（电力电子与电力传动专业论文）基于bs的起重船舶远程监控系统的研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文基于b ，s 的起重船舶远程监控系统的研究 a b s t r a c t w mt h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n i c a l i n t e r n e tt e c h n i q u eh a s a l r e a d yp e n e t r a t e dt oe a c hf i e l do ft h ed a i l yl i f ea n dt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n i t p r o v i d e st h ec o m m u n i c a t i o nw a y , w h i c hm a k et h er e m o t em o n i t o r i n g ，a n d c o n t r o lo ft h er u n n i n go fe q u i p m e n tp o s s i b l e t h r o u g ht h er e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h et e c h n i c a lo p e r a t o rn e e d n tt oa t t e n dp e r s o n a l l yo rt o b ei nt h ee n v i r o n m e n t t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u ei sv e 吖 u s e f u li nt h es h i pa r e a b a s e do nt h ee x i s t i n gs o f ta n dh a r d w a r er e s o u r c eo ft h e “q z lh ”a n dt h e c o m p a n yo nt h el a n d ，t h em a i nt a s ko ft h i sa r t i c l ei ss e tu pas y s t e mt or e m o t e m o n i t o ra n dc o n t r o lt h es t a t u so ft h er u n n i n gs h i p p i n ge q u i p m e n t 1 1 1 es y s t e m c a nd i s p l a ya n ds a v eb o t hr e a l - t i m ee q u i p m e n ts t a t u ed a t aa n dh i s t o r y e q u i p m e n ts t a t u ed a t a t h e s ed a t ac a nh e l pt h em a n a g e re v a l u a t et h e e q u i p m e n ta n dm a k ed e c i s i o n t h r o u g hs e tu pt h ef r a m eo fs y s t e ma n d e x p l o i t e dt h es o f t w a r eo ft h el o n g - d i s t a n c ee n do ft h es y s t e m ，t h ea r t i c l e r e s e a r c ht h et e c h n i q u ea n dm e t h o dw h i c hu s et h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lt e c h n i q u eb a s e do nb so nt h ec r a n es h i p t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lt e c h n i q u ea th o m ea n do v e r s e ai nc h a l p t e ro n ea tf i r s t i ta n a l y z e st h e m e a n i n go fu s i n gt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u eo nb o a r d i ta l s o i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h et a s ka n dt h em a i nt a s ko ft h i sa r t i c l e c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h el o c a l i z a t i o no ft r a d i t i o n a lc sm o d ea n dt h e b sm o d eu s e di nt h i st a s k a n di tc o m p a r e st h eb