集研究现状和趋势，同时介绍了本文的 研究对象以及研究的目的和意义，最后对本论文的研究内容做了阐述； 第2 章论述了油液监测仪器的组网方案，首先介绍了传统的组网方案，其 次介绍了串口转换卡的一些特性，将采用串口转换卡进行油液监测仪器的组网 方案与以往的组网方案进行对比，结合实验室仪器的特点，给出了混合模式的 仪器组网方案，最后介绍了串口转换卡的几种主要的工作模式； 第3 章介绍了仪器的数据采集方法，针对不同的仪器，给出具体的数据采 集方法； 第4 章介绍油液监测仪器数据采集软件的设计，主要介绍了软件的总体设 计、设计原则、多层结构设计、数据库设计以及软件的界面设计； 第5 章介绍了数据采集系统软件的使用条件以及各功能模块的界厦； 第6 章总结了本文所做的工作，并在此基础上提出了改进的方向，展望了 数据采集技术的发展前景。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章油液监测仪器的组网方案 2 1 传统组网方案 在传统的油液监测实验室中，分析数据的采集很多还停留在人工记录和输 入的初级阶段，自动化水平不高，不能确保分析数据录入的准确性，无法避免 人为操作失误导致的数据失真风险。而且，现阶段实验室中各种仪器设备比较 分散，如何对这些仪器进行统一管理，实现对仪器状态、完好性能等在线自动 监测成了监测实验室发展的瓶颈。随着分析中心实验室工作量的逐步扩大，对 实验室仪器设备的组网数据采集的需求也越来越强烈。 目前各种油液监测仪器设备，一般都提供r s - 2 3 2 或r s 一4 2 2 、r s - 4 8 5 等串 行传输接口以实现与计算机连接，达到信息交换的目的。虽然，目前一些新型 仪器设备提供了网络接口或u s b 接口，但为了向下兼容，同时也会提供对传统 串行接口的支持。但这种传统的串口方式只能实现设备与计算机的直接一对一 连接，而且数据的传输距离比较短。下面介绍几种接口的主要电气性能。 2 1 1r s - 2 3 2 c 接口的电气性能 r s - 2 3 2 c 的电气特性属于非平衡型标准( c c i t tv 2 8 ) ，发送器和接收器均 采用非平衡方式工作，每个信号用一根导线传输，信号的电平在+ 5 十1 5 v 之间 时用二进制“0 ”来表示，信号的电平在一5 一1 5 v 之间时用二进制“l ”来表示， 信号传输速率限于2 0k b s 以内，电线长度限于1 5m 以内。由于信号线是单线 联结，因此线间的干扰大，传输过程中的外界干扰也很大。r s 一2 3 2 为全双工接 口，可以同时发送与接收，一般为一对一连接。 r s - 2 3 2 c 标准接口的定义包括电气特性、机械特性及功能特性等。它允许一 个发送设备连接到一个接收设备以传送数据，其原始规范的最大传输速度为2 0 k b s ，但事实上，现在的应用早已超过这个速度范围。r s 一2 3 2 可说是相当简单 的一种通信标准，若不使用硬件流量控制，则只需利用3 根线连接即可，如图 2 - 1 的串口通信示意图所示，便可做到全双工的传输作业。 串行通信接口基本功能是：在发送时。把c p u 送来的并行码转换成串行码， 依次地发送出去；在接收时，把发送过来的串行码一位一位地接收，组装成并 行码，并行地发送给c p u 去处理。这种串行到并行转换的功能当然可以用软件 7 武汉理工大学硕士学位论文 ，k 目0 2 2 33 4 接收我据 4 55 6 信号地 6 7 7 8 8 2 02 0 2 2 2 2 图2 一l 串口通信示意图 实现，但是这样会降低c p u 的利用率，所以常用硬件不实现这种功能，这种硬 件电路叫做串行通信接口。 2 2 2r s - 4 2 2 接口的电气性能 r s 一4 2 2 a 的电气特性属于新的平衡型标准( c c i t t v 1 1 x 2 7 ) ，发送器和 接收器均采用差分方式工作，每个信号用两根导线传输，整个接口无需公用信 号就可以工作，信号的电平是由两根导线信号的差值来表示，差值在+ 4 + 6 v 之间用二迸制“0 ”来表示，差值在一4 一6 v 之间用二进制“1 ”来表示，当传 输距离在1 0m 以内时，信号的传输速率可达1 0m b s 以下；当传输距离达到 1 0 0 0m 时，信号传输速率在1 0 0m b s 以下。由于每个信号均采用双线传输， 因此线问干扰大大削弱，具有较高的抗共模干扰能力。1 i s - 4 2 2 a 为全双工接口， 可以同时发送和接收，最多可连接1 台驱动器、1 0 台接收器。 