中国石油大学(北京)《计算机辅助安全工程》第5章 计算机技术在安全监测中的应用

1、安全工程信息化技术基础安全工程信息化技术基础第五章第五章 计算机技术在安全监测中的应用计算机技术在安全监测中的应用叶迎春机械与储运工程学院 什么是安全监测？什么是安全监测？ 安全监测的物理量有哪些？安全监测的物理量有哪些？2安全安全监测监测 安全监测技术是通过对工业系统中安全监测技术是通过对工业系统中工艺工艺参数参数等信息进行监测，实时掌握系统运行的等信息进行监测，实时掌握系统运行的状态变化状态变化，结合信号处理等手段尽早发现事，结合信号处理等手段尽早发现事故征兆，从而达到预防事故发生的目的。故征兆，从而达到预防事故发生的目的。为制定事故控制决策提供最直接的依据；为制定事故控制决策提供最直接的

2、依据；为其他安全保障手段提供信息基础。为其他安全保障手段提供信息基础。3概述概述安全监测的目的：安全监测的目的：对工业生产的设备或作业环境等要素的运行状态进行实时、对工业生产的设备或作业环境等要素的运行状态进行实时、准确的监测，及时发现异常状态。准确的监测，及时发现异常状态。对工业生产的运行进行必要的指导，为提高工业生产运行对工业生产的运行进行必要的指导，为提高工业生产运行的安全性、可靠性和有效性提供依据。的安全性、可靠性和有效性提供依据。为设备的结构修改、优化设计和安全运行提供数据和信息。为设备的结构修改、优化设计和安全运行提供数据和信息。安全监测的任务：安全监测的任务：监测工业生产系统的运

3、行状态或者作业环境是否正常，监测工业生产系统的运行状态或者作业环境是否正常，对工业生产过程进行安全预测和诊断，对工业生产过程进行安全预测和诊断，指导生产安全管理和决策。指导生产安全管理和决策。4概述概述安全监测的特点：安全监测的特点：集成化（监测的物理量种类和数量非常多）集成化（监测的物理量种类和数量非常多）运行稳定及大存储量运行稳定及大存储量分布式分布式需要较高的自动化程度需要较高的自动化程度需要考虑预警、控制与诊断等功能需要考虑预警、控制与诊断等功能5概述概述安全监测技术的发展安全监测技术的发展I. 危险性分析和定量分析阶段危险性分析和定量分析阶段II. 实时在线监测阶段实时在线监测阶段

4、应用专用的仪器加以实现，如转速测量应用专用的仪器加以实现，如转速测量仪、振动检测仪、频谱分析仪仪、振动检测仪、频谱分析仪 基于计算机的监测系统基于计算机的监测系统*6概述概述计算机技术在安全监测中的应用模式计算机技术在安全监测中的应用模式（1）智能仪器模式）智能仪器模式将计算机或微处理芯片植入传统仪器，组成智能监测仪器（2）计算机测试系统模式）计算机测试系统模式*将计算机和传感器、信号调理器等其他监测仪器集成，组成综合监测系统，实现自动监测。（3）计算机与测试仪器分离的模式）计算机与测试仪器分离的模式使用测试仪器进行监测，并将监测结果存储在仪器自带的存储器上，然后将数据传输给计算机，由计算机进

5、行信号处理与分析。7概述概述计算机技术用于安全监测的作用和意义计算机技术用于安全监测的作用和意义1）计算机的速度优势）计算机的速度优势2）计算机的高存储量优势）计算机的高存储量优势3）计算机与网络集成的优势）计算机与网络集成的优势4）计算机的软件优势）计算机的软件优势虚拟仪器技术虚拟仪器技术的出现与发展，的出现与发展，智能仪器智能仪器的涌现以及网络技术的广泛应用均可作为计的涌现以及网络技术的广泛应用均可作为计算机与安全监测技术结合的产物。算机与安全监测技术结合的产物。8概述概述5.1智能仪器技术5.2虚拟测试仪器技术5.3 LabVIEW虚拟仪器开发平台5.4 组态软件技术5.5基于计算机的安