sm o d et oc ，sm o d e a n a l y z e st h ea d v a n t a g eo ft h eb ，sm o d e c h a p t e rt h e r es e t su pc o l l e c t i v i t yf r a m eo ft h es y s t e mb a s e do nt h en e e d o ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo nt h e “q z lh ”，i n t r o d u c e st h em a i np a r t ， f u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n dh a r d w a r es t a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo nt h es h i p a n di nt h ec o m p a n y c h a p t e rf o u rr e s e a r c h e sk e yt e c h n i q u eu s e di nt h es y s t e m ，f o re x a m p l e d y n a m i cw e bt e c h n i q u e ，w e bd bt e c h n i q u e ，r e a l - t i m ed bt e c h n i q u ea n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e 上海海事人学硕上学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 c h a p t e rf i v ee x p a t i a t e so nt h ew a ya n dt h ee f f e c to ft h em a i nf u n c t i o n ， i i k et h ed a t am e m o r y , m o n i t o r e dr e a l - t i m ed a t a ，a n di n q u i r e dt h eh i s t o r yd a t a 。 u s e dt h es e r v e rs o f t w a r eo nt h el o n g d i s t a n c ee n d i ta n a l y z e st h er e a lt i m e r e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，a n dp r o p o s e dt h ew a yt oe n h a n c en e t w o r ks e c u r i t y b a s e do nr i s ko ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，s o m er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sp r o s p e c t e d k e yw o r d ：c r a n es h i p ，r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，b sm o d e ，a s p t e c h n i q u e m 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：改誓 嗍垫里 ：】： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者躲歉笠翩虢 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 第一章绪论 1 1 远程监控技术概述 从上世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活 方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重 要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统的演变，是一个从集中监控向网络 监控的发展历史。早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进 行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监控系统是以监控控制计算 机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成 的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。在现代 企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行 实时检测、监督管理和自动控制。