1、第26卷第4期江蘇船舶Vol .26No .42009年08月J I A NGS U SH I P Aug .2009G D I +和.NET 技術在機艙自動化監控系統中的應用牟罕勇,張禮貴(南京市船舶檢驗局,江蘇南京210000 摘要:利用最新的.NET 技術建立了船舶機艙自動化監控系統方案,介紹了系統的基本組成、功能以及軟硬件的設計和實現,并利用G D I +技術繪制機艙運行參數趨勢圖。本系統實現了對船舶運行狀況的遠程監控和故障診斷,大大提高了船舶航行的安全性和自動化水平。關鍵詞:機艙監控;G D I +;.NET;趨勢圖中圖分類號:U664.82文獻標識碼:A0引言船舶自動化和計算機技術

2、的廣泛應用,使船舶向著高度自動化的方向發展1 。在船舶自動化中,機艙自動化是整個船舶自動化中最重要的一個環節,也是船舶制造業發展的總趨勢。傳統的C /S (瀏覽器/服務器模式的監控系統,一般只能在單臺計算機上運行,要實現多臺計算機同時監控,就需要專門開發客戶端軟件,這樣勢必會增加軟件開發和維護的困難。本文采用全新的.NET 為開發環境,C #作為主要開發語言,利用高度發達的I nternet 和.NET 技術,建立了B /S 結構的船舶機艙自動化監控系統,并利用最新的G D I +繪圖技術繪制機艙參數的曲線趨勢圖。其主要優點是所有事務邏輯在服務器端實現,客戶端只需安裝瀏覽器,通過在I E 地址

3、欄輸入URL 地址即可實現對該系統的訪問,實現了客戶端零維護,同時還保證了數據的一致性和安全性,大大方便了程序的升級和維護。1系統總體設計1.1硬件組成本系統主要由數據采集分析模塊、數據庫、W eb 服務器、客戶端瀏覽器組成。數據采集模塊與分布在船上各需要監控部件上的傳感器相連,采集各個部件的工作參數。對采集來的信號進行相應處理、轉換后,經由網絡與服務器通信,進行數據的交換并存儲在數據庫中。數據庫中存儲機艙各部件的工作參數及報警信息,以備客戶端的查詢、打印等。W eb收稿日期:2009-06-25作者簡介:牟罕勇(1973-,男,南京市船舶檢驗局工程師,主要從事船舶檢驗及審圖;張永貴(1982

4、-,男,南京市船舶檢驗局助理工程師,主要從事船舶檢驗工作。服務器根據客戶端瀏覽器發送來的HTTP 請求,進行相應操作并將相應數據回傳給客戶端。客戶端瀏覽器通過網絡瀏覽運行在W eb 服務器端的程序,實現對機艙各監控部件的實時工作情況監控。系統組成示意圖如圖1所示。圖1系統總體組成示意圖系統設計時在機艙監控室專門設置了機艙監控臺,作為機艙監控的硬件載體。機艙監控臺配置了1臺工控機用于船舶運行參數的采集、處理和顯示,為保證工控機在失電情況下可以繼續運行,工控機配UPS (不間斷電源。機艙監控臺配1臺打印機。工控機與數據采集模塊間的通訊是通過T CP /I P 協議完成的,工控機及數據采集模塊均設定

5、了I P 地址,通過交換機組成基于TCP /I P 的局域網。工控機可以通過局域網訪問數據采集模塊的以太網端口讀取監測數據。傳感器所輸出的模擬量經過32位的A /D 轉換寫入模塊特定寄存器中,局域網中的工控機可以通過調用模塊所提供的動態鏈接庫(DLL 程序,訪問模塊的接口,按一定順序讀取所需數據。對于開關量的數據,本模塊支持開關量的輸入/輸出,數據的讀取與輸出同樣可以通過調用動態鏈接庫程序實現,但是輸出時的電流較小,需要外加驅動(一般為DC24V 。第4期牟罕勇等:G D I +和.NET 技術在機艙自動化監控系統中的應用33數據采集模塊負責信號的采集、轉換以及信號的輸入/輸出,經由局域網與計

