计量泵群远程监控方案及其数据服务器设计.pdf

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1、第 2 9卷第 3 期 2 0 1 2年 3月 机 电 工 程 J o u r n a l o f Me c h a n i c a l El e c t ric al En g i n e e rin g Vo l _2 9 No 3 Ma t 2 01 2 计量泵群远程监控方案及其数据服务器设计 施金 培，余 世 明 ，朱 智 勇 (浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 3 1 0 0 2 3)摘要：计量泵被广泛应用于各种流体工业中，国内外对此的研究多集中于工艺结构改 良和机电一体化系统设计，而鲜有多泵、泵群 远程监控和协调调度方面的研究。针对实际工业中计量泵通常需要协同工作的现状，分析

2、和改进了计量泵网络化监控方案，使之满 足对大规模计量泵群的远程监控需求；设计了一套基于 J a v a的专用数据服务器软件，实现了监控系统的数据交换和数据维护；针对 数据量大引起的系统性能下降问题，结合环形缓存机制提出了一种环形对象池技术的设计和实现方案；最后模拟不同的网络负载条 件测试了数据延时时间。研究结果表明，服务器能够保证数据的实时性，能够应用于大规模计量泵群的远程监控中。关键词：远程监控；计量泵群；控制器局域网总线；数据服务器；环形对象池 中图分类号：T F 3 9；T H3 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 1-4 5 5 1(2 0 2)0 3 0 3 3 9 0 4 A R

3、e mo t e mo mt o r i ng s c ne me 0 I me t e r i ng Pu mP g r o up a n d d e s i t “d a t a s e r v e rd e s i g n o t d a t a S e r v e r S HI J i n-p e i，YU S h i-mi n g，Z HU Z h i-y o n g (C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E n g i n e e r i n g，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f

4、T e c h n o l o g y，Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 3，C h i n a)Ab s t r a c t：Me t e rin g p u mp s a r e wi d e l y u s e d i n fl u i d s i n d u s t r y Cu r r e n t r e s e a r c h e s o f t e n f o c u s mo r e o n i n t e rna t i o n al s t r u c t u r e i mp r o v e me n t a n d d e s i g n o f a u

5、 t o ma t i o n s y s t e ms，wh i l e l a c k i n g o n r e mo t e mo n i t o ri n g a n d c o o r d i n a t i o n o f p u mp g r o u p s Ai mi n g t h a t t h e me t e ri n g p u mp s t y p i c all y c o o p e r a t e t o w o r k i n i n d u s t ry，a n i mp r o v e d p l a n o f me t e ri n g p u m

6、p s n e t wo r k i n g mo n i t o r s o l u t i o n a n d a p p rop ria t e c o mmn i u c a t i o n me t h o d wa s p r e s e n t e d t o me e t the n e e d s o f l a r g e-s c ale mo n i t o ri n g A J a v a b a s e d d a t a s e r v e r wa s d e s i g n e d t o ma n a g e d a t a i n mo n i t o ri

7、n g s y s t e m T o s o l v e t h e p rob l e m o f s y s t e m p e rf o r ma n c e d e g r a d a t i o n，a s c h e m e o f r i n g o b j e c t p o o l w a s p u t f o w w a r d，b a s e d o n r i n g c a c h e me c h a n i s mF i n a l l y，d i ff e r e n t c o n d i t i o n s a n d t e s t i n g n e

8、 t w o r k d e l a y ti me w e r e s i mu l a t e d Re s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s e r v e r c a n e n s u r e d a t a r e al-ti me a n d r e l i a b l e，a n d c a n b e u s e d i n l a r g e-?s c a l e me t e rin g i n d u s t ria l mo n i t o r i n g Ke y wo r d s：r e m o t e m 0 n i

9、 t 0 r i n g；m e t e r i n g p u mp g r o u p；c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k(C A N)b u s；d a t a s e r v e r；ri n g o b j e c t p o o l O 引 言 计量泵作为流体精密计量与投料的理想设备，广 泛应用于石油化工、水处理、原料配送、肥料灌溉等 行业。目前国内外对计量泵的研究主要集中于两个 方面：从工艺结构和运行机理上进行分析和改良设 计2-3 ；针对不同的应用场合，利用单片机、A R M、F P G A等微处理器设计嵌入式控制器，来实现对计量