由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、 高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展， 测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统 都是面向单台，或单一类型的设备。 随着生产力的进步，设备的分布越来越离散单一的，各自独立的监控系统己 不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基 础，使系统资源分配趋于合理。但是由于目前运行的绝大多数分布式监控系统还 只是在局域网上，通常的监测仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。 i n t e m e t 能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难 解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。 远程监控是本地计算机通过网络系统如i n t e r n e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和 测控，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能，我们通常把能 够实现远程监控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统。在现场 设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运行状态并进行 有效控制，这就是远程监控技术在工业生产上的需求。 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据 采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大 的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相 上海海事大学硕士学位论文 基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 同；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个 设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶 段，然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网 ( i n t r a n e t ) 。由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监控、维护技术进入了 集成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。 借助于远程监控可以将企业内部的信息网( i n t r a n e t ) 与控制网有效地连接 起来，实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策 略紧密结合，从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网 上知识资源库。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获 得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础：通过远程监控，技术人 员无须亲临现场就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数， 使受过专业训练的人员虚拟地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬 件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工 作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。 目前远程监控系统主要采用3 种模式来实现，即面向c o r b a 技术、客户 机服务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 模式、浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，b s ) 模式。面向a g e n t 的c o r b a 技术是一种跨平台的接l z l 和模型，它与编程语言、 计算机软硬件平台和网络协议无关，但其技术尚处于研究和发展之中；c s 模 式是几年前构成远程监控系统最常用的方式，具有技术成熟、开发便利、响应速 度快、结构灵活等特点；而b s 模式的远程监控系统目前已经相当成熟，b s 结 构提供了一个跨平台的应用环境，实现了开发环境和应用环境的分离，便于系统 的扩展、维护及管理，其前景极其光明。 计算机领域经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其目 标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能 真正进入人们的生活。