（电力系统及其自动化专业论文）基于can总线的热网首站微机监控系统的研究.pdf

定了系统的c a n 总线应用层通信协议，实现了上位机对现场控 制器的控制。 本文前两章介绍了热网监控系统研究的背景以及设计要 求，并结合要求设计了首站监控系统的整体方案。第三章介绍 了热网首站监控系统人机界面的设计。第四章热网首站监控系 统硬件部分首先介绍了系统的整体结构，然后论述各个现场控 制器的硬件设计以及上位机c a n 协议转换卡的硬件工作原理。 第五章论述了应用层协议的制定、协议转换卡的通信软件设计 并给出了通信软件流程。第六章，对本系统进行总结。 热网监控系统中使用c 州总线技术，提高了通信的可靠 性、快速性，具有很好的应用前景和发展方向。 关键词：c a n 总线，人机界面，热网首站，串口通信 i i 北京交通大学硕十论文 r e s e f 气r c ho nc a n b a s e dh e 觚i n g n e t w o r kc h i e f s t a t i o ns u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t n l e h e a t i n gs y s t e mw h i c h i sc o n n e c t e dw i t ht h ee n e i g y s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n i sa n i m p o r t a n td t y c o n s t m c t i o ni t e ma n dt h ec o n t e n to ft h em o d e r nc o n s t n l c t i o n i n o r d e rt oe n s u r es a f eo p e r a t i o n ，w en e e dah i g ha u t o m a t i cr e a l - t i m e s u p e r 、，i s o r y c o n t r o ls y e t e m 舢t h o u g ht h ed i s t r i c th e a t i n gs y s t e m h a sb e e n d e v e l o p p e df b rs e v e f a lt e ny e a r si no u rc o u n t r y ，t h e o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tl e v e li ss t i l l l o w t h e r ei s n tah e a t i n g n e t 、) l ，o r ks u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mc h a tu s e sf i e l db u sn o w i nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ed i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w r da n dd e s i g n s ad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，f h a ti st h ec a n _ b a s e d h e a t i n gn e t w o r k c h i e fs t a t i o n s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t em t h i s d i s s e n a t i o n l n 北京交通大学硕十论文 d e s c f i b e st h ed e s i g n0 fc h i e f - s t a t i o nh e a t i i l gn e t w o n cs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e ma n da l s oi n t r o d u c e st h ed i s i g nt h o u g h ta n dc o n c r e t e r c a l i z a f i o nm e t h o do fh o s tc o m p u t e rm o n i t o f i n gs o f 研a r e t h e s o f t w a r ei sb a s e do nw i n d o w sn t0 p e r a t i n gs y s t e ma n dt h e l a n g i l a g e i sm i c r o s o f ts u a lb a s i c 6 ot om e e tt h en e e do f r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y n i ss y s t e ma d o p t sd i s t