計(jì)算機(jī)仿真的油料庫儲運(yùn)模擬培訓(xùn)

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摘要:油料庫操作人員在上崗之前都要進(jìn)行油庫的裝油和卸油專門培訓(xùn)。采用真實(shí)的油罐進(jìn)行操作培訓(xùn)不但成本高，而且新學(xué)員操作容易引發(fā)事故而造成重大損失。采用軟硬件結(jié)合方式設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)仿真的自動化油料庫作業(yè)模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬油料庫的作業(yè)過程自動控制和手動操作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測油罐狀態(tài)和工藝參數(shù)，記錄與再現(xiàn)操作步驟。利用本系統(tǒng)可以提高油料存儲效益，降低在油料存儲中的人力成本，以及降低真實(shí)油罐操作的事故風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞:監(jiān)控系統(tǒng);C#仿真;軟硬件結(jié)合

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，為油庫油料儲運(yùn)專業(yè)人員培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)手段改革提供了強(qiáng)有力的支持。油庫中油料儲存罐和輸油管道所使用的各種控制閥門是油料儲運(yùn)過程中必不可少的現(xiàn)場儀表，其智能化程度的高低、所含信息的多少和對故障的診斷與容錯(cuò)能力直接影響到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。通常庫區(qū)中的控制閥數(shù)量眾多且分散，普通的控制閥所含信息量少而布線繁多，這在一定程度上使庫區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化［1-2］。另外，硬件上檢測到的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳輸處理進(jìn)入到計(jì)算機(jī)，并通過軟件界面顯示出來，給人以直觀的信息反饋，本系統(tǒng)就是采用軟硬件相結(jié)合的方式，把油罐加油與卸油儲運(yùn)的過程動態(tài)反應(yīng)到計(jì)算機(jī)軟件界面上來，讓人更直觀地進(jìn)行模擬檢測與仿真控制。

1系統(tǒng)的整體邏輯結(jié)構(gòu)

整個(gè)仿真模擬操作系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成:工業(yè)現(xiàn)場傳感器、現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換發(fā)送器(信息編碼及發(fā)送)、信號遠(yuǎn)程傳輸(光纖傳輸)、信號接收轉(zhuǎn)換單元(光信號轉(zhuǎn)為電信號)、智能儀表和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)［3］。整個(gè)油罐操作仿真模擬系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)油罐現(xiàn)場采用智能傳感器，傳感器采集油罐的液位和溫度信號(非電信號)并送給信號轉(zhuǎn)換裝置，通過信號轉(zhuǎn)換裝置將信息編碼變成光信號;采用光纖遠(yuǎn)程傳輸信號，代替電信號的傳輸，這樣就可以防爆、防雷和防電磁干擾，排除傳輸過程中的各種干擾，對于石化等安全性很高的場合有很重要的意義;光信號經(jīng)光纖傳到儀表室，由光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，并送到智能儀表;智能儀表通過處理將其還原為相應(yīng)的現(xiàn)場信號，按照RS232串口通信方式和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信連接;工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的我們的監(jiān)控管理軟件會從智能儀表處實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成現(xiàn)場工況模擬和監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲分析、重要參數(shù)設(shè)定、顯示和實(shí)時(shí)控制。