6、算機通訊進行網絡數據交換,最后由計算機監控軟件完成各項監控功能。其中的模擬量需要進行A /D 轉換,開關量則需要進行編碼。工控機將所接收到的信號經過處理后存儲在數據庫中,而發現有故障產生時通過數據采集模塊驅動設備控制接口提供聲光報警等措施。系統采集部分硬件組成示意圖如圖2所示。 圖2數據采集部分硬件組成圖 本系統監控參數數量有近40個模擬量輸入和近60個開關量輸入,每秒鐘需要對所有運行參數采樣2次,每次根據讀取I P 地址的不同分為2個讀取過程,每個模擬量采樣數據占用2個字節,8個開關量采樣數據占用1個字節,所以實際每個數據采樣周期中需要傳輸的數據量小于0.1kb,每秒鐘的數據傳輸則應小于0.

7、2kb /s,相對于十兆以太網來說網絡負載是很小的。而且該模塊還可以根據網絡環境的變化將傳輸速率在10Mb /s 100Mb /s 之間自動切換,保證了較高的網絡數據傳輸速度,進而保證了系統對船舶運行狀態監控的實時性。1.2軟件設計本系統軟件設計采用模塊化程序設計思想。通過劃分功能模塊,設計各個模塊之間的數據流向,以保持良好的可讀性、可移植性和可擴充性。根據軟件功能的不同主要劃分為數據采集模塊、查詢模塊、監控模塊、管理功能模塊、趨勢圖模塊、故障診斷模塊及其他功能模塊。本系統所有事務邏輯在服務器端實現,客戶端只需安裝瀏覽器,通過在I E 地址欄輸入URL 地址即可實現對該系統的訪問,實現了客戶端

8、零維護,同時還保證了數據的一致性和安全性,大大方便了程序的升級和維護。系統的結構采用了三層結構設計思想。三層結構:即數據層、業務邏輯層和表示層2。表示層:處理應用程序的界面操作,負責處理客戶的輸入和向客戶輸出。業務邏輯層:也叫事務邏輯層或中間層,這層封裝了應用程序的商務邏輯。數據層:主要是用來訪問數據庫的。呈現在終端客戶面前的就是表示層,通過表示層,用戶可以方便直觀地監控機艙的各運行參數,查詢各部件的歷史數據、故障數據和報警數據。業務邏輯層主要根據用戶的請求對數據層進行操作,并把結果返回給用戶。數據層主要是用來訪問數據庫的。每一層都只能和它的直接相鄰層通信。表示層只能和業務邏輯層通信,業務邏輯

9、層只能和數據層通信。采用分層結構設計,各層之間層次清楚,功能明確,易于擴充和維護。本系統中三層協作流程圖3所示。圖3三層結構協作關系圖本系統的操作是以數據庫為基礎的,如數據查詢、故障診斷、趨勢圖查詢等,因此數據庫在本系統中占據著重要地位。經過比較選擇,系統使用S QL Server 2000作為數據庫工具3。本系統數據庫中設有日常數據庫、報警數據庫、故障診斷庫、標準參照庫、報警閾值庫和考勤庫等。日常數據庫中存儲機艙內監控數據的運行記錄,本系統一共對機艙內主機、發電機、離合器、舵槳、跳板共37個模擬量參數進行記錄。數據庫與其他模塊間的關系見圖4。圖4數據庫與其他模塊間的關系2.NET 技術的應用