r i b u t e dd e s i g na n di s c o m p o s e do fs u p e r 、，i s o r yc o n t r o lh o s tc o m p u t e r ，f i e l dc o n t r 0 1a n d c o l l e c t i o nu n i t n l ea u t h o r d e s i g n e d a n d d e b u g g e d t h eh o s t c o m p u t e ra 心ip r o t o c o n r a n s f o n nc a r d ，c o m p i l e dc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m a n dh o s t c o m p u t e rm o n i t o r i n gh m ls o m 矿a r e t h e d i s s e f t a t i o np r o b e si n t ot h e p r o t o c o la n dp r i n c i p l eo fc ：a na n d e s t a b l i s h e sm ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nu s e rl a y e rt or e a l i z em e c o n t r 0 1b e 时e e nf i e l dc o n t m l l e ra n dt h eh o s tc o m p u t e r n l ef i r s ta n dt h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d a n dd e s i g nr e q u e s to ft h ec h i e fs t a t i o ns u p e i s o 巧c o n t r o ls y s t e m a n dd e s c r i b em ew h o l es y s t e md e s i g n n l et h i r dc h a p l e r 强t f o d u c e s t h eh m is o f t w a r eo ft h ec h i e fs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h e f 0 1 l r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ew h o l ea r c h i t e c t u r ea n dd e s c r i b e st h e l v 北京交通大学硕士论文 h a r d w a r e d e s i g n o ft h ef i e l dc o n t r o l l e ra n d ( ：a np r o t o c o l t r a n s f o n nc a r d t h ef i f t h c h 印t e i i n t r o d u c e sc o m m n i c a t i o n p r o t o c o l i nu s e r l a y e r ，c o m m u n i c a t i o ns o n w a r eo fc m 呵c a r da n d g i v e st h en o w c h a r t t h el a s tc h 印t e rs u m su pt h ed i s s e r t a t i o n u s i n gc a nb u si nh e a t i n g c h i e fs t a t i o n s u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e mc a ni m p r o v e s t h e r e l i a b i l i t y a n ds p e e d ，i th a sag o o d a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tf b r e g r o u n d k e yw o r d s ：c a nb u s ，h m is o 行w a r e ，h e a t i n gn e t w o r k c h i e f s t a t i o n s e r i a lc o m m u n i c a t i o n v 北京交通太学硕士论文 第一章选题背景和研究内容 1 1 热网的国内外发展概况 与能源和环境保护密切相关的城市供热系统是一项重要的城市建设 项目，也是现代化建设的重要内容。在城市能源结构以煤为主的条件下， 为节约能源、改善环境、改变落后分散的锅炉房和小煤炉供热方式，国 家鼓励发展热电联产集中供热。中华人民共和国节约能源法第三十九 条明确提出“推广热电联产集中供热，提高热电机组的利用率，发展热 能梯级利用技术，热电冷联产技术和热、电、煤气三联供技术。” 