计算机监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输与控 制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。 目前远程监控与i n t e m e t 技术紧密结合，在t c p i p 协议和w w w 规范的支 持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限 下的所有信息并及时做出响应。 1 2 b s 模式远程监控技术应用 在远程监控诊断领域，美国等发达国家在理论研究及应用上都走在了前面。 2 上海海事大学顾上学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 国外高校、科研机构中，美国密歇根大学是较早开展远程监控诊断研究的学术单 位，主要开展针对机械加工的远程监控诊断和制造系统的研究工作，并在i n t e m e t 上设有宣传站点。许多国际组织如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t o p e ns y s t e m sa l l i a n c e ) ，m f y p ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) ，c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) ， v i b r a t i o ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障监控诊断咨询和技术推广工 作，并制定了一些信息交换格式1 。图1 1 是美国学者s a n d r ae p o i n d e x t e ra n d b o n n i es h e c k 提出的基于b s 模式的实验室监控模型，通过浏览器可以方便地 监控实验室的实验情况，非常适合远程教学模拟实验。 影譬肛蝎 r e m o t e u s e 懈o 蔷掣盐 图1 1 远程实验室连接 澳大利亚对于基于b s 模式的监控系统也进行了系统的研究，南澳洲大学 制造技术研究中心采用i n t e r n e t 为通信媒体，开发了基于b 倍模式的数控中心远 程监控系统，系统原理如图1 2 。 1 一i n t e r n e 1 广一 图1 2 加工中心远程监控系统结构 该系统是利用w w w 浏览器来监视、控制加工中心。操作用户通过填写超 文本的控制、状态表格，提交给服务器后激活w w w 服务器端的c g i ( 公共网 关接口) 程序来控制数控机床的加工。 我国的制造业经过几十年的发展，尤其是上世纪年代末以来的计算机产 业的迅猛发展和普及应用，以及国家8 6 3 高科技发展计划的推动，在许多设备制 造企业进行了以信息技术为基础的改造，己经具备了实现远程监控技术的硬件体 3 上海海事人学硕士学位论文基于b 届的起莺船舶远程监控系统的研究 系基础。在软件方面，实时监控，远程监测，故障诊断等技术都有了一定成果和 经验。然而对于- f l 综合性技术，我国尚未组织企业与研究部门结合并投入较大 力量进行系统研究开发，致使我国远程监控技术研究和应用进展比较缓慢i “。 在国内，由时间分布以及行业分布来看，基于w e b 的远程实时监控诊断系 统的研究始于上世纪末，首先以清华大学为代表，然后各大高校( 上海交大、西 安交大、东南大学等) 以及相关行业的研究院所( 电力、石化、煤炭、环境监测、 气象信息、交通等) 随后开展了相关的研究【3 】而在船舶方面的远程实时监控的 应用也非常广泛。如中国石油大学的梁鸿等人提出的结合g p s 卫星定位技术、 g s m 全球移动通信技术和计算机网络通信技术的油轮实时监控系统，系统总体 结构图如图1 3 所示。此外还有上海交通大学的涂海川提出的船舶远程监控及故 障诊断系统，大连海事大学的吕德明提出的船舶推进动力装置状态监控的网络信 息化，哈尔滨工程大学的杨家龙提出的基于网络环境的舰船机舱动力装置监控系 统等等。 年 c a d s 哩 凰牟圜避翌 监控调度中心 通信服务器 图1 , 3 油轮实时监控系统结构图 1 3 研究b s 模式远程监控技术的意义 监控单元 b s 模式下的远程监控系统是以w e b 作为通信平台的监控系统，w e b 技术以 i t p 技术为基础，具有简单、高效、跨平台等优点，己经成为信息网络的一种 最普遍应用的信息交互平台，由于采用浏览器作为统一的客户端，相对于传统的 客户服务器( c 幅) 模式，它具有许多显著的优点：用户界面一致、友好，方便 了用户的使用；软件的安装、维护和升级容易，客户端只要拥有一个浏览器即可 访问系统：系统具有良好的可扩展性，功能扩展的工作只需在服务器上完成，所 有客户端软件都不需要改动，这些特点正是c s 模式所缺乏的，w e b 技术大大减 少了系统的费用，方便了用户。 4 上海海事大学顼上学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 研究b s 模式下的远程实时监控技术，为船舶远程实时监控的开发做有益的 尝试，具体意义可以归纳如下： 1 b s 模式下的远程实时监控技术可以实现客户端软件零安装，无须其他 软件或插件的支持，所有客户只要利用操作系统的浏览器就可以监控船 舶设备运行状态，方便用户的使用。 