一種網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)油罐群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

在我國(guó)石油、化工、軍事、能源等領(lǐng)域現(xiàn)有各類型儲(chǔ)油罐數(shù)萬(wàn)個(gè)，而且隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，其數(shù)量也呈持續(xù)上升趨勢(shì)。其中，大部分油罐均為人工手動(dòng)計(jì)量，效率低，誤差大，制約了儲(chǔ)油罐群自動(dòng)化管理水平的提高。管理自動(dòng)化：由人與計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)備和管理控制對(duì)象組成的人機(jī)系統(tǒng)，核心是管理信息系統(tǒng)。管理自動(dòng)化采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)和智能終端構(gòu)成計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制與最優(yōu)管理的目標(biāo)。大量信息的快速處理和重復(fù)性的腦力勞動(dòng)由計(jì)算機(jī)來完成，處理結(jié)果的分析、判斷、決策等由人來完成，形成人、機(jī)結(jié)合的科學(xué)管理系統(tǒng)。工廠或事業(yè)單位的人、財(cái)、物、生產(chǎn)、辦公等業(yè)務(wù)管理自動(dòng)化，是以信息處理為核心的綜合性技術(shù)，涉及電子計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)與控制等學(xué)科。一般采用由多臺(tái)具有高速處理大量信息能力的計(jì)算機(jī)和各種終端組成的局部網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)代已在管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制出決策支持系統(tǒng)（DSS），為高層管理人員決策提供備選的方案。 對(duì)社會(huì)的影響 自動(dòng)化是新的技術(shù)革命的一個(gè)重要方面。自動(dòng)化技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣，對(duì)人類的生產(chǎn)、生活等方式將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。生產(chǎn)過程自動(dòng)化和辦公室自動(dòng)化可極大地提高社會(huì)生產(chǎn)率和工作效率，節(jié)約能源和原材料消耗，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，改進(jìn)生產(chǎn)工藝和管理體制，加速社會(huì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革和社會(huì)信息化的進(jìn)程。

2.系統(tǒng)的功能與體系結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)需要能對(duì)各儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和控制。

對(duì)每一個(gè)油罐需采集的參數(shù)有：油品的界面（液位）、溫度（罐內(nèi)油品在任何界面時(shí)的上、中、下三點(diǎn)溫度值）、油泵的進(jìn)口和出口壓力和油泵的主軸溫度；

對(duì)每一個(gè)油罐需控制和調(diào)節(jié)的參數(shù)有：油泵的進(jìn)口壓力、油泵的出口壓力。

能通過上位機(jī)（IPC）進(jìn)行集中的監(jiān)控管理。

能通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

2.2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的底層采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)完成現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控任務(wù)。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

監(jiān)控機(jī)根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)CAN總線進(jìn)行監(jiān)視管理；

數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)從底層控制系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)、并向系統(tǒng)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)以及對(duì)進(jìn)行各種計(jì)算直接產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和歸檔。

Web服務(wù)器是一個(gè)基于Internet的超文本分布信息系統(tǒng)。對(duì)于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程客戶需要通過Internet/Intranet訪問服務(wù)器端。如今，主要有兩種訪問模式，即B/S和C/S模式。本文中系統(tǒng)的頂層采用基于瀏覽器的客戶端/服務(wù)器B/S（Browser/Server）通信方式?；赪eb的CAN網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)油罐群遠(yuǎn)程監(jiān)控系體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

3.1 基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的底層網(wǎng)絡(luò)方案

目前對(duì)于油罐參數(shù)的采集與傳送主要通過RS-485 網(wǎng)絡(luò)來完成，其檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、錯(cuò)誤定位能力弱，無總線脫離功能。而CAN（Controller Area Network）是一種應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線，它以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測(cè)、鏈路維護(hù)等問題，允許多主存在。適合于熱插拔，高速、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力、良好的EMC特性。CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差；

對(duì)一個(gè)大型儲(chǔ)液罐群來說，要構(gòu)成基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)，其檢測(cè)過程變量的變送器和相關(guān)的執(zhí)行器必須是具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的儀表，其費(fèi)用很高。本文采用設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線智能I/O的方法，將該智能I/O作為現(xiàn)場(chǎng)總線上的智能接點(diǎn)，將常規(guī)變送器和執(zhí)行器連入現(xiàn)場(chǎng)總線，具有很高的性價(jià)比。

3.2 CAN智能I/O的設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)上信息的接收和發(fā)送站，本設(shè)計(jì)采用由獨(dú)立的通信控制芯片與單片機(jī)接口構(gòu)成的智能節(jié)點(diǎn)。CAN總線智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)包括：A/D和D/A轉(zhuǎn)換部分、看門狗硬件電路、CAN總線通信接口，其主要硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