为保证供热系统的安全可靠运行，需要一套自动化程度较高的监控系 统进行实时监控。在我国，集中供热虽然经过了几十年的发展，但热网 的运行和管理水平还处在较低层次，特别是利用计算机进行全面监测、 控制及现代化管理方面仍不完善，大多处于低水平重复上。目前换热站 大都采用人工监控，一方面浪费人力；另一方面在出现事故隐患时操作 人员难以发现，易造成设备事故。 在我国，唐山市首先使用计算机监测热网的运行，随后北京、赤峰等 地开始在热网中采用计算机进行监测。但从整体看，我国城市热网的管 理水平较低。据中国城市集中供热协会第四界年会及有关资料统计显示， 国内目前还没有一套完整的测、控、管一体化的热网监控系统。目前， 鸡西、虎林等地的热网监控系统在国内处于领先水平。集中供热监控系 统中，热网首站一般采用集中式控制。根据掌握的资料，目前国内还没 有采用现场总线技术的热网首站监控系统。大多数城市需要进行热网改 北京交通大学硕1 论文 造，新建的供热系统需要采用监控系统对热网运行情况进行监控。 1 2 现场总线控制系统f c s ( f i e i 曲u sc o n t r o is y s t e m ) 介绍 现场总线( f i e l db u s ) 是应用于生产现场，在测量控制设备之间实 现双向、串行、多节点数字通信，也被称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络，并且可以与因特网相连。作为网络系统，现场总线最 显著的特征是具有开放统一的通信协议，同时它又具有传输信息实时性 强、可靠性高等特点。 现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行 器和编程器等。但不是传统的单功能的现场仪表，而是具有综合功能的 智能仪表。 -例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有 p i d 控制和运算功能； 调节阀的基本功能是信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、 自校验和自诊断功能。 现场总线控制系统( f c s ) 是基于现场总线技术的分布式控制系统， 是继集中式数字控制系统、集散式控制系统( d c s ) 后的新一代控制系统， 适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化 系统用户带来更大的方便。 现场总线控制系统( f c s ) 具有如下特点： ( 1 ) 打破传统控制系统的结构形式，实现节点的平行化； ( 2 ) 采用智能设备，实现彻底的分散控制； ( 3 ) 摒弃d c s 系统中的协议专用、封闭性，实现通信协议的公开化。 2 北京交通大学顿十论文 基于以上特点，f c s 控制系统结构简化，使控制系统从设计、安装、 投入运行到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性，其优点如下： ( 1 ) 节省硬件投资与数量； ( 2 ) 提高系统的准确性和可靠性； ( 3 ) 系统具有高度的开放性。 1 3 现场总线在热网中的应用前景 现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向， 一经产生便成为全世界工业自动化技术的热点之一，在过程控制、制造 业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统中具有广泛的应用前景。热网 微机监控系统是一个集计算机、网络、自动检测与自动控制、传感器与 执行驱动技术为一体的多学科综合性自动化系统，主要用于对集中供热 管网的监测、控制、计量、综合决策及调度等。热网监控系统由五种站 点组成：首站、热力站、增压站、调度站以及首长站，其中，首站是整 个热网监控系统中最复杂的站点。在传统的系统方案中，首站一般采用 集中控制方式。在实际施工以及系统运行过程中，集中式首站存在接线 复杂、维修困难、危险集中等缺点。为克服这些缺点，本文采用现场总 线技术来设计新型的热网首站监控系统。采用现场总线技术设计新型的 热网监控系统不仅节约能源，造福群众，保护环境，提高运行效率，减 少事故发生，具有良好的经济和社会效益，而且具有广阔的市场空间。 1 4 几种有影响的现场总线 北京交通太学硕士论文 1 4 1 基金会现场总线( f f ) 1 9 9 4 成立的现场总线基金会，制订了一种现场总线标准f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) ，其特点如下： i s p 协议与w b r d f i p 协议的合并，以i s o o s i 开放系统互连模型为基 础，由物理层、数据链路层、应用层和用户层构成； 总线采用低速h 1 和高速h 2 两个通信速率； h 1 的速率为3 1 2 5 k h z ，传输距离为1 9 0 0 m ；h 2 的传输速率为1 m h z 和2 5 m h z ，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m ： 支持双绞线、光缆； 主要应用场合：过程自动化控制领域； f f 的优点是配置灵活、协议的功能齐全；缺点是实现复杂，兼容设 备有限，其标准化的进程以及被工业应用接受的进程比较缓慢。 