2仿真監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

仿真監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)以邏輯功能模塊的實(shí)現(xiàn)為主線，下面通過用戶界面、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理和通信傳輸?shù)裙δ艿膶?shí)現(xiàn)，介紹程序設(shè)計(jì)思路。2.1系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理是對仿真監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)的功能菜單項(xiàng)。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)要進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)管理包括登錄認(rèn)證、登錄注銷、密碼修改、用戶管理和退出系統(tǒng)等。2.2用戶界面用戶界面是系統(tǒng)的主要功能界面，包括各種功能:1)系統(tǒng)主界面窗口，該窗口顯示油庫兩個(gè)油罐整體的模擬圖，根據(jù)現(xiàn)場傳感器傳來的實(shí)測值，通過計(jì)算與轉(zhuǎn)換，動態(tài)地顯示兩個(gè)油罐的閥門流速、液位和溫度等。兩個(gè)油罐模擬圖中建立了按鈕功能，在沒有初始化油罐的情況下是不能進(jìn)行觸發(fā)的，只有在初始化成功之后才能點(diǎn)擊使用?？梢栽O(shè)置每個(gè)油罐的流速或者卸速，還有油罐所進(jìn)行的時(shí)間等，但是這一系列的操作時(shí)間都是建立在初始化成功的基礎(chǔ)上才能點(diǎn)擊觸發(fā)。系統(tǒng)的主界面窗口如圖2所示，要啟用系統(tǒng)，需要點(diǎn)擊油罐一模擬或油罐二模擬之后才可以使用。點(diǎn)擊油罐一模擬之后如圖3所示。2)油罐液位動態(tài)變化的動畫模擬，主要功能是模擬工業(yè)現(xiàn)場的油罐液位和溫度的實(shí)時(shí)變化，進(jìn)出油的狀態(tài)、油泵、閥門及報(bào)警動畫。動畫模擬如圖4所示。圖中，油罐一正在以2m3/s的速度加油，油罐二正在以1m3/s的速度卸油。3)參數(shù)設(shè)定功能，傳感器會傳過來的各個(gè)數(shù)據(jù)，比如油罐的液位和溫度的報(bào)警界限值，如液位和溫度的上限、下限，一旦監(jiān)測的時(shí)候達(dá)到這些值，系統(tǒng)會自動強(qiáng)制停止所在油罐的加油或者卸油狀態(tài)。4)狀態(tài)分析處理，狀態(tài)信息提示窗口，提供每個(gè)油罐所處的正在加油、正在卸油、將要加滿、將要卸完以及已加滿和已卸完等狀態(tài)，另外會提示報(bào)警，提供報(bào)警類型，報(bào)警來源等信息。比如油庫作業(yè)中常見的管線泄漏、閥門運(yùn)轉(zhuǎn)故障、泵故障等。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們可以在加油主管道上設(shè)置手動閥門，手動控制閥門來模擬主管道泄漏情況;由“閥門限位故障設(shè)置按鈕”設(shè)置限位故障，模擬電動閥門開關(guān)不到位的故障現(xiàn)象;由故障模擬電機(jī)過載故障，泵通電后不能啟動，由故障開關(guān)來模擬泵電機(jī)缺相合斷電故障。2.3通信傳輸仿真監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場監(jiān)控工作模式和網(wǎng)絡(luò)多級工作組模式?，F(xiàn)場監(jiān)控工作模式是單一的現(xiàn)場監(jiān)控工作站點(diǎn)獨(dú)立工作，只有智能儀表和現(xiàn)場各控制面板之間通信，通信協(xié)議視儀表型號而定［2］。多級網(wǎng)絡(luò)工作組模式是多層次監(jiān)控系統(tǒng)，上級工作站管理監(jiān)控下級工作站，實(shí)現(xiàn)工作站聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。除現(xiàn)場計(jì)算機(jī)和智能儀表通信外，各級計(jì)算機(jī)也有通信鏈路相互連接。2.4操作記錄與再現(xiàn)在仿真監(jiān)控運(yùn)行期間，計(jì)算機(jī)將記錄操作員在計(jì)算機(jī)界面上所做的每一個(gè)操作，包括選擇、輸入、設(shè)置等操作動作，設(shè)置的參數(shù)和操作時(shí)間等，同時(shí)系統(tǒng)每隔一段時(shí)間就會記錄泵轉(zhuǎn)速、管路各處壓力、液位、閥門開關(guān)位置、流量等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將會保存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)可以讀取這些數(shù)據(jù)，再現(xiàn)操作過程和系統(tǒng)參數(shù)變化情況，以便分析在操作過程中存在的問題。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)主要采用C#界面仿真語言進(jìn)行開發(fā)，在開發(fā)過程中主要用到了GDI+圖形程序設(shè)計(jì)、多線程、跨線程訪問UI組件、C#與串口通信等關(guān)鍵技術(shù)。1)GDI+圖形程序設(shè)計(jì)圖形裝置接口(GDI+，GraphicsDeviceInter-facePlus)是Microsoft．NET中進(jìn)行二維向量圖形、圖像及文字等方面處理的Win32API。所有GDI+的功能都包含在System．Drawing、System．Drawing．Imaging、System．Drawing．Drawing2D、System．Draw-ing．Text這些名稱空間的各個(gè)類中。C#通過這些名稱空間所提供的功能進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)和圖形處理［4-5］。用GDI+創(chuàng)建圖形圖像需要首先創(chuàng)建Graphics對象，然后才可以用GDI+繪制線條和形狀、處理文本及進(jìn)行圖像的顯示和處理。這里Graphics是一個(gè)用于創(chuàng)建圖形圖像的對象。一般而言，圖形設(shè)計(jì)過程分為兩步:一是創(chuàng)建Graphics對象;二是使用Graphics對象繪畫、顯示文本或處理圖像。本系統(tǒng)中主要的圖形程序設(shè)計(jì)代碼如下(我們這里只展示一個(gè)圖形的主要代碼):Graphicsg=pictureBox1．CreateGraphics();intheight=pictureBox1．ClientSize．Height－40;intwidth=pictureBox1．ClientSize．Width－20;intvHeigth=150;intvwidth=40;for(inti=height;i＞0;i－－)g．DrawEllipse(pen1，(width－2*vwidth)/2，i，vHeigth，vwidth);g．FillEllipse(brush1，(width－2*vwidth)/2，0，vHeigth，vwidth);代碼含義如下:第一行表示獲取控件picture-Box1的Graphics對象，為之后的繪制線條和形狀做準(zhǔn)備;第2、

