氫等離子體裂解煤制乙炔實(shí)驗(yàn)信息顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、氫等離子體裂解煤制乙炔實(shí)驗(yàn)信息顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)程婷羅家融孟月東劉英中國科學(xué)院等離子體物理研究所 中國 合肥 230031摘要：本文主要講述了在氫等離子體裂解煤制乙炔實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的研究。實(shí)驗(yàn)信息顯示系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)顯示，基于GUI的圖形顯示和基于web的遠(yuǎn)程顯示三種方式，采用Client/Server和Browser/Server相結(jié)合的模式，方便實(shí)驗(yàn)人員在不同的工作環(huán)境下了解實(shí)驗(yàn)情況，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：socket通信，實(shí)時(shí)顯示，façade模式The devise and realization of the information display system i

2、n the 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

3、to have 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 rese

4、archers can get an acquaintance of the experiment no matter where they are. Keyword: socket communication, real-time display, façade mode一引言我國是一個(gè)貧油少氣，煤炭資源相對(duì)豐富的國家。乙炔是重要的有機(jī)化工原料，乙炔工業(yè)生產(chǎn)有甲烷部分氧化法和電石水解法，電石水解法工藝流程長、能耗高、會(huì)排出大量電石廢渣和廢水，而甲烷部分氧化法則會(huì)造成投資規(guī)模過大。經(jīng)科學(xué)研究證實(shí)：煤在氬氣和氫氣等離子體中裂解，直接制乙炔的工藝方法，在技術(shù)上是合理的，經(jīng)濟(jì)上更優(yōu)于甲烷部

5、分氧化法。氫等離子體裂解煤制乙炔中試實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)和開發(fā)就是為其產(chǎn)業(yè)化在技術(shù)和工程上打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)人員通過實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)了解實(shí)驗(yàn)情況，總結(jié)每次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，也為下一步工作提供參考。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)人員需要實(shí)時(shí)掌握各個(gè)通道對(duì)應(yīng)的物理參量，及時(shí)了解反應(yīng)器內(nèi)的工作狀況，用以決定反應(yīng)是否繼續(xù)進(jìn)行。在一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員需要獲取一次實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)，進(jìn)行研究分析。氫等離子體裂解煤制乙炔系統(tǒng)是一個(gè)多方合作項(xiàng)目，一些不能到達(dá)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的工作人員也希望能了解實(shí)驗(yàn)情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)通過三種不同的方式，為不同需求的實(shí)驗(yàn)人員提供一個(gè)多方面了解實(shí)驗(yàn)情況的途徑。二系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)需求，實(shí)驗(yàn)信息顯示系統(tǒng)包括三個(gè)部分，用

6、以滿足不同的需求，即：實(shí)時(shí)顯示（即online顯示）、基于web的遠(yuǎn)程顯示和基于GUI的圖形顯示（即offline顯示）。實(shí)時(shí)顯示是為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的工作人員，實(shí)時(shí)地顯示工藝參數(shù)，具有時(shí)效性。主要包括在系統(tǒng)工藝流程圖中實(shí)時(shí)顯示各個(gè)通道的變化和將部分通道的物理信息通過曲線直觀地顯示其變化過程?；贕UI的圖形顯示是自主開發(fā)的Win32應(yīng)用程序，用戶根據(jù)自己的需求，查看一次實(shí)驗(yàn)或多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析，比較。Web顯示是為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)人員提供的，由于此項(xiàng)目是由多個(gè)研究部門共同研究的，涉及科研人員多且地域分布廣。對(duì)于不能到達(dá)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)人員，可以通過web顯示了解實(shí)驗(yàn)情況，通過網(wǎng)絡(luò)方式比傳統(tǒng)的通過電話

7、、傳真等方法了解實(shí)驗(yàn)情況，更快，更全面，也更經(jīng)濟(jì)。由于系統(tǒng)面向的使用對(duì)象多為物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)人員，要求界面操作簡單，對(duì)用戶的計(jì)算機(jī)操作水平要求不高。系統(tǒng)采用Browser/Server（B/S）和Client/Server（C/S）混合模式編程。根據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的綜合考慮，選用VC+軟件編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和基于GUI的圖形顯示，而用Java實(shí)現(xiàn)基于web的遠(yuǎn)程顯示，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的網(wǎng)頁制作無法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能。VC+可以方便地開發(fā)Win32應(yīng)用程序，用VC+開發(fā)的實(shí)時(shí)顯示和基于GUI的圖形顯示采用C/S模式，應(yīng)用程序邏輯分布于客戶端和服務(wù)器端之間，主要的客戶邏輯在客戶端完成，服務(wù)器端僅僅是完成數(shù)據(jù)服務(wù)。J