14 2l o n w o r k s 现场总线 1 9 9 0 年由美国e c h e l o n 公司成立的l o n w o r k s 总线，主要是为楼宇自 动化开发的，现已经扩展到其他领域，其特点如下： 采用i s o o s i 模型的全部7 层协议； 通信速率：1 2 5 m b s ，通信距离可达2 7 0 0 m ； 通信介质：支持同轴电缆、光纤、射频、红外、双绞线、电力线载波 等； 集成芯片：内置媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器三个 c p u ： 通信协议：l 0 n t a l k 协议； 主要应用场合：楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交 通运输、过程自动化控制、智能通信接口、智能传感器等领域。 北京交通大学硕士论文 1 4 3p r o f i b u 8 现场总线 8 0 年代初德国制订的一种现场总线标准，用于加工制造自动化领域的 应用，实现分散外设之间的高速数据传输，其特点如下： p r o f i b u s f m s ，适用于楼宇自动化等领域； p r o f i b u s p a ，适用于过程自动化领域： 由数据链路层、物理层和应用层通信协议组成； 传输速率为9 6 k b p 1 2 m b s ： 最大传输距离在1 2 m b s 时为1 0 0 m ；1 5 m b s 时为4 0 0 m ； 通信介质：双绞线、光缆； 最多可挂接1 2 7 个站点； p r o f i b u s 的优点是能高速处理大量的数据，缺点是传送数据少时， 额外开销大。 1 4 4h a r t 现场总线 h a r t 是h i g l l w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，可寻址远程 传感器、高速通道、开放通信协议，由r o s e m o u n t 公司1 9 9 3 年成立，它 由数据链路层、物理层和应用层通信协议组成，其特点如下： 在现有模拟控制信号传输线的基础上采用f s k 技术实现数字信号传 输； 传输速率最大为1 5 m b s ； 作为一种过渡总线，目前还有较大的市场； 应用于智能仪表。 1 4 5c a n 现场总线 德国b o s c h 公司1 9 8 6 年制订的现场总线标准，主要为汽车内部的 仪表设备的互连，已经广泛用于其他领域，其特点如下： 北京交通大学硕士论文 由数据链路层、物理层和应用层通信协议组成； 通信介质：双绞线、同轴电缆、光纤； 传输速率：5 k b s _ 1 m b s ； 传输距离：5 k b s 1 0 k m ：1 m b s 4 0 m ； 抗干扰能力强：信号传输采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率 低； 可挂接的设备数量最多可达1 1 0 个； 应用场合：汽车，工业控制领域等； c a n 的最大特点是可靠性高，其相关产品价格低廉，得到了i n t e l 、 m o t o r o l a 、p h i l i p s 、s i m e n s 、n e c 等多家国际著名大公司支持。 选择一种现场总线，需要从成本、可靠性、通信速率等多个方面考虑。 在成本上，l o n w o r k s 与p r o f i b u s 比较高。通信速率上，h a r t 较低，不 能满足需求。而f f 实现比较复杂，并且兼容设备有限。在对各种现场总 线技术进行对比以后，本文选择c a n 现场总线进行研究，将其应用到热 网首站监控系统中。 1 5 主要研究内容 1 5 1 基于c 州的热网首站监控系统研究内容 ( 1 ) 热网首站监控系统的整体设计； ( 2 ) 监控主机实现对热网首站各个c a n 节点的数据采集； ( 3 ) 现场测控设备实现对现场模拟量、数字量以及开关量的采集和智 能控制； ( 4 ) 对采集数据进行计算、统计、分析、实时直观显示、报警和管理； 北京交通大学硕士论文 ( 5 ) 实现与现场测控单元之间的c a n 总线网络通信； ( 6 ) 支持报表查询、生成和打印； ( 7 ) 操作界面直观方便。 1 5 2 本文所做的工作 本文实现了各节点与上位机的组网通信，并编写了上位机界面软件， 具体工作如下： 1 ) 深入分析热网监控系统的结构和功能，与以往集中式首站监控系统进 行分析比较，将现场总线技术引入热网首站，设计新型的热网首站监 控系统，参与系统的整体设计； 2 ) 对热网首站监控系统进行分析，在此基础上设计了上位机监控界面， 并实现了与下位机的通信； 3 ) 完成上位机c a n 协议转换卡的设计，在此基础上完成了协议转换卡的 硬件电路的设计与制作； 4 ) 编写并调试了c a n 协议转换卡的通信软件程序； 5 ) 对c a n 协议及其原理进行了比较深入的研究，并将c a n 总线应用到 热网监控系统中；针对热网首站监控系统的实际需求，本文制定了 c a n 网络通信应用层协议。 