3行表示獲取控件pictureBox1的Height和Width屬性，為之后的繪制線條和形狀做準(zhǔn)備;第4、5行是定義所繪制的圖形的寬度和高度;第6、7行表示用Graphics對象g進(jìn)行循環(huán)畫線;第8行表示為該圓柱的頂部填充顏色，使圓柱顯的更為立體。2)多線程在使用C#編寫任何程序時(shí)，都有一個(gè)入口:Main()方法。程序從Main()方法的第一條語句開始執(zhí)行，直到這個(gè)方法返回為止。這樣的程序結(jié)構(gòu)非常適合于一個(gè)可識別的任務(wù)序列的程序，但程序常常需要同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)［6］。例如在使用文字處理軟件的時(shí)候，用戶在輸入文字的同時(shí)，軟件能同步進(jìn)行拼寫檢查而不需要用戶的等待。在C#中多線程功能是封裝在System．Thread命名空間中。在本系統(tǒng)中，程序需要再運(yùn)行主程序的同時(shí)，需要去對硬件接口進(jìn)行監(jiān)測，而又不需要影響主程序的運(yùn)行，所以需要用到多線程。先對監(jiān)測油罐的代碼做了封裝，在開辟新的線程的時(shí)候直接調(diào)用封裝的函數(shù)，下面是在監(jiān)測油罐一的時(shí)候，開辟新的線程的主要部分代碼:Threadt1=newThread(newThreadStart(zonghe1));t1．Start();3)跨線程訪問UI組件因?yàn)樵诖讼到y(tǒng)中我們使用了多線程，使用了多線程之后，就需要了解Windows窗體中最重要的一條線程規(guī)則:除了極少數(shù)的例外情況，否則都不要在它的創(chuàng)建線程以外的線程中使用控件的任何成員［6］。這適用于其類派生自System．Windows．Forms．Control的任何對象，其中包括幾乎所有的UI元素。此外，這條規(guī)則的結(jié)果是一個(gè)被包含的控件必須與包含它的控件位處于同一個(gè)線程中。也就是說，一個(gè)窗口的所有控件屬于同一個(gè)UI線程。但是在此系統(tǒng)中我們需要在按鈕觸發(fā)的監(jiān)控事件中來訪問控制UI組件，這里我們就需要來跨線程訪問UI組件來達(dá)到這一目的，其中有設(shè)置程序不檢查線程的調(diào)用是否合法和使用委托delegate的方法，在此仿真系統(tǒng)中我們是把訪問UI控件的代碼封裝成一個(gè)函數(shù)，此函數(shù)是不帶參數(shù)的，使用MethodInvoker來解決此問題。System．Windows．Forms．MethodInvoker類型是一個(gè)系統(tǒng)定義的委托，用于調(diào)用不帶參數(shù)的方法。使用具體的代碼如下:MethodInvokermi=newMethodInvoker(jiayouTishi);BeginInvoke(mi);4)C#串口通信在VisualStudio．NET中編寫串口通信程序，一般都使用MicrosoftCommunicationControl(簡稱MSComm)的通信控件，只要通過對此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)編程操作，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)串口通信。但在Microsoft．NET技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，VisualStudio．NET沒有將此控件加入控件庫，所以現(xiàn)在采用3種方法在VisualStudio．NET中編寫串口程序:第一種方法是通過采用MSComm控件，這是最簡單的，最方便的方法，但需要注冊;第二種方法是采用微軟在．NET中推出的一個(gè)串口控件Se-rialPort，可方便地實(shí)現(xiàn)所需要串口通信的多重功能;第三種方法是用API函數(shù)進(jìn)行串口通信，雖然難度高，但可以方便實(shí)現(xiàn)在即想要的各種功能［7］。在本仿真系統(tǒng)中我們采用第二種方法，通過RS－232接口實(shí)現(xiàn)了油罐的閥門流速信號、油泵開關(guān)信號的采集與控制。

4結(jié)束語

本文針對油罐的加油卸油過程分析，采用軟硬件相結(jié)合的方法研究開發(fā)了基于實(shí)時(shí)監(jiān)控可操控的一種自動化的油料儲運(yùn)操作仿真系統(tǒng)，它對于灌區(qū)生產(chǎn)和管理提供了更高的可靠性和準(zhǔn)確性，可提高工作效率，降低培訓(xùn)成本和操作中事故出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，對于油料儲運(yùn)操作專業(yè)人員的實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)有重要的作用。

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作者:李明 游福成 姜超 張董 曹越 張陳煒 單位:北京印刷學(xué)院信息工程學(xué)院