2 1 3r s - 4 8 5 接口的电气性能 r s - 4 8 5 是r s 一4 2 2 的变形，为半双工接口，在同一时刻一个发送另一个接 收，当用于多点互联时，可以节省信号线，便于高速远距离的传送，组网十分 方便。信号传输速率可达1 0m b s ( 传输距离在1 0m 以内) ；当传输距离达到 1 0 0 0m 时，信号的传输速率在1 0 0m b s 以下。最多可连接3 2 台驱动器、3 2 台 接收器。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 组网方案 监测系统的硬件构成决定了监测软件的构成和分布特点，是软件实现的硬 件基础。在油液监测实验室中，对于以下设备：n i c o l e t 公司的a v a t a r3 6 0 型 f t i r 红外光谱仪、a n a l e x 公司的p q p ( 便携式磨粒浓度仪) 、e n t e k l r d 公司的 d c a ( 数字污染度监测仪) 、原子发射光谱仪、水分滴定仪和颗粒计数仪，将油 液监测实验室的上述几种分析仪器实现组网和数据的自动采集，可考虑两种硬 件系统设计方案。 ( 1 ) 总线型分布式组网 此总线型分布式数据采集系统由监测设备、采样模块、r s - 4 8 5 网络、转换 电路和计算机系统组成1 2 町，其系统结构如图2 2 所示。 l缈 光谱仪f + l 舶仪l _ 一 采 样 r s 4 8 5 转计 lp o d s 颗粒计数仪 模换 r s _ 2 3 2 簋 块 卡 机 1 数字污染度监测仪卜_ _ i 铁诣显徽镜r _ 图2 2 系统结构框图 由于各类仪器输出的均为数字信号所以不需要小信号的调理接口电路【2 9 】。 1 1 采样模块 采样模块采用智能模拟量数据采集模块，功能和性能都要很好。一个采样 模块有8 个通道，可以同时采集8 路不同信号，即可以连接8 台单路输出的仪 器，并与工业标准r s 一4 8 5 网络相连。在无中继放大器的情况下，r s 一4 8 5 网络 最大传输距离可达1 2 k m ，并通过r s 一2 3 2 转换电路接入计算机系统中，增加模 块可使连接的仪器更多，并组成一个监测网络，监测用的计算机也不一定放实 验仪器旁，可放在离实验台较远的地方。 2 ) 转换电路 转换电路可采用台湾产的r s 一4 8 5 与r s - 2 3 2 的转换模块a d a m 4 5 2 0 ，也可 采用便宜的转换卡，一般要求带5 0 0 0 v d c 光电隔离功能，以便能对计算机加以 9 武汉理工大学硕士学位论文 保护。 3 ) 计算机硬件系统 计算机系统可采用一般台式微型机( p c 机) ，对于实验室有强电磁干扰的 情况，也可以采用工业控制机( 简称工控机) 作为数据采集处理系统的核心设 备。通过自行开发的软件，控制微型机接收从r s - 4 8 5 网络传输到串口的数据， 并进行各种处理。 ( 2 ) 星型分布式组网 传统的仪器组网解决方案，由于串行通信的简单易用，常使用串行通信作 为数据交换的手段，即通过串口线将分析仪器和一台计算机相连，然后利用计 算杌的网卡实现仪器的网络互连，最后将数据通过网络传输保存到服务器主机。 但是在用r s 一2 3 2 作传输时经常会有噪声干扰传输线路而使信号发生错误；此外 r s 一2 3 2 的最大传输距离在没有另外缓冲器的情况下只有1 5m ，为了解决上述问 题，般是对这种方式进行改进一基于r s - 4 8 5 通信线路，r s - 4 8 5 方式可以比 普通的r s 一2 3 2 接口线传输更远的距离，并可以有效地防止噪声干扰。这种实现 方式的体系结构如图2 3 传统的基于串口线的组网方案所示【3 0 】。 开口田点实验仪 图2 3 传统的基于串口线的组网方案 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 基于协议转换的组网方案 2 2 1 串口服务器的选用 在将实验室仪器进行组网时，为了解决上述几种接口传输距离受到限制的 问题，以及利用实验室现有的网络布线，采用m o x a 公司的n p o r t 5 1 1 0r s 2 3 2 与t c p i p 协议转换模块作为串口通信硬件模型【3 ”。n p o r t5 1 1 0 外观如图2 - 4 所示。 