2 对于b s 模式下的远程监控，相关管理人员只要具有授权，在公司内部 局域网上任意一台计算机都可完成浏览和监控，甚至可以推广到i n t e r a c t 广域网络，出差在外的人员可以异地监控。 3 b s 模式下的远程实时监控技术可以通过网页链接集成，所有的数据和 软件都在服务器端，升级和维护只在服务器端进行，极大地减低了软件 的升级维护费用。 4 b s 系统的工具简单、界面标准及生动直观，无需花费额外的时间来学 习软件操作，简单的界面替换了以往的软件包，所有的数据操作对用户 都是透明的，用户不用关心数据的来源，一切都由服务器及专用的数据 库来处理。 1 4 课题研究背景及内容 上海港务工程公司的“起重1 号”起重船是一艘非自航、把杆式的工程船舶， 船长5 7 米、宽2 5 米，型深4 5 米，吃水2 8 米。主钩最大起重量为5 0 0 吨( 2 x 2 5 0 吨) ，副钩最大起重量为8 0 吨。在起重系统的起升机构、变幅机构和移船机构 的电力拖动系统中，应用了大功率变频传动技术，它的运行、操作、维护和管理 不同于传统的电力传动系统。要求运用计算机信息技术与网络传输技术对起重船 运行状态进行远程监测，可以及时掌控起重船的运行状况，提高起重船设备管理 效率和管理水平，达到安全生产管理目标。 在“起重1 号”工程船原先没有完整的现场监控系统和用于信息传输的计算 机局域网，船上各重要舱室之间无法实现信息通信，不具备本船可视化监控，更 无法同陆地公司进行数据通信，实现远程监控。这使公司技术人员的管理十分被 动，无法及时了解和掌握船舶设备的运行状态，对维护检修的管理决策缺乏状态 评估数据的支撑，影响了船舶生产的安全性，阻碍了生产效率的进一步提高。 为了达到提高生产效率和安全生产的目的，需要研制一套适用于起重船舶的 远程监控系统。因此研制该监控系统具有现实意义，该系统建立完整的现场监控 系统，实现现场实时数据储存，处理和发送；同时搭建信息通信网络系统，实现 5 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 船内重要舱室之间以及船舶与公司之间的信息传输。 系统建成后，陆地公司只要在公司内监控终端上打开网页，登录系统，浏览 网页，就可以得到船上设备运行状况的第一手资料，为公司管理层的决策管理提 供直观、实时、有效的事实依据，帮助公司做出及时正确的决策，提高了公司的 管理效率和管理水平。 系统主要目的通过基于b s 架构的监测软件，实时发布船舶设备运行状态和 报警信息。公司局域网内相关科室的监控终端利用浏览器，经过授权和身份 认证后，可以完成远程实时动态监测。为了增强无线数据传输的可靠性和稳定性， 同时为了保证系统完成后监控终端可以正常访问服务器，远程服务器需配置一个 固定的i p 地址，接入i n t e m e f t 。通过身份认证、数据加密和防火墙技术提高系统 安全性，避免非法用户的入侵和数据窃取。 本论文的重点旨在搭建一个基于b 倍架构的船舶远程监控系统，该系统将 可以实现对工程起重船舶的起升系统、变幅系统和移船系统大功率变频传动的各 个监控量实现远程监控，为起重船舶的安全运行提供可靠的依据和保障。本文的 主要任务是： 1 搭建b s 模式的远程监控系统，分析系统的各个组成模块，以及各个模 块之间的联系。 2 建立公司远程端服务器数据库，应用实时数据库和历史数据库相链接， 实现实时数据的实时更新和历史数据的添加。 3 开发公司远程端软件，通过公司内部局域网，实现对实时数据的实时监 视、历史数据的查询等功能。 4 分析研究系统的实时性和安全性，从实际情况出发，利用现有的软硬件 条件提高系统的实时性和安全性，满足工程项目的实际要求。 6 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 第二章b s 模式体系结构 2 1 传统c s 模式的体系结构 传统的客户机服务器( c s ) 结构是伴随着网络数据库技术的应用发展起来 的，c s 模式的体系结构最初出现在年代，一般采用两层结构，其系统模型 如图2 1 和图2 2 所示l l o l 。第一层是在客户机系统上结合了用户界面与业务逻辑 ( 客户端程序里) ；第二层是通过网络结合了数据库服务器，系统任务分别由客 户机和服务器来完成。在c s 两层结构中，客户端保持着应用程序，直接访问数 据库；服务器端存放着所有数据，每个客户与数据库保持一个信任连接。客户端 通过应用程序向数据服务器发出请求，数据服务器据此请求操作数据库，并向客 户端返回结果。服务器具有数据采集、控制以及与客户机通信的功能，客户端包 括与服务器通信和用户界面模块。c s 结构将一个复杂的网络应用和生动、直观 的用户界面相分离，将大量的数据运算交给了后台去完成，提高了用户交互反应 的速度；应用开发简单，开发工具多而成熟，对网络数据库的应用起到了较大的 推动作用。 图2 1c s 模式的物理结构 客户端服务器端 狴韭 图2 2c s 模式的体系结构 但随着信息技术的发展，c s 结构暴露出一些问题。由于c s 结构中，客户 端同时承担了表达逻辑和业务逻辑两部分功能，二者之间界限不明显，无论在功 能划分上还是具体程序实现上，两个层面往往交织在一起。因而客户端需要安装 7 凰一疆一 圃圜一 一g一 占一 上海海事大学硕士学位论文基于b ，s 的起重船舶远程监控系统的研究 大量的软件，机器需要较高的配置，客户端维护频繁，系统的强健性下降，用户 也需要进行专门的培训才能操作。这样，运行成本一直里上升趋势，从某种程度 上限制了网络的应用范围。