基于Web的網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)油罐群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

．引言
在我國石油、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。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。對一個(gè)儲(chǔ)油設(shè)備來說，連續(xù)的壓力和溫度監(jiān)測十分重要。隨著社會(huì)的發(fā)展，要求操作員必需能夠從中央控制室綜合監(jiān)測油品的界面(液位)、溫度，并能控制每個(gè)油泵和調(diào)節(jié)其進(jìn)口和出口壓力,另外在超出報(bào)警限時(shí)應(yīng)報(bào)警并采取相關(guān)的措施，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)處在較高的安全水平上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)油罐群網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文從儲(chǔ)油罐群的網(wǎng)絡(luò)化出發(fā)，利用現(xiàn)場總線和Web應(yīng)用的優(yōu)勢，提出基于Web的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制與信息系統(tǒng)模型，以Web應(yīng)用的形式，建立一種可行的油罐群系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的融合，使管理決策人員能夠隨時(shí)了解、管理儲(chǔ)罐的運(yùn)行和生產(chǎn)，對提高儲(chǔ)油罐群自動(dòng)化管理水平具有較大的實(shí)用價(jià)值[1]。
2．系統(tǒng)的功能與體系結(jié)構(gòu)
2.1  系統(tǒng)功能
系統(tǒng)需要能對各儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和控制。
對每一個(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)場的測控任務(wù)。中間層是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，由CAN總線的網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)器組成。上位機(jī)IPC不但作為現(xiàn)場總線的監(jiān)控機(jī)，還安裝有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、遠(yuǎn)程測控的WEB服務(wù)器。
監(jiān)控機(jī)根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)對整個(gè)CAN總線進(jìn)行監(jiān)視管理；
數(shù)據(jù)庫負(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)以及對進(jìn)行各種計(jì)算直接產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，并對歷史數(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)。對于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程測控系統(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。B/S方式不需要客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的存取和復(fù)雜的計(jì)算，只是通過瀏覽器顯示，因而大大降低了客戶端的要求[2]?；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。
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3 系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
3.1  基于CAN現(xiàn)場總線的底層網(wǎng)絡(luò)方案
目前對于油罐參數(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、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。本文采用CAN作為底層信息的傳輸媒介，通過總線接口電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制指令和狀態(tài)信息的傳送，形成總線式的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性較高等特點(diǎn)[3]。
對一個(gè)大型儲(chǔ)液罐群來說，要構(gòu)成基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，其檢測過程變量的變送器和相關(guān)的執(zhí)行器必須是具有現(xiàn)場總線接口的儀表，其費(fèi)用很高。本文采用設(shè)計(jì)現(xiàn)場總線智能I/O的方法，將該智能I/O作為現(xiàn)場總線上的智能接點(diǎn)，將常規(guī)變送器和執(zhí)行器連入現(xiàn)場總線，具有很高的性價(jià)比。這種開放式的分布式智能感知與控制系統(tǒng)，可以在線識(shí)別、在線編程與即插即用。[!--empirenews.page--]
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)。本設(shè)計(jì)中采用ATEM公司的單片機(jī)AT89S52(具有下載軟件的功能及輔助接口)，SJA1000可以完成CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有協(xié)議功能，它和高速光電隔離電路6N137以及CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250構(gòu)成了與CAN總線相連的通道[4]。
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。
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，如“000～100”分別為液位、溫度、重量、進(jìn)油閥和出油閥；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[5]。
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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)以及對進(jìn)行各種計(jì)算直接產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，并對歷史數(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、歷史數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫和儲(chǔ)罐容積表數(shù)據(jù)庫。當(dāng)月數(shù)據(jù)庫中的數(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)庫中。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，操作員在輸入正確密碼后，可根據(jù)需要對各種數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢、刪除、保存或打印等操作。
 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)庫應(yīng)用程序方面有強(qiáng)勁的功能，其ADO數(shù)據(jù)庫連接控件具有很好地連接各種數(shù)據(jù)庫的功能。
WebSnap有以下特征：支持CGI（Common Gateway Interface）Web服務(wù)器應(yīng)用程序、支持對客戶請求的多線程處理、提供Web模塊的緩存技術(shù)以便更快地對用戶消息進(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。[!--empirenews.page--]
4.3  中間層軟件設(shè)計(jì)
中間層的主要功能是：對來自底層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取、分解（解析）、運(yùn)算處理（包括對數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)），并且響應(yīng)來自上層的客戶請求，對該請求分析處理后轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的信息給底層，以達(dá)到對底層的監(jiān)視和控制。其系統(tǒng)軟件應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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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，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，接收客戶端請求并響應(yīng)，它擔(dān)當(dāng)著對客戶控制命令的下傳和對上傳數(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。它可以利用本地機(jī)虛擬的Web服務(wù)器所開發(fā)的應(yīng)用程序結(jié)合到一起運(yùn)行并通過C++ Builder強(qiáng)大的調(diào)試功能，方便地發(fā)現(xiàn)程序中存在的邏輯錯(cuò)誤。
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求下傳到相應(yīng)的現(xiàn)場設(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求?？蛻魹g覽器把地址欄中的URL（http://192.168.1.238:1024/chuyeguan.LhjSnap/Command）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)其對應(yīng)的頁面制作器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)，頁面制作器PageCommand開始構(gòu)造HTML頁面，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)，我們在解析函數(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，表明要控制的對象是1號(hào)大型儲(chǔ)液罐。與此同時(shí)，CAN控制器產(chǎn)生接收中斷，單片機(jī)把ID分解后知道被控量是進(jìn)油閥，然后運(yùn)行關(guān)閉進(jìn)油閥子程序滿足該控制要求，經(jīng)執(zhí)行器執(zhí)行關(guān)閉進(jìn)油閥命令。至此，客戶瀏覽器把控制命令下傳給了1號(hào)大型儲(chǔ)液罐進(jìn)油閥。[!--empirenews.page--]
遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的命令窗口如圖4所示。
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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（即命令碼）提取出來分解，分別把分解得到的罐號(hào)和其它被控量（如液位、溫度等）存到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)客戶瀏覽器請求查看某一罐號(hào)在某一時(shí)間的某個(gè)被控量狀態(tài)時(shí)，Web服務(wù)器應(yīng)用程序接受請求，經(jīng)動(dòng)作項(xiàng)分發(fā)給某個(gè)頁面制作器，調(diào)出相應(yīng)頁面并到數(shù)據(jù)庫中取出所請求的內(nèi)容，接著返回給客戶瀏覽器。
6  結(jié)束語
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[7]。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于將Web技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)的結(jié)合，通過現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)場設(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。實(shí)踐證明，儲(chǔ)油罐群的網(wǎng)絡(luò)控制與管理廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品等行業(yè)，基于INTERNET技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)分布式儲(chǔ)油罐群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為用戶帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。