7 北京交通大学硕上论文 第二章热网监控系统概述以及首站总体设计 2 1 热网微机监控系统简介 2 1 1 系统组成 热网微机监控系统是热网改造的核心部分，负责整个热网的监测控 制和管理。如图2 1 所示，热网监控系统主要由五部分组成：调度站、 首站、热力站、首长站以及增压站。 图2 1热网微机监控系统基本结构 f i g u r e2 1b a s cc o n f i g u r a t i o no fh c 撕n gn e t w o r ks u p e i s o r yc o n t r o ls y s t e l 【i l 2 1 2 各部分功能 热网首站是整个热网循环供热的供水出口和回水入口，是整个供热 系统的关键。供热首站监控系统主要完成对供热首站的实时测量和自动 控制，以及对实时数据的显示、存储、报警、打印等，保证热网的正常 北京交通大学硕士论文 运i 行。 调度站是整个系统的通信枢纽以及管理中心，对热网系统进行总体 调度。调度站主要汇总全热网的所有实时监控数据，完成显示、存储、 打印等数据管理功能，并给调度员适时、准确的处理结果，辅助调度员 在异常情况下做适当的处理。 热力站监控系统对供热小区的温度、压力、流量进行监测，并将实 时采集的数据上传到调度站。 增压站是为了提高管网末端的供水压力，并对其所管辖的供热区的 供热情况进行监测控制的站点。 首长站是为领导、工程师观察热网运行状况而设的，可实时显示热 网的运行情况，并及时提出解决方案。 本文主要研究的是热网首站监控部分。 2 2 热网首站监控系统 2 2 1 热网首站介绍 在热网微机监控系统中，热网首站作为从热源到热网的连接枢纽， 发挥十分重要的作用。热网系统的热源来自电厂的余热蒸汽，在首站经 汽一水换热器进行热交换后，由一次网输出到相应的热力站，热力站将一 次网的高温热水经水一水换热器进行热交换后输送到用户，其工艺流程如 图2 2 所示。 9 北京交通大学坝i 论文 图2 2 电厂热电联产工艺原理图 f i g u r e2 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o o fc o m b i n e dh e a t p o w e rt e c h n i c s 热网首站是整个热网监控系统的关键站点。它是整个热网循环供热 的供水出口和回水入口。在一次设备( 传感器、变送器、各种执行机构 等) 的基础上完成对热网首站的监测和控制。首站需要测量与控制的量 较多，如供水压力、温度、流量；回水压力、温度、流量；补水压力、 温度、流量等。这些测量控制量分布较为分散，需要及时、准确的测量 控制。整个热网首站系统包括现场测控器设计、c a n 协议转换卡设计、通 信程序的设计以及上位机软件的设计等。首站完成的主要功能有： 1 ) 数据采集功能：采集温度、压力、流量等热网首站现场的模拟信 号和各种开关量信号； 2 ) 数据处理功能：根据采集的数据计算热网监控所需的各种参数； 3 ) 数据存储功能：对首站采集、计算、控制、报警等数据进行定时 存储； 4 ) 通信功能：在热网首站内实现现场控制器与上位机的通信； 5 ) 数据交换功能：与首长站、调度站进行数据交换； 6 ) 控制功能：根据测得的室外温度自动调节供水出口温度，以适应 l o 北京交通大学硕士论文 不同供热负荷下的需求，并完成对补水泵、循环水泵、电磁阀的控制 等； 7 ) 查询、打印功能：可查询各种瞬时值和历史数据，并打印； 8 ) 参数设置功能：可通过上位机对现场控制器的控制参数进行设置 和修改； 9 ) 显示功能：对各种采集数据、检测控制参数的实时显示； 1 0 ) 查询功能：查询各类瞬时值或历史数据。 2 2 2 热网首站监控系统设计方案 2 2 2 1 系统设计原则 根据系统功能和要求，在热网首站监控系统的设计中力求遵循以下原 则： a ) 可靠性高。采用先进技术的同时，充分考虑各种意外的情况发生，保 证系统运行的稳定性和安全性，它是系统设计最重要的一个要求。在 硬件方面，设计安全保护及抗干扰措施；软件设计上要可靠，以保证 数据的准确传输。通信总线是设备内部重要信息的传输通道，总线上 的任何故障或错误信息都可能引起系统的误报。因此，通信总线应具 备良好的可靠性。 b ) 实时性强。对大量的运行状态参数实现巡回检测、数据存储、数据处 理等功能。因此，要求系统有较强的实时性。根据传输数据的优先级 别，用于控制的数据信号要求有较高的实时性。 c ) 价格便宜。在满足精度，速度和其他性能要求的前提下，尽量用价格 低的元器件。 d ) 标准化。无论系统软件开发还是硬件设计，均要求标准化和模块化， 使系统易于扩展和升级。 北京交通大学坝 ：论文 2 2 2 2 热网苜站监控系统方案选择 根据2 2 1 节介绍，热网首站是比较复杂的站点，需要采集和控制的 量很多，同时，它作为热网的前端入口，发挥着十分重要的作用。因此， 首站运行状况直接关系着整个热网能否正常运转。为完成热网首站的功 能，可采用集中式控制系统、f c s ( 现场总线控制系统) 。 ( 1 ) 集中供热控制系统 集中式控制系统是较为常见的一种监控系统控制方式，在整个系统 中采用一台工控机，它配有a d 卡、d a 卡、d i 卡、d o 卡，可实现对热网 首站现场的监控。