氢等离子体裂解煤制乙炔实验信息显示系统的设计与实现

1、氢等离子体裂解煤制乙炔实验信息显示系统的设计与实现程婷罗家融孟月东刘英中国科学院等离子体物理研究所 中国 合肥 230031摘要：本文主要讲述了在氢等离子体裂解煤制乙炔实验中，实验数据显示系统的研究。实验信息显示系统包括实时显示，基于GUI的图形显示和基于web的远程显示三种方式，采用Client/Server和Browser/Server相结合的模式，方便实验人员在不同的工作环境下了解实验情况，获取实验数据。关键词：socket通信，实时显示，faade模式The devise and realization of the information display system in the

2、experiment of coal pyrolysis in H-plasma producing acetyleneCheng Ting, Luo Jia-rong, Meng Yue-dong, Liu YingInstitute of plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, ChinaAbstract: In this paper, an experiment information display system is proposed which enables the researchers to hav

3、e an access to the experimental data in the experiment of coal pyrolysis in H-plasma producing acetylene. The experiment information display system includes real-time display, offline display and remote display. The system uses the combination mode of Client/Server and Browser/Server. The researcher

4、s can get an acquaintance of the experiment no matter where they are. Keyword: socket communication, real-time display, faade mode一引言我国是一个贫油少气，煤炭资源相对丰富的国家。乙炔是重要的有机化工原料，乙炔工业生产有甲烷部分氧化法和电石水解法，电石水解法工艺流程长、能耗高、会排出大量电石废渣和废水，而甲烷部分氧化法则会造成投资规模过大。经科学研究证实：煤在氩气和氢气等离子体中裂解，直接制乙炔的工艺方法，在技术上是合理的，经济上更优于甲烷部分氧化法。氢等离子体裂解

5、煤制乙炔中试实验装置的建设和开发就是为其产业化在技术和工程上打下基础。实验人员通过实验工艺参数了解实验情况，总结每次实验的经验教训，也为下一步工作提供参考。现场实验人员需要实时掌握各个通道对应的物理参量，及时了解反应器内的工作状况，用以决定反应是否继续进行。在一次实验结束后，实验人员需要获取一次实验的全部数据，进行研究分析。氢等离子体裂解煤制乙炔系统是一个多方合作项目，一些不能到达实验现场的工作人员也希望能了解实验情况。实验数据显示系统通过三种不同的方式，为不同需求的实验人员提供一个多方面了解实验情况的途径。二系统功能及结构根据系统需求，实验信息显示系统包括三个部分，用以满足不同的需求，即：实

6、时显示（即online显示）、基于web的远程显示和基于GUI的图形显示（即offline显示）。实时显示是为实验现场的工作人员，实时地显示工艺参数，具有时效性。主要包括在系统工艺流程图中实时显示各个通道的变化和将部分通道的物理信息通过曲线直观地显示其变化过程。基于GUI的图形显示是自主开发的Win32应用程序，用户根据自己的需求，查看一次实验或多次实验的数据，对其进行分析，比较。Web显示是为远程实验人员提供的，由于此项目是由多个研究部门共同研究的，涉及科研人员多且地域分布广。对于不能到达实验现场的实验人员，可以通过web显示了解实验情况，通过网络方式比传统的通过电话、传真等方法了解实验情况

7、，更快，更全面，也更经济。由于系统面向的使用对象多为物理、化学实验人员，要求界面操作简单，对用户的计算机操作水平要求不高。系统采用Browser/Server（B/S）和Client/Server（C/S）混合模式编程。根据对整个系统的综合考虑，选用VC+软件编程实现实时显示和基于GUI的图形显示，而用Java实现基于web的远程显示，因为传统的网页制作无法实现较复杂的功能。VC+可以方便地开发Win32应用程序，用VC+开发的实时显示和基于GUI的图形显示采用C/S模式，应用程序逻辑分布于客户端和服务器端之间，主要的客户逻辑在客户端完成，服务器端仅仅是完成数据服务。Java语言是由Sun公司

8、开发的一个跨平台的编程语言。具有分布式、面向对象、可移植、动态、多线程的特点。用Java开发的远程显示采用B/S模式，分为客户层，应用服务层和数据服务三层，其主要应用逻辑在应用服务层实现，根据系统的实际需求，应用服务和数据服务可位于同一台机器，也可位于不同的平台。客户端负责人机交互，接收用户的输入，对输入进行分析检查，如果有误，则在本地消除，如果正确，则传送给应用逻辑层，这么做的好处是把错误输入尽早消除，减少网络传输数据量，加快响应速度。三系统设计及相关问题的解决整个实验包括预调试阶段，反应阶段和冷却阶段。采集机接收从各个放大器送来的电压信号，并以1次/秒的刷新速率送往控制机，控制机将接收到的

9、电压信号转换成真实的信号值，并进行量纲转换，得到相应的物理量，如：液位、压力、流量等。总控人员根据这些信息进行PID控制。当程序调节到稳定时，实验人员可以保存当前PID的控制信息，便于下次实验的参数设定。同时控制程序将数据发送到数据服务器端保存。系统结构图如下：图1. 系统结构图1：实验数据的存储实验数据存储在数据服务器中。我们选用Microsoft SQL Server数据库。实验人员关心的是实验反应阶段的数据，如何确定实验起始时间是关键问题。每台计算机的晶振不同，所以无法对多台计算机准确定时。对于实验起始时间的确定，我们采用软件触发的方式。当电源系统启动时，我们认为实验开始，并向总控台发送