8、ava語言是由Sun公司開發(fā)的一個(gè)跨平臺(tái)的編程語言。具有分布式、面向?qū)ο蟆⒖梢浦?、?dòng)態(tài)、多線程的特點(diǎn)。用Java開發(fā)的遠(yuǎn)程顯示采用B/S模式，分為客戶層，應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)服務(wù)三層，其主要應(yīng)用邏輯在應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)可位于同一臺(tái)機(jī)器，也可位于不同的平臺(tái)?？蛻舳素?fù)責(zé)人機(jī)交互，接收用戶的輸入，對(duì)輸入進(jìn)行分析檢查，如果有誤，則在本地消除，如果正確，則傳送給應(yīng)用邏輯層，這么做的好處是把錯(cuò)誤輸入盡早消除，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量，加快響應(yīng)速度。三系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)問題的解決整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括預(yù)調(diào)試階段，反應(yīng)階段和冷卻階段。采集機(jī)接收從各個(gè)放大器送來的電壓信號(hào)，并以1次/秒的刷新速率送往

9、控制機(jī)，控制機(jī)將接收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成真實(shí)的信號(hào)值，并進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的物理量，如：液位、壓力、流量等?？偪厝藛T根據(jù)這些信息進(jìn)行PID控制。當(dāng)程序調(diào)節(jié)到穩(wěn)定時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員可以保存當(dāng)前PID的控制信息，便于下次實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定。同時(shí)控制程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器端保存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中。我們選用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)人員關(guān)心的是實(shí)驗(yàn)反應(yīng)階段的數(shù)據(jù)，如何確定實(shí)驗(yàn)起始時(shí)間是關(guān)鍵問題。每臺(tái)計(jì)算機(jī)的晶振不同，所以無法對(duì)多臺(tái)計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確定時(shí)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)起始時(shí)間的確定，我們采用軟件觸發(fā)的方式。當(dāng)電源系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，我們認(rèn)為

10、實(shí)驗(yàn)開始，并向總控臺(tái)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)?？偪嘏_(tái)接收到信號(hào)后，將通知數(shù)據(jù)服務(wù)程序動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，用來存儲(chǔ)一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，總結(jié)一次實(shí)驗(yàn)的綜合信息，將其存入實(shí)驗(yàn)信息表。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將直接影響到系統(tǒng)的訪問效率。這里，我們將數(shù)據(jù)庫分層設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖第一層是對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體介紹。通道信息記錄各個(gè)通道和物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及各個(gè)通道的量程范圍等信息。實(shí)驗(yàn)信息表記錄每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，采樣點(diǎn)數(shù)等信息。第二層是每次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，記錄各通道在一次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)。這種存儲(chǔ)格式能有效提高數(shù)據(jù)庫的查詢速度，有利于數(shù)據(jù)庫的管理。同時(shí)也可以為用戶提供兩種不同的檢

11、索方式：按時(shí)間檢索和按實(shí)驗(yàn)名稱檢索，方便用戶查詢。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常重要，為了防止誤操作帶來不必要的損失，數(shù)據(jù)庫將定期進(jìn)行備份。2：實(shí)時(shí)顯示實(shí)時(shí)顯示是對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性反映，以檢測該點(diǎn)在現(xiàn)場工藝條件變化情況下的控制穩(wěn)定性。實(shí)時(shí)顯示程序1次/秒獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以數(shù)字和曲線兩種方式顯示在計(jì)算機(jī)界面上。數(shù)據(jù)顯示配以模擬工藝流程圖，幫助工作人員更直觀地了解系統(tǒng)運(yùn)行情況。實(shí)時(shí)曲線不可能在有限的屏幕范圍內(nèi)一次性全部顯示出來，而每一時(shí)刻看到的都應(yīng)該是最新接收到的N個(gè)數(shù)據(jù)所畫出來的曲線。曲線顯示從計(jì)算機(jī)屏幕的最右端開始顯示，隨著時(shí)間的推進(jìn)，整個(gè)曲線動(dòng)態(tài)地向左移動(dòng)。各個(gè)顯示界面的切換采用多試圖切換方式。實(shí)時(shí)顯示程序包