6、全监测实例9本章目录本章目录2022-6-3010仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。 5.1 智能仪器设备智能仪器设备5.2.1 仪器技术的发展历程仪器技术的发展历程模拟仪器模拟仪器数字化仪器数字化仪器智能仪器智能仪器虚拟仪器虚拟仪器 第一代仪器：第一代仪器：模拟仪器模拟仪器，如指针式万用表等；，如指针式万用表等； 第二代仪器：第二代仪器：数字化仪器数字化仪器，把模拟信号转化为数字信，把模拟信号转化为数字信号，并以数字方式显示为特征；号，并以数字方式显示为特征； 第三代仪器：第三代仪器：智能仪器智能

7、仪器，内置，内置CPU，但但CPU的作用大的作用大多用于仪器的控制，基本不用于数字信号处理；多用于仪器的控制，基本不用于数字信号处理； 第四代仪器：第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器，计算机技术与仪器技术深层，计算机技术与仪器技术深层次结合的产物，其主要特征是通过次结合的产物，其主要特征是通过CPU进行数字信号进行数字信号处理，用软件算法代替硬件实现仪器的测量功能，并处理，用软件算法代替硬件实现仪器的测量功能，并通过软面板操控仪器和显示测量结果。通过软面板操控仪器和显示测量结果。11 5.1 智能仪器设备智能仪器设备传统传统仪器的特点仪器的特点 仪器的三大功能仪器的三大功能 数据采集与控制；信号的分

8、析与处数据采集与控制；信号的分析与处理；结果的表达与输出理；结果的表达与输出 特点特点 功能由厂家决定，所有功能均由硬功能由厂家决定，所有功能均由硬件的形式实现。件的形式实现。 缺点缺点 经济成本高、可扩展性差、数据存经济成本高、可扩展性差、数据存储及传输功能差等；储及传输功能差等；12 5.1 智能仪器设备智能仪器设备 智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。自动化操作等功能。13 5.1 智能仪器设备智能仪器设备2022-6-3014 5.1 智能仪器设

9、备智能仪器设备2022-6-3015 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量产物，是含有微计算机或微处理器的测量( (或检测或检测) )仪器，仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用自动化操作等功能，具有一定智能的作用( (表现为表现为智能的延伸或加强等智能的延伸或加强等) ) 。 智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。 模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。智能仪器对仪器仪表的发展

10、以及科学实验研究产生智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。了深远影响，是仪器设计的里程碑。 5.1 智能仪器设备智能仪器设备 2. 2.智能仪器的基本智能仪器的基本结结 其结构可有两种基本类型其结构可有两种基本类型: :微机内嵌式微机内嵌式微机扩展式微机扩展式将单片或多片的微将单片或多片的微处理器与传统仪器处理器与传统仪器有机地结合在一起有机地结合在一起形成的单机，其形形成的单机，其形态是仪器。态是仪器。以个人计算机以个人计算机(PC)(PC)为核心为核心的应用扩展型测量仪器。的应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器个人计算机仪器(PCI)(PCI)或称或称微

11、机卡式仪器微机卡式仪器。其形态可以是计算机。MCURAM、EPROMI/O接口接口D/AA/D外部通信RS232USB打印机打印机板（键盘、开关、键盘、开关、显示器显示器传感器传感器电电量量非非电电量量内嵌微处理器智能仪器的基本结构内嵌微处理器智能仪器的基本结构输入通道输入通道输出通道输出通道 5.1 智能仪器设备智能仪器设备微机扩展式智能仪器结构图微机扩展式智能仪器结构图个人计算机个人计算机总线扩展槽总线扩展槽软件软件仪器插件插件通用接口接口仪器仪器插件插件仪器插件仪器插件电电源源PC总线总线GPIB总线扩展底板或外部插件箱扩展底板或外部插件箱12nPC 机USB 设备 5.1 智能仪器设备

12、智能仪器设备特点：特点：测量过程的软件控制。测量过程的软件控制。具有数据处理功能。具有数据处理功能。具有友好的人机对话能力。具有友好的人机对话能力。具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。多功能化。多功能化。19 5.1 智能仪器设备智能仪器设备发展趋势：发展趋势：微型化与多功能化微型化与多功能化人工智能化人工智能化网络化网络化虚拟仪器（智能仪器发展的新阶段）虚拟仪器（智能仪器发展的新阶段）20 5.1 智能仪器设备智能仪器设备5.1智能仪器技术5.2虚拟测试仪器技术5.