现场的各种信号首先通过屏蔽线连接到热控盘、电控 盘，然后由热控盘、电控盘将这些量引入工控机的a d 卡、d i 卡等板卡接 口。工控机通过d a 卡、d o 卡将控制信号送至热控盘和电控盘，再由热控 盘和电控盘将控制信号送至端子排，通过端子排控制现场设备。系统整 体结构如图2 3 所示。 l 乜控盘 图2 3 集中控制热网首站监控系统结构 f i g u r e2 3c o n f i g u r a l i o no fc e n t r a lh e a t i n gn e tc h i e fs t a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m n 集中式控制系统的优点是结构简单，系统开发、集成周期短，在设计、 北京交通大学硕士论文 安装、调试过程中有很多实践经验可循。但由于热网首站各个一次设备 分布较为分散，大部分距离主控机较远，采用集中控制系统，所有信号 均需要引入工控机，引线比较长，产生以下缺点： 1 ) 接线复杂。现场需要采集和控制的量比较多并且现场设备比较分散， 所有信号最终都要连至工控机，这样就会造成接线多、接线较长、安 装工作量大，造成施工不便，工程周期加长。 2 ) 精度差。虽然模拟信号引线采用屏蔽线，但引线太多太长，易引入干 扰，造成精度下降。 3 ) 可靠性差。所有引线都集中引入主控机，工控机端引线高度集中，易 引发事故。 4 ) 不易扩展。由于引线长、多，产生故障后，不易查找和排除，引线集 中，维修过程易造成新的故障。 ( 2 ) 现场总线控制系统 f c s 在目前来说是一种较为新型的监控系统控制方式。f c s 打破了 传统控制系统的结构形式，将传感变送测量、数据处理、现场控制等功 能分散到现场去完成，可以就近实现对现场设备的控制，并能随时诊断 设备的运行状态，实现彻底的分散控制，f c s 的整体结构如图2 4 所示。 图2 4现场总线控制热网监控系统结构 北京交通大学硕士论文 f j g u r e2 4c o 州j g u r a t l o no if i e l dc o n t r 0 1h e a “n gn e 咐o r km o n i t d r i n gs y s t e m f c s 与集中控制系统相比，具有如下优点； ( 1 ) 接线简单。从主机到现场各仪表或设备只有一对传输线并可实 现现场信号的双向传输。这种结构使得接线简单，安装方便， 安装费用降低，工程周期缩短。 ( 2 ) 系统扩展性能较佳。用户可以根据需要进行系统扩展，如要增 加或删除现场设备或仪表，只需在总线电缆上进行挂接或摘除 即可。 ( 3 ) 故障互不干扰。采用分散控制，将主机功能分散下放到现场各 控制器中，减轻了主机的负担，实现了真正的分散控制。即使 在主机出现故障的情况下，也不影响现场设备的正常运行，现 场设备之间出现故障也互不影响，现场总线控制系统最为突出 的优点就在于此。 ( 4 ) 协议的开放性。现场总线协议公开，根据需要和资金投入，可 自由选择最佳性能价格比的产品进行系统集成。 ( 5 ) 可靠性好。系统内部信息全部为数字信号，传输距离远，数据 通信具有很强的纠错功能和错误重发功能，抗干扰能力强，保 证了信息的实时可靠传输。 基于以上对集中式控制系统和现场总线控制系统的分析，本文选择 了f c s 作为热网首站监控系统。 2 2 3 基于c a n 总线的热网首站监控系统 通过对热网首站监控系统的分析，对应用较为普遍的几种现场总线 进行比较，本文选择了c a n 总线作为热网监控系统的通信总线( 见第1 4 节) 。 1 4 北京交通大学硕士论文 圈 e 鲥趋线 葛鑫圆圃匝壁团匝至习 北京交通大学硕 论文 由图2 5 可以看出，基于c a n 总线的热网首站监控系统主要有上位机 和现场控制器组成。系统工作过程如下：上位机首先初始化c a n 协议转换 卡，设置协议转换卡工作模式、接收码、屏蔽码和波特率，然后进入运行 状态，在适当条件下与现场控制器进行通信。现场控制器主要完成现场数 据的采集与处理、现场执行机构的控制等功能，并以查询或中断方式与主 机进行通信。 ( 1 ) 上位机 上位计算机采用工控机，它负责对整个热网首站系统进行管理。上位 机通过c a n 协议转换卡与现场控制器通信，同时通过局域网与首长站、 调度站计算机信息网络进行连接，构成整个热网监控系统，实现整个热 网的信息共享。上位机具有数据采集、参数设置、远程控制、数据存储、 实时显示、通信等功能。 ( 2 ) c a n 协议转换卡 c a n 协议转换卡是负责c a n 总线与上位机之间数据交换的功能模块。 c a n 协议转换卡存在两个方向的数据交换：c a n 协议转换卡与上位机之间 的数据交换以及c a n 协议转换卡与c a n 总线之间的数据交换( 由微处理器 通过访问c a n 控制器的接收缓冲区以及发送缓冲区来实现) 。 ( 3 ) 现场控制器 热网首站监控系统的需求决定了现场控制器的各项功能。每个现场 控制器在测量点和执行机构附近实现对现场的智能控制，并且通过c a n 网络接口实现与系统的通信。 现场控制器除了具有通信功能外，还具有模拟量采集、开关量采集、 智能控制、数据运算和存储、液晶显示、报警输出等功能，并可脱离总 线网络独立运行。 