这种“瘦服务器月巴客户机”的模式，随着信息管理 的复杂化、网络系统集成的高度化发展，其逐渐显示了它的局限性，具体表现在 如下几个方面【1 1 l ： 1 部署困难，除了要安装服务器软件外，对每台客户机都要安装客户软件 的一份拷贝。 2 满足不了客户端跨平台的要求。一般来说，客户端的操作系统是不同的， 与此对应的客户端程序也是不同的。但是，为每一种操作系统设计一个 客户端程序是不现实的。而要求客户放弃已有的操作系统来购买新的操 作系统会使客户付出很大的代价。 3 更突出的弱点在于管理、维修费用高、难度大。 2 2b s 模式的体系结构 针对c s 结构的这些不足，在传统的c s 结构的中间加上一层，把原来客户 所负责的功能交给中间层来实现，这个中间层即为w e b 服务器层。这样，客户 端就不负责原来的数据存取，只需在客户端上安装浏览器就可以了。把原来的服 务器作为数据库服务器，在数据库月务器上安装数据库管理系统。w e b 服务器的 作用就是对数据库进行访问，并通过i n t e m e t i n t r a n e t 传递给浏览器。这样，w e b 服务器既是浏览器的服务器，又是数据库服务器的浏览器。在这种模式下，客户 机就变为一个简单的浏览器，形成了“肥服务器瘦客户机”的模式，这就是我 们所研究的b s ( 浏览器服务器) 模式l ”】。基于浏览器服务器( b s ) 模式的结 构将w e b 与数据库相结合，形成的基于数据库的w e b 计算模式，并将该模型应 用到i n t e r n e t i n t r a n e t 中，最终形成了三层客户机，服务器应用结构，三层结构将 应用系统的三个功能层面进行了明确的分割，使其在逻辑上各自独立。其体系结 构如图2 3 所示i l o l 。 浏览器w e b 服务器 数据库服务器 显旦! ! ! 卜 煎塞h x 事务数据 v 数 逻 晌应 处理 响应 处理 晌应 据 辑 i 一 逻辑逻辑 i 一 库 、r 一 、j 一 、r 一 2 3b s 模式的体系结构 在b s 三层体系结构下，表示层、功能层、数据层被分割成三个相对独立的 8 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 单元。 表示层：即w e b 浏览器，包含系统的显示逻辑，它位于客户端，用来生成 在客户浏览器中显示的用户界面。它的任务是负责获得用户录入的数据，完成对 录入数据的校验，由w e b 浏览器向网络上的某一w e b 服务器提出服务请求，w e b 服务器对使用者进行身份验证后用h t l v 协议将客户端请求操作数据传送给业 务逻辑层，然后将完成用户请求操作的操作结果用w e b 协议传送给客户端，客 户机接受传来的主页文件，并把它显示在w e b 浏览器上。 业务逻辑层：包括一个或者多个组件服务，它们应用业务规则实现应用程序 逻辑并完成应用程序运行所需要的数据处理。作为这个过程的一部分，中间层负 责处理来自数据存储或者发送给数据存储的数据。它的任务是接受用户的请求， 执行相应的扩展应用程序与数据库进行连接，通过对等方式向数据库服务器提出 数据处理申请，数据库将申请处理完毕后将数据处理的结果提交给w e b 服务器， 再由w e b 服务器传送回客户端。 数据层：即数据库服务器，是整个分层体系的底层，该层包含数据存储和与 它交互的组件或服务。这些组件和服务在功能上和业务逻辑层相互独立( 尽管在 物理层不必一定相互独立) 。数据层为业务逻辑层提供服务，根据业务逻辑层的 要求从数据库中提取数据或者修改数据库中的数据。由于访问数据库是系统中频 繁发生而且最消耗资源的操作，所以在这一层要对数据库访问进行优化，提高系 统的性能和可靠性。它的任务是接受w e b 服务器对数据库操作的请求，实现对 数据库的查询、修改、更新打印等功能，把运行结果提交给w e b 服务器。 这样的三层体系结构大大减轻了客户机的压力，不用把负荷均衡的分配给了 w e b 服务器1 13 l 。由于客户机把事务处理逻辑部分分给了功能服务器，不再负责 处理复杂计算和数据访问等关键事务，只负责显示部分，所以维护人员不再为程 序的维护工作奔波于每个客户机之间，而把主要精力放在功能服务器上程序的更 新工作。这种三层结构层与层之间相互独立，任何一层的改变不影响其它层的功 能。目前，b s 正日益0 0 ( o b j e c t - o r i e n t e d ，0 0 ) 技术，分布式计算紧密结 合，通过封装的可重用构件提供系统更好的灵活性和高效的开发速度。 b s 模式下的远程实时监控系统的基本工作模式： 1 从数据现场采集实时数据； 2 将数据传给w e bs e r v e r 端w e b 应用程序； 3 应用程序将数据在网页上显，并能定时对数据进行动态刷新； 4 利用动画效果将数据动态表示； 5 对网页上表示受控对象进行操作，将控制参数输入； 9 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 6 将受控对象表示及参数返回w e bs e r v e r 端； 7 将数据传给相应程序执行操作。 相对于传统c s 结构而言，采用b s 结构实现远程实时监控是一次深刻的变 革，它具有如下突出优点： 1 客户端不再负责数据库的存取和复杂数据计算等的任务，只需要其进行 显示，充分发挥了服务器的强大作用，这样就大大的降低了对客户端的 要求，降低了投资和使用成本。 2 易于维护、易于升级。维护人员不再为程序的维护工作奔波游走于各个 客户机之间，而把主要精力放在功能服务器上。