、孵w 口孵 州 m a ，c 一 8 篾匦芦 o i _ o - 坤$ - 囝 - w ， 前部面板 函f r 图2 - 4n p o r t s l l o 外观图 螺钉接口 挂钉接口 2 3 2 接口 图中是1 口r s 一2 3 2 串口仪器组网服务器，有两个端口，一个是r s - 2 3 2 电 平的输入接口，另一个是r j 4 5 网络接口，内部进行封装，对用户来说是完全 透明的。其主要特点如下： ( 1 ) 轻松安装和简易设定，信用卡般的大小； ( 2 ) 立即使串口仪器组网，采用点对点连接模式，可在不使用p c 的情况下 武汉理工大学硕士学位论文 经由网络连接串口仪器； ( 3 ) 支持w i n d o w s l i n u xc o m 串口驱动程序模式，支持通用s o c k e t 操作模 式包括t c p 服务器模式，t c p 客户端模式，u d p 服务器客户端和以太网调制 解调器模式等； ( 4 ) 自动侦测1 0 1 0 0m b se t h e m e t ，所有串口信号皆内建1 5k ve s d 突波 保护； ( 5 ) 可通过网络t e l n e t 控制器端口进行配置，配置工具可在网络上自动寻 找n p o r t 仪器组网服务器。 2 2 ，2 基于协议转换的解决方案 本文利用上文所提到的协议转换设备n p o n 5 1 1 0 串口转换卡，实现仪器的 组网。该设备采用台湾摩莎技术有限公司设计生产的系列r s 2 3 2 c 与t c p i p 协议转换模块，该转换模块可以让仪器的r s - 2 3 2 串口转换成一个网络接口，类 似于模拟成为一个计算机网卡，再利用t c p i p 协议实现数据的传输和仪器的组 网。 n p o n 设备类似于一个小型的计算机，具备c p u 、r e a l - t i m eo s ，使传统的 r s - 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口仪器转换成基于t c p p 协议的组网仪器，利用二次开发的 软件，可以在网络任何位置用主机来存取、管理和控制仪器。只要有支持t c p i p 协议的局域网，就不受接线和插槽的限制( 如i s a 和p c i ) 。该转换设备提供了相 应串口通信开发工具，为二次开发提供了条件。基于协议转换的解决方案的体 系结构如图2 5 所示| 3 2 - 3 6 l 。 图2 - 5 基于协议转换的解决方案 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 该方案可以通过实验室一些现有的网络布线环境，用转换卡作为主机与各 仪器连接的转换器设备，能够让众多串口仪器连接上网络而不用通过以太网口， 使串口仪器立即组网的，显著提升了管理效能并保证数据的一致性。其主要特 点如下： ( 1 ) 当增加新的监测仪器时，不需要购买额外的p c 机，只需连接一个转换 卡，将之简单地架在局域网上，便可连接各种扩充的仪器。这大大节省了时间 和费用，避免了硬件的冲突，使数据采集模块具有可扩展性。 ( 2 ) 在油液监测实验室中，监测仪器一般都比较分散，而在t c p i p 网络中 通过转换卡连接的串口仪器可以安装在任何位置，且不影响通信。 2 3 混合模式的组网方案 在传统的管理模式下，解决方案多采用如图2 3 所示的体系结构，即一台 监测仪器必须配一台p c 机，这台p c 机作为网络系统的一个客户机，需要在仪 器自带的软件或自行开发的软件支持下，才能从监测仪器取出数据并将数据传 入数据库。如果一个实验室有n 台仪器，一台仪器配一台p c 机，那么其费用 是很贵的，而且不便于管理和数据维护。用转换卡来连接就要经济很多，目前 一个转换卡的费用大约为一台计算机的十分之一左右。 考虑到有些仪器自带有计算机外设，所以在设计实验室仪器组网方案时， 可以将两种方案结合起来。对于带有r s 2 3 2 串口并有工作站的外设，采用传统 方案，在工作站上装采集与传输软件，将数据传输到数据库；对于有r s 2 3 2 接口但无工作站的外设，采用协议转换方案，用转换卡作为主机与仪器连接的 转换器将数据直接传输到数据库。油液监测实验室最终的仪器组网方案如图2 - 6 所示的混合模式体系结构。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 _ 6 混合模式体系结构 混合模式的解决方案对仪器的摆放位置可以更加灵活，可以通过实验室现 有的网络布线环境，用转换卡作为主机与各仪器连接的转换设备，只要有网络 接口的地方就可以安放仪器。