10、2.1.NET 技術在查詢模塊中的應用本系統中與數據庫的動態交互主要應用了ADO.NET 技術4。與使用面向連接的數據庫訪問技術ADO 相比,ADO.NET 與ADO 最大不同之處在于它提供了面向非連接的數據庫訪問技術,從而避免了多用戶訪問中維持多個數據連接狀態的管理,特別適合于W eb 系統中數據庫訪問的不確定性(訪問的偶然性、訪問時間長短的不可知性、訪問人數多少的不可預見性。ADO.NET 的體系結構示意圖如圖5所示。從圖中可以看出,ASP .NET 網頁對于已連接數34江蘇船舶第26卷據庫的訪問可以有兩種連接途徑,一種是以流方式從數據源讀取(DataReader 方式,一種是通過Data

11、 2Set 來隔離異構的數據源的訪問方式。 圖5ADO.NET 體系結構圖DataReader 對象是用來讀取數據庫的最簡單方式,但是它只能讀取,不能寫入,并且是從頭至尾往下讀的,無法只讀某條數據。DataSet 對象中的數據可以被插入、更新和刪除并且該對象能夠保存任何修改的細節。DataSet 訪問數據庫。2.2GD I +繪圖技術繪制動態趨勢圖對于W eb 化的監控系統,不僅要求其能提供各種數據報表,同時還要求提供各種趨勢曲線的分析畫面,這樣可以給人以更加形象直觀的印象。本系統提供主機、發電機等主要動力裝置的轉速、滑油溫度、壓力等18個主要參數的歷史及實時趨勢圖的繪制。操作者在進入到本功能

12、頁面后首先選擇所要查看部件曲線的日期,系統會將當天所有的記錄按照時間順序依次綁定到相應的下拉列表框,然后選出所需繪制曲線的時間段,根據所選時間段之間的記錄值,繪出相應的趨勢曲線,最后在屏幕輸出顯示。如果需要,可以將該曲線圖以X ML 格式存入數據庫中,供以后再次查看。該功能可繪制任何時段內的趨勢曲線。本系統中主要用到的技術為G D I +繪圖技術。G D I +由.NET 基類集組成,這些基類可用于在屏幕上完成定制繪圖,能把合適的指令發送到圖形設備的驅動程序上,確保在監視器屏幕上顯示正確的輸出(或顯示到硬拷貝中。程序基本流程如圖6所示。3系統功能與特點根據要完成的功能的不同,系統可以劃分為:機

13、艙運行監控界面、數據通訊接口模塊、數據庫操作模塊、報警模塊、故障診斷模塊和其他功能模塊。(1機艙狀況監控界面:圖形化顯示各重要設備運行狀況,直觀、簡便。該頁面和實時數據庫相連,可對機艙內各重要設備運行狀況的實時監控。(2數據采集模塊:負責信號的采集、轉換以及信號的輸入/輸出,經由局域網與計算機通訊,最后由計算機軟件處理,存入實時數據庫。圖6程序基本流程圖(3查詢模塊:主要根據查詢項目和查詢時間,動態提供各重要參數的歷史值查詢。(4監控模塊:不停地從實時數據庫中取得實時數據,動態顯示各設備的運行參數,通過監控界面,實時了解各設備的運行狀況。(5管理功能模塊:管理授權用戶的登陸,高級權限的用戶可以擁有一般用戶所沒有的權限,如進行報警參數的設定操作等。(6趨勢圖模塊:根據所選日期和時間段,動態顯示任意時間內的趨勢曲線。(7故障診斷模塊:建立一個智能診斷系統對機艙各部件進行故障診斷,實時檢測出系統發生的故障,并對故障原因、故障頻率和故障的危害程度進行分析、判斷,得出結論,給出必要的解決措施。(8其他功能模塊:包括報表的生成和打印、對數據庫管理、幫助等信息。4結語本文主要運用.NET 技術和面向對象的C#編程語言建立了船舶機艙自動化監控系統并用G D I +繪圖技術繪制機艙參數的曲線趨勢圖,實現了對各種監測對象的實時監控,并具有實時故障診斷,歷史記錄可查詢、打印,數據災難可恢復,易于升級