北京交通大学硕士论文 2 2 4 通信方案 系统网络通信模块主要由通信总线、通信控制器和通信协议等关键 要素构成。通信控制器是通信协议的基本物理载体，通信协议基本上是 一个软件概念，定义了系统通信方式或规则，可看作是系统通信实现的 灵魂所在。本文在分析c a n 通信时需要的通信命令形式和通信传输的数 据的基础上，对c a n 应用层协议作出了具体的规定。 1 7 北京交通大学硕= i 论文 第三章上位机监控界面程序设计 v i s u a lb a s i c 作为可视化编程语言，是一种分布式企业应用程序开 发语言，不仅有较强的数据库编程功能，而且可较容易的编写友好界面， 可较好的实现热网首站监控软件，具有运行速度快、小巧灵活、安装配 置简单、性价比高等优点。本文选用v i s u a lb a s i c 6 o 作为主要开发语 言。 3 1 开发环境简介 该系统上位机监控软件是基于w i n d o w s 操作系统，采用v i s u a lb a s i c 6 o 编制。v i s u a lb a s i c 具有如下的特点： ( 1 ) 可视化编程 用传统的编程设计语占来设计程序时，都是通过编写程序来设计用 户界面的，在设计过程中看不到界面的实际显示效果，必须编译后运行 程序才能观察。如果对界面的效果不满意，还要回到程序中去修改。 v i s u a lb a s i c 提供了可视化设计工具，把w i n d o w s 界面设计的复杂性“封 装”起来，开发人员不必为界面的设计而编写大量程序代码，只需要按 设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种“部件”， 即图形对象，并设置这些图形对象的属性，v i s u a lb a s i c 即自动产生界 面设计代码。程序设计人员只需要编写相应能实现程序功能的那部分代 码，从而可以大大提高程序设计的效率。 ( 2 ) 面向对象的程序设计 1 8 北京交通火学硕士论文 在一般的面向对象程序设计语言中，对象由程序代码和数据组成， 是抽象的概念。v i s u a lb a s i c 则是应用面向对象的程序设计方法( o o p ) ， 把程序和数据封装起来作为一个对象，并为每个对象赋予应有的属性， 使对象成为实在的东西。 ( 3 ) 结构化程序设计语言 v i s u a lb a s i c 是在b a s i c 语言的基础上发展起来的，具有高级程序 设计语言的语句结构，接近于自然语言和人类的逻辑思维方式，其语句 简单易懂。其编辑器支持彩色代码，可自行进行语法错误检查，同时具 有功能强大且使用灵活的调试器和编译器。 v i s u a lb a s i c 是解释型语言，在输入代码的同时，解释系统将高级 语言翻译成计算机可以识别的机器指令，并判断每个语句的语法错误。 设计v i s u a lb a s i c 程序的过程中，随时可以运行程序，而在整个应用程 序设计好之后，可以编译生成可执行文件( e x e ) ，脱离v i s u a lb a s i c 环境，直接在w i n d o w s 环境下运行。 ( 4 ) 事件驱动编程机制 v i s u a lb a s i c 通过事件来执行对象的操作。一个对象可能会产生多 个事件，每个事件都可以通过一段程序来响应。v i s u a lb a s i c 使用了若 干个微小的子程序，即过程，这些过程分别面向不同的对象，由用户操 作引发某个事件来驱动某种特定的功能，或者由事件驱动程序调用通用 过程来执行制定的操作。这样可以方便编程人员，提高效率。 ( 5 ) 访问数据库 v i s u a lb a s i c 系统具有很强的数据库管理功能。利用数据控件和数 据库管理窗口，可以直接建立或处理斟i c r o s o f ta c c e s s 格式的数据库， 并提供强大的数据存储和检索功能。同时，v i s u a lb a s i c 还能直接编辑 北京交通大学钡：t 论文 和访问其他可支持的外部数据库。 ( 6 ) 动态数据交换( d d e ) 利用动态数据交换( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 技术，可以把一种应 用程序中的数据动态的链接到另一种应用程序中，使两种完全不同的应 用程序可以交换数据、进行通信，在w i n d o w s 环境中为多个应用程序之 间以c 1 i e n t s e r v e r 方式建立起一条动态数据链路。当原始数据变化时， 可以自动更新链接的数据。v i s u a lb a s i c 提供了动态数据交换的编程技 术，可以在应用程序中实现与其他w i n d o w s 应用程序的动态数据交换， 从而实现不同应用程序之间的通信。 ( 7 ) 对象的链接与嵌入( o l e ) 对象的链接与嵌入( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d i n g ) 将每个应用程 序都看作几个对象( o b j e c t ) ，将不同的对象链接( l i n k ) 起来，再嵌入 ( e m b e d ) 某个应用程序中，从而可以得到具有声音、摄影、图像、动画、 文字等各种信息的集合式文件。