10、一个触发信号。总控台接收到信号后，将通知数据服务程序动态创建一次实验数据表，用来存储一次实验的数据。在实验结束后，总结一次实验的综合信息，将其存入实验信息表。数据库结构的设计将直接影响到系统的访问效率。这里，我们将数据库分层设计，数据的存储结构如图2所示：图2. 实验数据存储结构图第一层是对实验的整体介绍。通道信息记录各个通道和物理量的对应关系，以及各个通道的量程范围等信息。实验信息表记录每次实验的时间，采样点数等信息。第二层是每次实验的实验数据表，记录各通道在一次实验中的数据。这种存储格式能有效提高数据库的查询速度，有利于数据库的管理。同时也可以为用户提供两种不同的检索方式：按时间检索和按实

11、验名称检索，方便用户查询。实验数据非常重要，为了防止误操作带来不必要的损失，数据库将定期进行备份。2：实时显示实时显示是对现场数据的实时性反映，以检测该点在现场工艺条件变化情况下的控制稳定性。实时显示程序1次/秒获取实时数据，并以数字和曲线两种方式显示在计算机界面上。数据显示配以模拟工艺流程图，帮助工作人员更直观地了解系统运行情况。实时曲线不可能在有限的屏幕范围内一次性全部显示出来，而每一时刻看到的都应该是最新接收到的N个数据所画出来的曲线。曲线显示从计算机屏幕的最右端开始显示，随着时间的推进，整个曲线动态地向左移动。各个显示界面的切换采用多试图切换方式。实时显示程序包括数据接收和实时显示两个

12、功能模块。数据接收模块监听控制端，当有数据传来时，就通过消息响应函数通知显示模块。实时曲线的绘制首先要对接收到的数据进行处理。程序中首先构建一个“先进先出”的队列，该队列保存最近的N个数据，当队列满了以后，就把最新进入队列的数据顶出去，以保证数据是最新的。曲线的绘制采用“双重缓冲”技术，首先在内存中把曲线绘制好，形成一个位图，然后将其内容拷贝到屏幕上，在每次拷贝屏幕前，都先清除原有的屏幕内容，以防止出现图形叠加的情况。这种方法将曲线一次性在屏幕中显示出来，绘图速度快，远小于人眼的响应时间，基本消除了闪烁现象，使得绘制出来的图形流畅，视觉效果较好。实时显示的优点是速度快，实时性强，但实验数据无法

13、保存，只适合在实验现场的人群，且只能在实验过程中观看。3：基于GUI的图形界面显示基于GUI的图形界面显示是使用胖客户机结构，其主要业务逻辑在客户端完成，提供实验数据显示，下载，打印等功能。软件设计将采用分层结构，整个程序分为功能层和接口层，将用户接口和功能核心分离开。功能层提供数据读取模块和绘图模块，数据读取模块从数据服务器中获取相应的数据，绘图模块根据图形基本参数和图形数据绘出所需的图形。接口层则将用户的命令转化为对功能层的调用。例如：当用户选择对某一区域进行放大操作时，要将所选区域的坐标和对于数据的最大、最小值送往绘图模块，进行重绘，从而实现图形放大功能。基于GUI的图形界面显示采用C/

14、S模式，能提供友好的用户操作界面，可以实现较强大的功能。但是Client端程序的每次修改，用户都需要重新安装。且客户端程序和数据服务器直接连接，安全性较低。基于GUI的图形界面显示主要适用于局域网内的用户。局域网内的网络环境较好，能保证较高的网络传输速度。一般是在实验结束后，实验人员对数据进行诊断时使用。4：基于www的远程显示基于www的远程显示主要是为不能到达实验现场的人员所用，主要功能是能突破地域限制，让更多的工作人员了解实验情况，尤其是一些外地的专家学者，可以及时地为实验的发展提出宝贵意见。当然，web方式的数据显示没有软件方式的功能强大。远程显示采用B/S设计模式。其结构如图3：图3

15、. Browser./Server模式结构图应用服务层作为用户和数据服务器的中间层，屏蔽了用户对数据库的直接操作，提高了系统的安全性能。Applet通过socket通信，从应用逻辑层获取数据，应用逻辑层通过JDBC访问数据库。数据库JDBC的应用是Faade模式的一个典型应用。Faade模式是为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，是个理顺系统间关系，降低系统耦合度的一个常用方法。在应用中，需要经常对数据库进行操作，如果按照常规的做法，则要编写大量重复代码。Faade模式就是将其中不变的部分提取出来，做成一个接口。同时，如果系统中的驱动需要更改，也只要更换接口中的代码就可以了。所有程序对数据库的访问都是使用改接口，降低了系统的复杂性，增加了灵活性。基于www的远程显示采用B/S模式，对客户的要求最低，用户只需要有一个支持Java的浏览器，就可以通过Internet直接查看实验数据。且对于应用逻辑的任何改变，在应用层改变后，客户端不需要做任何的改变，就可以看到更新后的结果。但是，在web上的图形显示速度较慢，尤其是在网络环境不好的情况下。这种方式主要适用于不能到达实验基地的领导，专家使用。四结论本文给出了一个较完整的实验数据显示系统的实现方案，并