13、3 LabVIEW虚拟仪器开发平台5.4 组态软件技术5.5基于计算机的安全监测实例21本章目录本章目录虚拟仪器虚拟仪器 虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、其测试上，由用户设计定义、具有虚拟面板、其测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。功能由软件实现的一种计算机仪器系统。 简而言之：简而言之： 传统仪器的部分功能交给计算机实现，操传统仪器的部分功能交给计算机实现，操作计算机就像操作一台仪器。作计算机就像操作一台仪器。22 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI与传统仪器的比较与传统仪器的比较23 5

14、.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI） 丰富传统仪器的功能：分析、显示以及数据输丰富传统仪器的功能：分析、显示以及数据输出及传送、存储功能、面板操作功能交给计算出及传送、存储功能、面板操作功能交给计算机实现，充分利用计算机的优势。机实现，充分利用计算机的优势。 突出突出“软件就是仪器软件就是仪器”这一概念：某些硬件由这一概念：某些硬件由软件实现，仪器的硬件部分简化为若干具有通软件实现，仪器的硬件部分简化为若干具有通用性特点的元部件的组合。具有良好的重复性。用性特点的元部件的组合。具有良好的重复性。 仪器功能及风格由用户自己定义：传统仪器上仪器功能及风格由用户自己定义：传统仪器上的各种开

15、关、旋钮等由虚拟仪器面板上各种符的各种开关、旋钮等由虚拟仪器面板上各种符号号“控件控件”代替，对仪器的操作通过鼠标和键代替，对仪器的操作通过鼠标和键盘来完成；缩小用户与厂家之间的距离。盘来完成；缩小用户与厂家之间的距离。24虚拟仪器的优势虚拟仪器的优势 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI） 鉴于虚拟测试仪器的开放性和功能软件的模块鉴于虚拟测试仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准上。这样就可使资源的可重复到虚拟仪器标准上。这样就可使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩利用率提高，系统

16、组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，使用方便，费用降低。展，管理规范，使用方便，费用降低。 通过软、硬件的升级，可以方面地提升测试系通过软、硬件的升级，可以方面地提升测试系统的能力和水平。统的能力和水平。25虚拟仪器的优势虚拟仪器的优势 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI的组成的组成 虚拟仪器由虚拟仪器由硬件平台硬件平台和和应用软件应用软件两部分构成两部分构成26SCXI1140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI1140 SCXI-1001M AINFRAM E SCXISCXI1100 Control PanelFlowPressure Alarm Condi

17、tionsSTOPTemperatureGPIBSerialDAQ被测信号被测信号VXI图象采集图象采集运动控制运动控制PXI虚拟仪器硬件：计算机、虚拟仪器硬件：计算机、I/O接口设备接口设备计算机计算机I/O接口设备接口设备 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI的各种的各种I/O接口接口27169 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）l PC-DAQ PC-DAQ系统：系统：是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI或ISA计算机本身的总线，故将数采卡/板（DAQ）插入计算机的空槽中即可。l GPIBGPIB系统系统：以

18、GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。l VXIVXI系统：系统：以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。l PXIPXI系统：系统：以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。l 串口系统串口系统：是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 无论上述哪种无论上述哪种VIVI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合，其中相结合，其中PC-DAQPC-DAQ测量系统是构成测量系统是构成VIVI的最基本的方式，也是最廉价的最基本的