油罐的油位、油溫和油泵的進(jìn)/出口壓力以及油泵的主軸溫度由變送器進(jìn)行測(cè)量，其輸出信號(hào)經(jīng)過多路復(fù)用、A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，輸出控制每個(gè)油泵和調(diào)節(jié)其進(jìn)口和出口壓力的信息由單片機(jī)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵是CAN總線通信接口程序，其主要功能是將采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，通過定時(shí)中斷發(fā)送到Web服務(wù)器端，同時(shí)通過接收中斷接收處理來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)查詢、設(shè)置命令和控制命令。CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

命令碼主要體現(xiàn)在ID標(biāo)識(shí)符上，由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)幀格式發(fā)送CAN信息幀，因此，ID標(biāo)識(shí)符為11位。其結(jié)構(gòu)如下：ID0～I(xiàn)D5表示大型儲(chǔ)液罐群罐號(hào)，如“000000”為“1”號(hào)罐；ID6～I(xiàn)D8表示大型儲(chǔ)液罐群的被控量；ID9～I(xiàn)D10表示命令字，如“10”為設(shè)置命令，“11”為控制命令。

程序主要包括初始化程序、接收處理程序和發(fā)送處理程序。其重點(diǎn)和難點(diǎn)是SJA1000的初始化，包括工作方式的設(shè)置、接收濾波的設(shè)置、接收屏蔽寄存器（AMR）和接收代碼寄存器（ACR）的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷使能寄存器的設(shè)置等。

現(xiàn)場(chǎng)控制模塊數(shù)據(jù)的收發(fā)是大量的，也是實(shí)時(shí)性需要的，但是在遠(yuǎn)程機(jī)上的控制通常只是常規(guī)的監(jiān)視和調(diào)整，不需要太高的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也為了網(wǎng)絡(luò)的暢通，上位機(jī)與遠(yuǎn)程機(jī)上的同步數(shù)據(jù)刷新率不必設(shè)的太高，一般可以設(shè)置為采樣多個(gè)數(shù)據(jù)后一次性發(fā)送。

4 系統(tǒng)的中間層設(shè)計(jì)

中間層是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)處理、管理及監(jiān)控等功能，由CAN總線的網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫(kù)和WEB服務(wù)器組成。

4.1 監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)

監(jiān)控單元由含CAN適配卡的工控機(jī)（上位機(jī)）和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序組成。上位機(jī)通過CAN總線智能適配卡PCI-5110與CAN總線進(jìn)行通信。本程序采用C++Builder編寫，有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，方便操作人員使用。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 7.0, 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)從底層控制系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)、向系統(tǒng)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)以及對(duì)進(jìn)行各種計(jì)算直接產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和歸檔，實(shí)現(xiàn)控制程序、罐群基本信息和監(jiān)控信息等的管理功能。它包括當(dāng)月數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和儲(chǔ)罐容積表數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)月數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)超過規(guī)定的時(shí)間后就會(huì)自動(dòng)地轉(zhuǎn)存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.2 Web服務(wù)器的建立

WebSnap是C++ Builder 6.0最新的WebApplication開發(fā)架構(gòu)，使用WebSnap不象Web Service那樣需要熟悉套接字Socket，并且在編寫服務(wù)器或客戶應(yīng)用程序前也無須了解應(yīng)用程序要提供或使用的服務(wù)，可進(jìn)行WEB快速應(yīng)用開發(fā)。WebSnap在開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序方面有強(qiáng)勁的功能，其ADO數(shù)據(jù)庫(kù)連接控件具有很好地連接各種數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。

WebSnap有以下特征：支持CGI（Common Gateway Interface）Web服務(wù)器應(yīng)用程序、支持對(duì)客戶請(qǐng)求的多線程處理、提供Web模塊的緩存技術(shù)以便更快地對(duì)用戶消息進(jìn)行響應(yīng)、支持交叉平臺(tái)WebSnap把B/S應(yīng)用的開發(fā)代入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，真正做到了零客戶端配置。

4.3 中間層軟件設(shè)計(jì)

中間層的主要功能是：對(duì)來自底層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取、分解（解析）、運(yùn)算處理（包括對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)），并且響應(yīng)來自上層的客戶請(qǐng)求，對(duì)該請(qǐng)求分析處理后轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的信息給底層，以達(dá)到對(duì)底層的監(jiān)視和控制。其系統(tǒng)軟件應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CAN適配卡的控制程序模塊將來自CAN適配卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以及把來自Web服務(wù)器應(yīng)用程序傳遞來的信息進(jìn)行處理并向CAN適配卡發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)；Web服務(wù)器應(yīng)用程序模塊：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的全局調(diào)度，接收客戶端請(qǐng)求并響應(yīng)，它擔(dān)當(dāng)著對(duì)客戶控制命令的下傳和對(duì)上傳數(shù)據(jù)信息的處理；而Windows消息處理模塊則建立了Web服務(wù)器應(yīng)用程序和基于CAN適配卡的控制程序的一種溝通機(jī)制。