由于用户端无需专用的 软件，当企业对网络应用进行升级时，只需更新服务器端的软件，减轻 了系统维护与升级的成本与工作量。 3 用户操作使用简便。b s 结构的客户端只是一个提供友好界面的浏览器， 通过鼠标即可实现远程实时监控，用户无需培训便可直接使用，利于推 广。 4 易于实现跨平台的应用，解决了不同系统下不兼容的情况。 综上所述，三层的b s 体系结构具有许多传统c l s 体系结构不具备的优点， 用的是基于i n t e m e t 的w e b 技术，结合传统控制原理，拓展了传统的工业监控 应用的功能，更适合时代的发展，是技术发展的大势所趋。 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 第三章远程监控系统的总体设计 3 1 远程监控系统需求分析 “起重1 号”是2 0 0 5 年投入营运的全交流变频调速的起重工程船，起重控 制系统包括起升机构、变幅机构和移船机构三大部分，起重控制系统并未建立上 位监控工作站。为了弥补起重系统监控功能的不足，另外独立安装了一套称之为 c m s 的起重机管理系统。船舶电站为起重系统提供电能，控制系统是常规的继 电器一接触器控制方式，无上位监控工作站。“起重1 号”目前未建立用于信息传 输的计算机局域网，因此船内无法实现重要舱室的信息传输，更无法实现船舶与 公司的信息传输。 由上可知，对“起重1 号”船舶设备的远程监控系统的功能需求可归纳为如 下几个方面： 1 完善本船现场监控系统：增加船舶电站监控子系统，负责柴油发电机组 的数据采集；建立船舶计算机局域网，配置船舶监控工作站，负责把起 重机控制系统、起重机管理系统和船舶电站的数据采集、存储和本船监 控，并把这些实时数据无线网络传输至公司。 2 需要设置通信模块：配置c d m a g p r s 传输模块，通过无线通信网络 将船舶设备的实时数据传输公司远程端服务器。 3 设置公司远程端数据库服务器：系统要通过远程服务器才能实现对船上 发送的实时数据的接收，并存储到实时数据库中，并且还要把实时数据 库中删除的历史数据保存到历史数据库中，以便管理人员的查询。 4 开发应用服务器软件：公司监控终端要通过浏览器浏览船上设备的实时 数据，就要使用服务器软件访问数据库，得到所需的设备信息。 只有实现了以上四个要求，才能真正建立起一个完整的b ，s 模式远程监控 系统。由于整个系统的工作量较大，一人无力独自完成，因此整个系统由多名同 学共同完成。作者在本系统主要完成了岸上监控部分的研究，主要包括设置w e b 服务器和数据库服务器、开发w e b 服务器应用软件。 1 1 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 3 2 远程监控系统结构设计 3 2 1 监控系统架构 根据上述的需求分析，建立图3 1 所示的起重船舶监控系统总体架构，系统 分为两大部分：船上现场监控系统和公司远程监控系统。“起重1 号”已经在船 上建立了包括以s i e m e n s 的p l c 为主体的起重控制系统和以o m r o n 的p l c 为主体的起重机管理系统。因此项目的主要目的是建立本船监控系统和公司端远 程监控系统。 r 一1 公司监控系统i _ 、l 、一一一 因特网络一乏 舳毋剖lj 入一，、 尸 惑。 服务器譬y 譬y 气 孥竺一，监控工作站忒c d 虢块 i i 妒 e t h o r n c i 起重帆控制系统船舶电站系统起重机管理系统 s m m e n ss 7o m r o nc p 封lo r m o nc o m m 硒一2 3 2 4 8 5 本船监控系统 图3 1 系统的总体结构 本系统提出了采用工控机实现本船监控，并将实时数据和控制信息通过 c d m a 无线通信以及以太网与远程端服务器进行交互，公司端使用浏览器通过 局域网访问w e b 服务器的模式构成远程监控系统，是一种通用低成本的解决方 案。整个系统由底层p l c 、现场控制单元、无线通信模块和网络化远程监控单 元几部分构成。将系统细分可分为以下几个模块： 1 底层p l c 模块：底层p l c 控制系统由起重机控制系统s l e m e n ss 7 和船舶电站系统o m r o nc p m l h 构成，负责采集起重船起重机和船舶 上海海事大学硕士学位论文基于b s 的起重船舶远程监控系统的研究 电站系统各个监测点的工作状态。 2 本船监控系统：由一台工业控制计算机承担数据采集、数据处理、数据 存储管理、数据压缩发送、监控界面显示和发布等任务。监控工作站配 置二块以太网卡，分别连接下层的p l c 控制网络和上层的监控终端信 息网络，同时设置网关功能，切断信息网络和控制网路之间的逻辑联系， 提高系统的安全性。配置二个r s - 2 3 2 串行通信接口，分别连接c d m a 无线通信模块和o m r o nc q m i hp l c 。 3 无线通信模块：在船上配置一块c d m a 模块，与监控计算机串口相连， 完成船岸远程数据通信。 4 公司远程端服务器：一台配置了固定l p 地址的计算机接收船舶数据， 完成w e b 服务器和实时数据库服务器的功能，实现数据管理和监控信 息发布。 5 公司远程监控终端：远程监控终端使用浏览器通过内部局域网访问服务 器，监控船舶起重系统和电站系统的运行参数，实现远程实时监控。 3 2 2 本船监控系统 本船监控系统建立在原有p r o f i b u s 现场总线与新建的以太网络之上，主要 功能数据采集、数据储存、数据监测和实时数据发送。