10、 泵的流量控制 1。而对于单泵，对多泵、泵群远程监控 和协调调度 的研究还 比较少。在实际工业应用中，往往 由多台计量泵构成泵 组，共同完成一定的生产任务。泵组间的通信、协调、调度和控制，均需要网络化技术才能实现。很多化工 企业和水处理现场存在强碱、强酸和有毒气体，不便 于人工操作，故采用网络化监控技术是非常必要的。文献 6 提出了一种以太网一 C A N总线的计量泵 远程监控方案，具有一定的参考意义。但该研究着眼于 协议转换器的实现，并未深人探讨网络监控方案，也没 收稿 日 期：2 0 1 1 一 o 9 2 1 基金项目：浙江省重大科技专项计划资助项 目(2 0 1 1 C l 1 0 8

11、 9)作者简介：施金培(1 9 8 6 一)，男，浙江湖州人，主要从事嵌入式系统方面的研究 E m a i l：a p e i s h 1 6 3 c o rn 通信联系人：余世明，男，教授，硕士生导师 E-m a i l：y s m z j u t e d u c a 3 4 0 机 电 工 程 第 2 9卷 有将数据网和控制网隔离，可能会造成网络时延。笔者结合计量泵组的工作特性，对文献 6 中的计 量泵网络化监控方案作进一步的展开分析，使之满足大 规模计量泵群及其辅助设备的远程监控需求。根据流体 工业数据的特点，本研究采用 J a v a 语言设计一个专用 数据服务器，实现监控系统对数据进

12、行分析、组织、转 发、存储等功能；为解决网络传输中数据量大导致的系 统性能下降问题，笔者结合对象池技术和环形缓存机 制，给出一种基于环形存储的对象池技术的实现方式。1 远程监控 系统方案 现场总线作为最受欢迎的工业控制网络之一，具 有全数字化、实时性好、稳定性高等特点，而以太网技 术的引入，使得远程监控成为可能。针对 大规模计量泵群的以太 网 C A N总线远程监 控系统方案设计需要考虑如下几个方面：(1)通信是系统最基本也是最重要的功能需求。现场设备(如计量泵、传感器、开关设备等)通常采用 数字化的现场总线网络互连，以提高数据传输的可靠 性和实时 陛；考虑到计量泵往往工作于高空、矿井或 易燃

13、易爆等危险区域，工作人员需要进行远距离操 作，因此监控设备(上位机 P C)应使用以太网完成通 信。目 前学术上已有许多协议转换器的研究。(2)简单地将 以太 网和现场 总线相联是不 明智 的。因为现场数据往往具有短帧、量大等特点，而以太 网通信依赖于 T C P协议，数据的传输须先建立可靠的 连接。大规模的现场数据可能会导致连接丢失、网络 时延和网络冲突。因此，一方面在硬件上应该将控制 网和数据网隔离开来；同时在分析数据特性的基础 上，需要有一套适用于不 同平 台的通信模型，以满足 以太 网和总线 网的完美对接。(3)操作人员具有查看设备、分析数据、发送控制 指令、打印历史报表等需求。远程监

14、控软件可能会根 据不 同要求运行控制算法和协调现场设备工作。这些 都有赖于一个公用数据库来实现即时和历史数据分 析、存储、查询、组织等功能。基于上述分析，一个基于 C A N E t h e r n e t 的远程监 控系统框架如图 1 所示。该系统主要有以下几个部分：(1)连接网络。包括连接监控计算机的上位机以 太网，若干个现场总线网和连接各总线网的下位机以 太网。不同的网络之间通过中继设备互连。(2)中继设备。协议转换器用于连接总线网和下 位机以太网，完成 T C P I P和 C A N的协议转换；数据服 务器连接下位机和上位机以太网，提供数据过滤、分 图 1 C A N E t h e

15、 me t 远程监控方案 析、转发、查询、存储等功能。(3)节点和终端。监控计算机定期从数据服务器 中拉取数据，并显示设备运行情况；各 C A N节点也将 实时接收到经过数据服务器解析过的控制命令。该方案实现了控制网和数据 网的分离，并通过协 议转换器和数据服务器来实现不同网络之间的通信 连接和数据维护功能，减小 了发生网络时延和网络冲 突的可能性，成功地将 以太 网和现场总线技 术相结 合，使大规模计量泵群的远程监控成为可能。2 数据服务器 的设计 2 1 服务器组成 数据服务器不仅是上位机与下位机的通信交换 中介，亦是所有实时数据和历史数据存储、分析、转发 的地方。为 了使软件的可移植性更

16、强，它采用 了 J a v a 语言编写。数据服务器主要包括 以下部分：T C P S e r v e r、Me s s a g e Fa c t o r y、Co nt r o l Ce n t e r。2 2 T C P S e r v e r和通信实现 T C P 服务器端的工作是建立一个通信终端，并被 动等待客户端的连接。本研究采用 J a v a n e t 包 中的 S e r v e r S o c k e t 和 S o c k e t 来实现有阻塞 的 T C P服务端，并引人多线程机制来解决 S o c k e t 的阻塞问题。主线程启动若干个子线程：线程 S o c k