其中，Web服務(wù)器應(yīng)用程序編程使整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。在WebSnap中，可以創(chuàng)建五種標(biāo)準(zhǔn)類型的Web服務(wù)器應(yīng)用程序，它們是ISAPI和NASPI類型、獨(dú)立于操作系統(tǒng)的CGI類型、獨(dú)立于操作系統(tǒng)的WinCGI類型、Apache類型和Web服務(wù)器應(yīng)用程序調(diào)試器類型。為了方便調(diào)試服務(wù)器應(yīng)用程序起見，我們采用了Web服務(wù)器應(yīng)用程序調(diào)試器類型。

由于WebSnap具備了嵌入腳本的能力，因此我們采用Dreamweaver來制作HTML頁(yè)面文件并將其作為模板集成到C++ Builder的Web服務(wù)器應(yīng)用程序中，構(gòu)成一個(gè)完美的服務(wù)器網(wǎng)站。WebSnap應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接主要通過ADO組件技術(shù)和SQL。在WebSnap應(yīng)用程序的主窗體上嵌入ADOConnection組件，使WebSnap應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)總保持邏輯連接[6]。

5 數(shù)據(jù)交互路徑

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向大體可分為上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)就是從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器，下行數(shù)據(jù)就是服務(wù)器接收來自客戶瀏覽器的命令請(qǐng)求下傳到相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

5.1 下行數(shù)據(jù)

當(dāng)遠(yuǎn)程客戶通過身份（用戶名和口令）驗(yàn)證進(jìn)入控制主頁(yè)時(shí)，選擇任務(wù)，如“關(guān)閉1號(hào)儲(chǔ)液罐進(jìn)油閥”，點(diǎn)擊提交按鈕，這樣服務(wù)器便接收來自客戶瀏覽器的控制命令請(qǐng)求。客戶瀏覽器把地址欄中的URL內(nèi)容傳給了Web服務(wù)器，將URL 第二部分服務(wù)器名（192.168.1.238:1024）解碼與Web服務(wù)器相連，Web服務(wù)器應(yīng)用程序通過WebDispatcher將URL 第四部分路徑名（Command）解析，從它的動(dòng)作項(xiàng)列表中選取【PathInfo】屬性值與Command相同的動(dòng)作項(xiàng)。該動(dòng)作項(xiàng)觸發(fā)其對(duì)應(yīng)的頁(yè)面制作器PageCommand。如果沒有找到匹配的動(dòng)作項(xiàng)，WebDispatcher將調(diào)用默認(rèn)的動(dòng)作項(xiàng)。PageCommand的屬性【HTMLFile】標(biāo)記著對(duì)應(yīng)的HTML文件地址，其事件屬性【OnHTMLTag】標(biāo)記著PageCommandHTMLTag。當(dāng)關(guān)閉1號(hào)儲(chǔ)液罐進(jìn)油閥事件被觸發(fā)時(shí)，頁(yè)面制作器PageCommand開始構(gòu)造HTML頁(yè)面，當(dāng)發(fā)現(xiàn)透明書簽〈＃IsIn進(jìn)油閥〉（HTML文件代碼中）時(shí)，用相應(yīng)的解析函數(shù)PageCommandHTMLTag中的替換文本替代。與此同時(shí)，我們?cè)诮馕龊瘮?shù)PageCommandHTMLTag中自定義Windows消息（關(guān)閉1號(hào)進(jìn)油閥）并且發(fā)送它，當(dāng)基于CAN適配卡的控制程序截獲這個(gè)消息時(shí)，把關(guān)閉1號(hào)進(jìn)油閥編制成命令碼“1101100000”封裝成CAN信息幀數(shù)組的結(jié)構(gòu)成員ID發(fā)送到CAN適配卡。經(jīng)CAN適配卡（轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式）傳到CAN總線時(shí)，經(jīng)驗(yàn)收碼和屏蔽碼辨別，被CAN總線智能節(jié)點(diǎn)1接收，表明要控制的對(duì)象是1號(hào)大型儲(chǔ)液罐。

遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的命令窗口如圖4所示。

5.2 上行數(shù)據(jù)

上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)流程的原理基本相同。從現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)液罐群被控量中采集來的數(shù)據(jù)，經(jīng)各個(gè)CAN總線智能節(jié)點(diǎn)處理后定時(shí)發(fā)到CAN總線上，經(jīng)CAN適配卡進(jìn)入PC機(jī)，基于CAN適配卡的控制程序模塊把CAN信息幀數(shù)組（VCI_CAN_OBJ結(jié)構(gòu)體類型）中的成員ID標(biāo)識(shí)符提取出來分解，分別把分解得到的罐號(hào)和其它被控量存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前是一個(gè)構(gòu)筑在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的信息化時(shí)代。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于將Web技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的結(jié)合，通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的完全融合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐群的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制與管理，具有一定的先進(jìn)性與優(yōu)越性。