19、方式，也是最廉价的方式的方式。 28虚拟仪器的几种标准体系结构虚拟仪器的几种标准体系结构 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI的软件构成的软件构成29虚拟仪器软件包括虚拟仪器软件包括2部分：部分：1. I/O接口仪器驱动程序：接口仪器驱动程序： 完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 2. 应用程序应用程序 定义并实现虚拟仪器前面板功能；定义并实现虚拟仪器前面板功能； 定义并实现测试功能的流程图软件。定义并实现测试功能的流程图软件。另外，虚拟仪器软件开发还需要选择合适的工具，目前另外，虚拟仪器软件开发还需要选择合适的工具，目前常用的开发

20、工具包括：常用的开发工具包括：文本式编程语言：如文本式编程语言：如Visual C#，LabWindows/CVI等；等；专用虚拟仪器编程语言：如专用虚拟仪器编程语言：如LabVIEW、HPVEE、组态、组态王等。王等。 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI的软件构成的软件构成30信号调理仪器仪器DAQBoardsIEEE488(GPIB)VXIRS-232触发控制转换格式计算用户界面硬拷贝文件I/O处理及传输网络 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI的实例的实例31 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）VI的实例的实例32 5.2虚拟虚拟测试仪器技

21、术（测试仪器技术（VI）33 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）5.2.4 VI的实例的实例34 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI） 5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）5.2.4 VI的实例的实例35虚拟测试仪器的系统构建虚拟测试仪器的系统构建36（1）确定所用仪器或设备的接）确定所用仪器或设备的接口形式口形式（2）确定所选择的采集卡是否）确定所选择的采集卡是否具有设备驱动程序具有设备驱动程序（3）确定应用管理程序的编程）确定应用管理程序的编程语言语言（4）在硬件连接无误的情况下，）在硬件连接无误的情况下，编写用户的应用管理程序编写用户的应用管理程序

22、5.2虚拟虚拟测试仪器技术（测试仪器技术（VI）5.1智能仪器技术5.2虚拟测试仪器技术5.3 LabVIEW虚拟仪器开发平台5.4 组态软件技术5.5基于计算机的安全监测实例37本章目录本章目录5.3.1 LabVIEW开发环境开发环境5.3.2 LabVIEW编程步骤编程步骤38 5.3 LABVIEW虚拟仪器开发平台虚拟仪器开发平台LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种程序开发环境。是一种程序开发环境。LabVIEW与其它计算机语言的显著区别：与其它计算机语言的显著区别：其它计算机语言都是采用基于文本

23、的语言产生代其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而码行，而LabVIEW使用图形化编程语言使用图形化编程语言G语言编写语言编写程序，产生的程序是框图的形式。程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW环境下开发的应用程序成为虚拟仪器，环境下开发的应用程序成为虚拟仪器，VI。39 5.3.1 LabVIEW开发环境开发环境5.4.2 Labview简介简介 图形化编程图形化编程 应用简单应用简单 缩短开发时间缩短开发时间 图形化用户界面图形化用户界面 图形代码图形代码 模块化编程模块化编程 应用程序生成器建立执行文件应用程序生成器建立执行文件40 5.3.1 LabVIEW开发环境开

24、发环境VI组成：组成：1）前面板）前面板(front panel):图形用户界面，设置图形用户界面，设置输入和显示输出输入和显示输出2）流程图）流程图(block diagram)：相当于传统语言：相当于传统语言的源代码的源代码3）图标）图标/连接器连接器(icon/connector)：虚拟仪器：虚拟仪器作为子程序被其他虚拟仪器调用的接口作为子程序被其他虚拟仪器调用的接口41 5.3.1 LabVIEW开发环境开发环境LabVIEW 操作模板：操作模板： 工具模板（工具模板（Tools） 控件模板（控件模板（Controls） 函数模板函数模板（Functions）42 5.3.1 LabV

25、IEW开发环境开发环境 运行工具运行工具 布置与尺寸调整布置与尺寸调整 标签标签 连线连线 Pop-Up 菜单菜单 滚动滚动 断点断点 探针探针 颜色复制颜色复制 色彩工具色彩工具43工具模板ToolsPalette 编辑调试工具编辑调试工具 浮动浮动 Palette 5.3.1 LabVIEW开发环境开发环境44Control and Function Palettes控件模板控件模板Controls Palette (Panel Window)函数模板函数模板Functions Palette (Diagram Window)查找浏览上一层 5.3.1 LabVIEW开发环境开发环境VI前