功能块的实现如下： 1 ) 现场数据采集 在原有的起重机控制系统s i e m e n ss 7p l c 中增加1 块以太网通信模块， 在原有的o m r o nc q m i hp l c 中增加1 块串口通信模块。监控工作站通过以 太网模块和串口模块采集整个起重机控制系统的实时数据。 2 ) 本船监控与数据存储 在监控工作站上建立基于i n t o u c h 的本船监控软件，完成运行设备的本船监 控以及实时数据与历史数据的管理。 3 ) 实时数据发送 监控工作站的数据打包发送程序按照用户自定义的协议进行打包封装，通过 c d m a 模块发送数据。 本船监控系统硬件配置： 1e t h e r n e t 模块c p 4 4 3 1 e t h e m e t 模块c p4 4 3 1 是s i e m e n ss 7 4 0 0 用于工业以太网总线系统的 通讯处理器，具有1 0 1 0 0 mb i t s 自适应全双工连接功能。c p4 4 3 - 1 将被安装 上海海事人学硕t 学位论文基于b ，s 的起重船舶远程监控系统的研究 在机舱变频器间的s i e m e n ss 74 0 0 主站上，为原有的起重机控制系统提供以 太网数据通信能力。 2 串行接口模块c q m l h s c b 4 1 串行接口模块c q m l h s c b 4 1 是o m r o nc q m l hp l c 用于串口通信的内 插板，提供1 个r s 一2 3 2 c 和1 个r s 一4 2 2 a 4 8 5 端口，它将被安装在驾驶室 o m r o nc q m l hp l c 上。 3 船舶电站o m r o n c p l hp l c o m r o nc p l hp l c 是一个具有以太网通信功能的小型控制器，配置模拟 量输入模块、开关量输入模块和以太网模块后，构建一个p l c 站。监控工作站 通过以太网模块采集船舶电站和机舱数据。 4 c d m a 无线传输模块 c d m a 无线传输模块与监控工作站的r s 一2 3 2 串口相连，传输船舶数据。它 支持12 0 0 5 7 6 0 0b i t s s 串行通信工作频率，支持双频c d m a ，数据终端永远在 线，内嵌t c p i pi n t e m e t 协议栈。 5 交换机 交换机用于连接以太网络的各节点，完成数据的转发。由于本系统网络节点 较少，2 台8 口1 0 1 0 0 m 自适应以太网交换机不仅满足当前的需要，还为以后 系统的拓展留有余地。 6 监控工作站 监控工作站采用工业控制级的计算机，它是本船监控系统的核心，承担着数 据采集、数据处理、数据存储管理、数据压缩发送、监控界面显示和发布等大量 的任务。监控工作站配置二块以太网卡，分别连接下层的p l c 控制网络和上层 的监控终端信息网络，切断信息网络和控制网路之间的逻辑联系，提高系统的安 全性。 3 2 3 公司监控系统 公司监控系统的总体功能设计是完成对船舶设备运行状态远程动态监测，它 是本船监控系统在空间上的延伸和拓展。 公司监控系统主要由公司远程端服务器和若干台监控终端构建成一个以太 网络。为了增强无线数据传输的可靠性和稳定性，同时为了保证系统完成后监控 终端可以正常访问服务器，远程工作站需配置一个固定的l p 地址，接入i n t e m e t 。 通过身份认证、数据加密和防火墙技术提高系统安全性，避免非法用户的入侵和 1 4 上海海事人学硕t 学位论文基于b 届的起重船舶远程监控系统的研究 数据窃取。 远程服务器通过c d m a 无线网络和i n t e r n e t 接收远程的船舶数据，经过数 据解压和处理存储在数据库中，并在服务器上开发了基于b s 架构的监测软件， 实时发布船舶设备运行状态和报警信息。公司局域网内相关科室的监控终端利用 i e 浏览器，经过授权和身份认证后，可以完成远程实时动态监测。 在服务器设计方面，系统在硬件实现上有两种方案，可以是w e b 应用服务 器与数据库服务器位于同一主机上，也可以是w e b 应用服务器与数据库服务器 互相独立。两种方式各有利弊，第一种方式在主机据用良好性能的前提下，能保 证w e b 服务器与数据库服务器之间的通讯效率，减少w e b 服务器与数据库服务 器之间网络的数据传输，使系统具有良好的性能。第二种方式较前一种更加灵活， 能够适应客户机数目的不断增加和应用处理负荷的变动。出于对整个系统的使用 效率和建设成本方面考虑，系统选择了第一种方案构建系统的远程服务器。系统 完成后，经过测试验证了系统的稳定性和安全性都达到了工程的指标，同时实施 成本大大少于预算经费。 公司端监控系统的主要功能： 1 远程数据存储 远程数据存储是将由无线数据传输到公司的监测数据在解包和解压缩后，送 到远程工作站数据库中，也以二种方式储存： 1 )当前数据更新。传输过来的数据是当前数据，相当于船上的实时数 据。在当前数据库中的数据都是当前时刻的最新数据，自动更新当前数 据值。 2 )历时数据添加。每当在当前数据库中更新当前数据的同时，也将此 带时标的数据添加到历史数据库中。这些历史数据将成为系统的趋势分 析、故障统计分析、设备管理等的基础数据。所形成的历史数据随着时 间的推延将越来越多，因此将通过数据库管理功能自动设定时间段，定 期删除历史数据。 2 远程状态监控 在公司端的远程状态监测，主要是复现船舶端的状态监测。因此可视化监测 界面与船舶上的监测界面基本相同