17、e t S e n d 从发 送池中提取发送报文并转发；线程 S o c k e t S e l e c t 用来 监听端 口，调用 a c c e p t 方法来建立套接字，并针对每 个套接字启动线程 S o c k e t R e c e i v e和若干个 G e t M e s s a g e；线 程 S o c k e t R e c e i v e将接 收到的报文写人 一个 b u f f e r 中；线程 G e t M e s s a g e 从 b u ff e r 中提取数据并推 入接收池。各个子线程的程序流程如图2 所示。实际应用中的 T C P协议不会在接收到数据后立

18、即对其进行确认，通常为了减少网络拥塞而采用了延 时确认的机制，使得 T C P 协议无法满足实时I生 要求较 高的场合。因此 T C P S e r v e r 中调 用 S o c k e t 实例 的 s e t T e p N o D e l a y方法关闭了延时确认。第 3期 施金培，等：计量泵群远程监控方案及其数据服务器设计 3 4 1 图 2 T C P S e v e r 子线程流程图 2 3数据分析交换 数据的分析和交换主要依赖于 M e s s a g e F a c t o r y 和 C o n t r o l C e n t e r。M e s s a g e F a

19、c t o r y 用于报文的提取、阅读、验证等；C o n t r o l C e n t e r 维护用户列表和负责维护多个 发送和接收队列，控制信息发送格式和流向，并为高 级功能应用(数据库、数据表等)提供一些可用接口。报 文 按 格 式 分 为 4种：C O MMA N D、R E Q U E S T、R E S P O N S E、C O M M O N。C O M M A N D用于发送控制命 令，具有最高发送优先级和即到即传特性；R E Q U E S T 用于建立连接和获取数据等；R E S P O N S E是针对 R E Q U E S T的响应；C O M M O N用于

20、发送一般性数据，如传 感器值等，优先级最低。与 T c p S e r v e r 相同，C o n t r o l C e n t e r 也采用了线程池 的方法。主线程循环启动各个子线程。每个时刻都有 多个不 同类 和同类 的线程 同时在运 行(可能有 上百 个)。有以下几种子线程：(1)P r o c e s s R e c e i v e，从多个 T c p S e r v e r 的接收池 中 得到报文，辨别报文格式，提取其中信息，处理后放人 相应的发送接收队列(对象池)。(2)P r o c e s s R e s p o n s e，从 相 应 队 列 中提 取 R E S P

21、O N S E处理后放人 T C P S e r v e r 发送池等待发送。(3)P r o c e s s C o m m a n d，提取 C O M MA N D并发送。(4)P r o c e s s R e q u e s t，处理请求信息，包括请求连 接、请求实时数据、请求历史数据、请求断开等，生成 R E S P O N S E并放入相应队列。此外，C o n t r o l C e n t e r 还负责数据的存储和管理。2 4 基于环形存储的对象池技术 以太网在通信过程中将产生大量的原始数据、解 析封装后的中间数据以及处理后的最终数据；直至被 持久化或发送出去之前，这些数据

22、都将暂留在内存 内。每个数据封装在各自的 J a v a 对象里。这将占用大 量的资源空间，而且频繁地创建 删除对象也会大大降 低系统的运行效率。为解决这个问题，笔者结合对象 池技术 刮和嵌入式系统中常用的环形缓冲机制，提出 一种基于环形存储的对象池技术。环形缓冲机制的缓冲区通常有一个读指针和一 个写指针。本研究通过移动指针来指向不同的内存地 址，并对该地址进行数据读 写操作。因此，环形对象池 的设计模型如图 3所示。图 3 环形对象池 图 3中 P r o d u c e l n d e x为产生索引，指向下一个可 写对象，C o n s u m e h td e x 为消耗索引，指向下一个

23、可读 对象。数据按同一个方向写入和读取。环形对象池设 计结合了单例模式和工厂模式，它的 U M L 类图基本 如图 4所示。3 4 2 机 电 工 程 第 2 9卷 与普通对象池不同，用于提取可用对象的方法有 两个：g e t C o s u m e O b j e c t()和 g e t P r o d u c e O b j e c t()。它们 的基本流程都是先判断当前对象池是否有可读 可写 对象，如果是则返回，否则线程进入睡眠模式直至被唤 醒为止。每次操作都将更新对象池状态。为了保证线程 安全，以上方法都加上了同步(s y c h r o n iz e d)关键字。数据服务器中使用了