26、面板设前面板设计计VI流程图设流程图设计计VI程序调试程序调试VI程序运行程序运行与保存与保存45 5.3.2 LabVIEW编程步骤编程步骤前面板设计窗口前面板设计窗口(Front Panel) 设计制作虚拟仪器前面板，就是用设计制作虚拟仪器前面板，就是用“tools”工具模工具模板中相应的工具去取用板中相应的工具去取用“controls”控制模板上的控制模板上的有关控件，摆放到窗口中的适当位置，来组成虚有关控件，摆放到窗口中的适当位置，来组成虚拟仪器前面板。拟仪器前面板。 46 5.3.2 LabVIEW编程步骤编程步骤流程图设计窗口流程图设计窗口47 5.3.2 LabVIEW编程步骤编

27、程步骤流程图设计窗口流程图设计窗口 流程图是图形化的源代码，是流程图是图形化的源代码，是VI测试功能软件测试功能软件的图形化表述。虚拟仪器是由软件编程来实现的图形化表述。虚拟仪器是由软件编程来实现测试功能的，测试功能的，LabVIEW采用图形化编程方式。采用图形化编程方式。 选用选用“Tools”工具模板中相应的工具去取用工具模板中相应的工具去取用“Functions”功能模板上的有关图标来设计制功能模板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作。作。 48 5.3.2 LabVIEW编程步骤编程步骤5.1智能仪器技术5.2虚拟测试仪

28、器技术5.3 LabVIEW虚拟仪器开发平台5.4 组态软件技术5.5基于计算机的安全监测实例49本章目录本章目录组态组态使用软件工具对计算机及软件的各种资使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，从而达到使计算机或软件按照设计意源进行配置，从而达到使计算机或软件按照设计意图自动执行特定任务满足使用者要求的目的。组态图自动执行特定任务满足使用者要求的目的。组态的本质是一种用户可定制功能的软件平台工具。的本质是一种用户可定制功能的软件平台工具。利用组态软件，用户可以根据应用对象及控制任利用组态软件，用户可以根据应用对象及控制任务的要求，以务的要求，以“搭积木式搭积木式”的方式灵活配置、组合的

29、方式灵活配置、组合各功能模块，构成用户应用软件。各功能模块，构成用户应用软件。50 5.4 组态软件技术组态软件技术国内品牌组态软件国内品牌组态软件1.世纪星世纪星：由北京世纪长秋科技有限公司开发。产品自1999年开始销售。2.三维力控三维力控：由北京三维力控科技有限公司开发，核心软件产品初创于1992年。3.组态王组态王KingView：由北京亚控科技发展有限公司开发，该公司成立于1997年，目前在国产软件市场中占据着一定地位。4.紫金桥紫金桥Realinfo：由紫金桥软件技术有限公司开发，该公司是由中石油大庆石化总厂出资成立。5.MCGS：由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发，市场上主

30、要是搭配硬件销售。6.还有还有Controx（开物）（开物）,易控等易控等51 5.4 组态软件技术组态软件技术组态软件的特点： 满足实时多任务要求，能够实现实时监控中需满足实时多任务要求，能够实现实时监控中需要的数据采集与输出，数据分析与处理、图形要的数据采集与输出，数据分析与处理、图形显示、人机交互、实时数据的存储等多个任务显示、人机交互、实时数据的存储等多个任务同时进行。同时进行。 应用简便，组态软件将工业监控系统开发过程应用简便，组态软件将工业监控系统开发过程中经常涉及的大量基础性工作加以总结并封装中经常涉及的大量基础性工作加以总结并封装起来，以控件的形式提供给用户。起来，以控件的形式提供给用户。52 5.4 组态软件技术组态软件技术使用组态软件的一般步骤：使用组态软件的一般步骤： 收集所有收集所有I/O点的参数并设计参数表格。点的参数并设计参数表格。 确定确定I/O 设备信息，包括设备种类和型号、接口类型等。设备信息，包括设备种类和型号、接口类型等。 收