o l e 文件把多个应用程序合为一体，将每 个应用程序看作一个对象进行链接和嵌入，是一种应用程序一体化的技 术。利用o l e 技术，可以方便地建立复合式文档( c o m p o u n dd o c u m e n t ) ， 这种文档由来自多个不同应用程序的对象组成，文档中的每个对象都与 原来的应用程序相联系，并可执行与应用程序完全相同的操作。 ( 8 ) 动态链接库( d l l ) v i s u a lb a s i c 是一种高级程序设计语言，不具备低级语言的功能， 访问机器硬件的操作不太容易实现。但它可以通过动态链接库( d y n a m i c l i n k i n gl i b r a r y ) 技术将c c + + 或汇编语言编写的程序加入到v i s u a l b a s i c 应用中，可以像调用内部函数一样调用其他语言编写的函数。此外， 通过动态链接库，还可以调用w i n d o w s 应用程序接口( a p i ) 函数，实现 北京交通大学硕士论文 s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，软件开发工具包) 所具有的功能。 3 2 上位机监控界面设计 3 21 人机界面的设计框架 一个应用系统所要完成的任务，以及所具备的功能是由用户的要求 决定的，而系统的功能则是通过窗体设计实现的。系统的主控界面即主 窗体尤其要体现系统总体的功能。图3 1 为监控系统的主界面的设计框 架。 热网首站微机监控系统 日 = b j l 廿 管 理 用 户 管 理 用l 户ll 修 信ll 改 息ll 密 管ll 码 理l 实 时 数 据 显 不 板 卡 通 信 模 块 送 数 据 模 块 收 数 据 模 块 历 史 数 据 查 询 系i 统i i 报 帮li 警 助l | 信 信l i 息 息l 图3 1 热网首站监控系统上位机界面设计框架 f i g u r e3 1h m id e s 姗o f h e a t i n gn e t l o r kc h i e fs t a t i o nm o n i t o 血gs y s t e m 3 2 2 人机界面设计 根据热网首站监控系统上位机界面的设计框架，本文设计的主界面 2 1 北京交通大学硕l 论文 如图3 2 所示： 图3 2 热网首站监控系统上位机主界面 f 垃u 陀3 2m a i nh m io fh e a n gn e t w o r kc h i e fs t a t i o nm o n i t o i i n gs y s l e m 图3 3 上位机程序界面菜单项 f i g u r e3 3m e n uo f h o s tc o m p u t e rh m i 监控软件具有如下的功能： ( 1 ) 用户登录及管理功能 为保证系统运行的安全性，任何用户在使用、进入本系统前，必须 要凭用户名和密码进行登录。并按不同的权限分为系统管理员及系统操 作员。系统管理员可以进行增加用户、删除用户及修改口令等相关管理 北京交通大学硕士论文 操作。图3 4 为用户登录界面。图3 5 为用户管理界面。 图3 4 用户登录界面 f i g u r e3 4u s e r l o g g i n gi nh m i 图3 5 用户管理界面 f i g u r c3 - 5u s e rm a n a g e m e n th m i ( 2 ) 日志管理功能 通过显示记录信息功能可以查看本系统的历史使用情况，可以得知 “哪个用户在什么时间利用本系统进行了什么操作”。还可以清除记录信 息。 ( 3 ) 参数显示功能 图3 6 用于实时显示首站运行的参数。 北京交通大学硎： 论文 图3 6 实时运行参数界面 f i g u r e3 - 6r e a it i m eo p e r a t i o np a r a m e t e f ( 4 ) 板卡通信功能 用于设置通信板卡的波特率、向下位机传送的c a n 节点数据以及 接收下位机上传的数据。系统稳定后，c a n 参数如波特率、帧格式、滤 波方式、接收码和屏蔽码等属性，一般不允许改动。如果系统总线错误 后重新恢复，通信板卡不工作，可通过“复位c a n ”按钮进行复位。本 系统与c a n 协议转换卡采用串口通信的方式进行连接，上位机需要设置 其串口参数以及与下位机进行c a n 通信的数据。图3 7 为通信界面示 意图。 北京交通大学硕士论文 图3 7 通信界面示意图 f i g u r e3 7s k e t c hm a p0 fc o m m u n i c a i i o nh m i ( 5 ) 历史数据显示功能 用于历史数据的查询和存储，包括接收或发送的时间、数据、帧i d 等。图3 8 为部分历史数据示意图。 北京交通大学硕士论文 图3 8 历史数据查询示意图 f i g i l r e3 8s k e t c hm a po f h i s t o r yd a t aq u e r y ( 6 ) 故障报警功能 对于通信、参数设置以及现场测控器发出的报警信息进行存储，同 时进行相应的处理以保障系统的安全运行。图3 9 为报警信息示意图 图3 9 报警信息示意图 f i g u r e3 - 9s k e t c hm 叩