24、环形对象池来实现多个不 同的队列，包括接收池和发送池、C O MMA N D池、R E Q U E S T池等。对象池技术明显提升了系绕生 能。3 性 能测试 数据服务器除 了在功能上要 满足各类报文分类 查询转发等需求外，在性能上还要达到实时性和稳定 性要求。考虑到各种数据中只有控制命令和报警输出 才具有即收即发的要求，大多数数据允许有一定延 迟。因此本研究设计测试流程如下：在计算机 A上启动数据服务器程序；在计算机 B 上使用现有的T C P软件模拟建立若干个客户端，连接 服务器并发送不同格式的报文；在计算机 c上模拟建 立一个下位机端和一个上位机端，上位机端发送若干 条控制报文并被上位机

25、接收，并通过抓包软件查看报 文并计算出报文平均延迟时间。通过改变负载条件可 得到更多的测试结果。负载条件包括两方面：O)C A N网络数的数量，一 个 C A N总线网络的节 点上 限取决 于电气驱动能力，一般只有数十台到上百台；总发送速率，指的是数 据总量大小。C A N网络的速率大约在 5 K b p s 1 M b p s 之间，相对于以太网来说还是较低的。在不同的负载条件下，数据延迟及所占系统资源 情 况如 表 1所 示。测试 环境 如下：服务器 C P U为 A M D 4 2 0 0+双核 2 2 G H z，内存 2 G；抓包软件使用目前 表 l 不同负载下数据服务器工作情况 十

26、分流行 的 Wi r e S h a r k 1 5。表 l中：N e t s 表示模拟的的 C A N网络数，S P E E D表示数据发送总速度，D a t a D e l a y 表示当前负载下一条控制报文的数据延迟。C P U和 M e m o 表示稳态下服务器所占系统资源。从表 l中可知，在低负载条件(5 0 0 K B s以下)的 数据延迟是十几微秒以内，在流程工业 中可 以忽略；在负载条件在 1 M B s 左右时数据延迟达到0 2 S，已到 了数据服务器在实时性方面的瓶颈；当数据总量超过 2 5 M B s 时，数据服务器无法正常工作：测试过程中发 现内存占用快速上升，最后因内

27、存耗尽而崩溃。其他 条件下系统最后总能趋于稳 定。可以认定，至少在模 拟有 2 0个 C A N子网、总数据速度在 l MB s以下的环 境中，数据服务器能够保证实时l生 和稳定性需求。4 结束语 针对实 际工业 中计量泵通常需要以泵群泵 组方 式工作的状况，以及目前国内外相关研究的欠缺，本 研究详尽地分析了对大规模计量泵群监控的各方面，对文献中所提到的网络监控方案进行了改进和应用。基于改进的计量泵群远程监控系统方案 的需求，笔者使用 J a v a 语言开发了一个专用数据服务器，以满 足监控系统对数据分析、交换、维护等需求。考虑到网 络通信中数据量多大长度短的特点，本研究提出基于 环形缓存的

28、对象池技术。模拟测试结果证明服务器能 够保证数据的实时f生和可靠性。参考文献(R e f e r e n c e s)：1 陈雨田，黄晓斌，陈震，等 计量泵、磁力泵、高速泵和增 压泵的应用介绍与市场发展 J 1 化工设备与管道，2 0 0 6，4 3 (6)：3 5 3 8 2 李团结 行程可调计量泵的性能与结构参数间的关系 J 西安电子科技大学学报，2 0 0 4，3 1(1)：4 4 4 6 3 华锁宝，潘政广 计量泵振动机理分析和减振措施 J _1 流 体机械，2 0 1 0，3 8(2)：4 5 4 8 4 WA N G G u a n g w e i，WA N G L i f a n

29、 g R e s e a r c h o n F P G A c o n t r o l l e d me t e r i n g p u m p fl o w s y s t e mi C J E P r o d u c t E s e 卜 v i c e a n d E E n t e r t a i n m e n t(I C E E E)2 0 1 0 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e Wu h a n：s n ，2 0 1 0：1-3 5 佟金颖，罗琦，黄圣杰 基于 d s P I C的感应电动机调速系 统控制器设计 J _ 微电机，2 0 0 9，4 2(4)：5 O 一 5 1 6 倪孟科，余世明，施金培 E t h e me t C A N总线协议转换器在 计量泵远程控制中的应用 J 机电工程，2 0 1 0，2 7(2)：5 0-5 3 7 刁冬坡，陈平，张立勇，等 基于 J a v a 的对象池技术的设 计和实现 J 计算机应用与软件，2 0 0 6，2 3(2)：6 6 6 8 8 汪永好 对象池技术的原理及实现 J 计算机信息技术，2 0 0 9，1 2(2)：5 6 5 8 编辑：李辉