其主要特点如下： ( 1 ) 当实验室增加新的不带外部设备的监测仪器时，不需要购买额外的p c ， 只需用转换卡就可以实现仪器的网络连接，大大节省了时间和费用，降低硬件 费用消耗。 ( 2 ) 在实验室中，仪器一般都比较分散，而在t c p ，母网络中通过转换卡连 接的仪器可以布置在任何位置，且不影响通信。 ( 3 ) 兼容串口通信程序，可以采用虚拟串口的方式，实现中间数据的传输用 t c p 佃协议，数据采集用串口协议的方式，保留以前开发软件的功能。可进行 二次开发，把串口通信程序集成到实验室管理系统软件中。 2 4n p o r t 5 11 0 的工作模式 n p o r t 5 1 1 0 具有多功能协议转换功能，能将串口协议转换成以下协议：i c m p ， i p ，t c p ，u d p ，d h c p ，b o o t p ，t c l n e t ，d n s ，s n m p ，h r r p ，s m t p ，同 时能够实现多种通信接口。下面介绍转换卡的几种典型的工作模式。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 虚拟串口模式 在这种情况下，可以通过该转换卡所提供的一个软件将一个转换卡虚拟成 计算机上的一个串口，此时n p o r t s l l 0 工作在驱动模式下，然后可以利用访问 串口的程序或者n p o r t 5 1 1 0 提供的串口通信函数对该虚拟的串口直接进行操作， 从而实现仪器的数据提取以及对仪器的远程控制。该设备对网络的连接是一种 虚连接，w i n d o w s 操作系统会把它的串行接入口当作一个真实存在的物理接口。 这个接口不仅完成数据的接收发送，而且包括，r ) 【d ，r ) ( d ，r t s ，c t s ，d t r ，d s r ， d c d ，g n d 等控制信号的传送【3 ”。这种方式的好处是可以完全兼容以前已经开发 好的串口程序，虚拟串口连接模式如图2 7 所示。 图2 7 虚拟串口连接模式 在虚拟串口工作模式下，n p o r t s l l 0 串口转网络卡厂家提供了相应的库函数 和驱动程序来实现通信中的各种功能【3 s 】。在编写x l v - m d o w s 串行通信程序，需要 用到大量的w i n d o w s a p i 函数，虽然这些函数的调用和细节问题都已经被编制 调试封装好，使用者只需要简单的调用即可，但必须透彻地了解其细节和原理， 否则，对于大量的库函数就会无所适从，当出现通信问题时，也将难以查找问 题的所在。 2 4 2t g p 服务器模式 通过该转换卡所提供的一个软件将一个转换卡设置成t c p 服务器模式，在 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 这种模式下，服务器首先向n p o r t s l l 0 发送连接请求，然后实现数据的相互传 输，数据通信的方式为程序以t c p 客户端的方式来访问转换卡。采用这种方式 时，还可以利用该转换卡提供的一套函数，来开发相应的数据采集程序。其连 接模式与图2 - 7 虚拟串口连接模式相似，n p o r t s l l 0 工作在t c p 服务器模式下。 2 4 3t o p 客户端模式 通过该转换卡所提供的一个软件将一个转换卡设置成t c p 客户端模式，在 这种模式下，需要做一个基于s o c k e t 的服务器程序来监听转换卡的数据连接请 求，在仪器通过串口将数据发送到转换卡的缓冲区后，转换卡会自动将数据发 送到特定的i p 地址，这个地址和相应的端口号的设置在转换卡所提供的软件中 可以完成，其连接模式如图2 - 7 虚拟串口连接模式相似。 n p o r t s l l 0 在与仪器相连时，要选择其工作模式，对该模式下的参数进行 设置，可以采用转换卡自带的软件进行参数设置，也可以在开发的数据采集软 件中进行参数设置。本文中n p o r t s l l 0 在连接时均工作在t c p 客户端模式下， 该模式采用自带软件进行参数设置界面如图2 8 所示。 图2 8 参数设置界面 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 n p o r t s l l 0 工作在t c p 客户端模式下的参数设置情况如下：一般在设置上 述参数时，由于使用情况的不同，参数的设置就不一样。在油液监测仪器网络 化管理系统中，由于n p o r t 5 1 1 0