12、括數(shù)據(jù)接收和實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)功能模塊。數(shù)據(jù)接收模塊監(jiān)聽控制端，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳來時(shí)，就通過消息響應(yīng)函數(shù)通知顯示模塊。實(shí)時(shí)曲線的繪制首先要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。程序中首先構(gòu)建一個(gè)“先進(jìn)先出”的隊(duì)列，該隊(duì)列保存最近的N個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)隊(duì)列滿了以后，就把最新進(jìn)入隊(duì)列的數(shù)據(jù)頂出去，以保證數(shù)據(jù)是最新的。曲線的繪制采用“雙重緩沖”技術(shù)，首先在內(nèi)存中把曲線繪制好，形成一個(gè)位圖，然后將其內(nèi)容拷貝到屏幕上，在每次拷貝屏幕前，都先清除原有的屏幕內(nèi)容，以防止出現(xiàn)圖形疊加的情況。這種方法將曲線一次性在屏幕中顯示出來，繪圖速度快，遠(yuǎn)小于人眼的響應(yīng)時(shí)間，基本消除了閃爍現(xiàn)象，使得繪制出來的圖形流暢，視覺效果較好。實(shí)時(shí)顯示的優(yōu)點(diǎn)是速度快，

13、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法保存，只適合在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的人群，且只能在實(shí)驗(yàn)過程中觀看。3：基于GUI的圖形界面顯示基于GUI的圖形界面顯示是使用胖客戶機(jī)結(jié)構(gòu)，其主要業(yè)務(wù)邏輯在客戶端完成，提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，下載，打印等功能。軟件設(shè)計(jì)將采用分層結(jié)構(gòu)，整個(gè)程序分為功能層和接口層，將用戶接口和功能核心分離開。功能層提供數(shù)據(jù)讀取模塊和繪圖模塊，數(shù)據(jù)讀取模塊從數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，繪圖模塊根據(jù)圖形基本參數(shù)和圖形數(shù)據(jù)繪出所需的圖形。接口層則將用戶的命令轉(zhuǎn)化為對(duì)功能層的調(diào)用。例如：當(dāng)用戶選擇對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行放大操作時(shí)，要將所選區(qū)域的坐標(biāo)和對(duì)于數(shù)據(jù)的最大、最小值送往繪圖模塊，進(jìn)行重繪，從而實(shí)現(xiàn)圖形放大功能?；贕U

14、I的圖形界面顯示采用C/S模式，能提供友好的用戶操作界面，可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)大的功能。但是Client端程序的每次修改，用戶都需要重新安裝。且客戶端程序和數(shù)據(jù)服務(wù)器直接連接，安全性較低?；贕UI的圖形界面顯示主要適用于局域網(wǎng)內(nèi)的用戶。局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好，能保證較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。一般是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷時(shí)使用。4：基于www的遠(yuǎn)程顯示基于www的遠(yuǎn)程顯示主要是為不能到達(dá)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的人員所用，主要功能是能突破地域限制，讓更多的工作人員了解實(shí)驗(yàn)情況，尤其是一些外地的專家學(xué)者，可以及時(shí)地為實(shí)驗(yàn)的發(fā)展提出寶貴意見。當(dāng)然，web方式的數(shù)據(jù)顯示沒有軟件方式的功能強(qiáng)大。遠(yuǎn)程顯示采用B/S設(shè)計(jì)

15、模式。其結(jié)構(gòu)如圖3：圖3. Browser./Server模式結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用服務(wù)層作為用戶和數(shù)據(jù)服務(wù)器的中間層，屏蔽了用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫的直接操作，提高了系統(tǒng)的安全性能。Applet通過socket通信，從應(yīng)用邏輯層獲取數(shù)據(jù)，應(yīng)用邏輯層通過JDBC訪問數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫JDBC的應(yīng)用是Façade模式的一個(gè)典型應(yīng)用。Façade模式是為子系統(tǒng)中的一組接口提供一個(gè)一致的界面，是個(gè)理順系統(tǒng)間關(guān)系，降低系統(tǒng)耦合度的一個(gè)常用方法。在應(yīng)用中，需要經(jīng)常對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，如果按照常規(guī)的做法，則要編寫大量重復(fù)代碼。Façade模式就是將其中不變的部分提取出來，做成一個(gè)接口。同時(shí)，如果系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)需要更改，也只要更換接口中的代碼就可以了。所有程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問都是使用改接口，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了靈活性?；趙ww的遠(yuǎn)程顯示采用B/S模式，對(duì)客戶的要求最低，用戶只需要有一個(gè)支持Java的瀏覽器，就可以通過Internet直接查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。且對(duì)于應(yīng)用邏輯的任何改變，在應(yīng)用層改變后，客戶端不需要做任何的改變，就可以看到更新后的結(jié)果。但是，在web上的圖形顯示速度較慢，尤其是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好的情況下。這種方式主要適用于不能到達(dá)實(shí)驗(yàn)基地的領(lǐng)導(dǎo)，專家使用。四結(jié)論本文給出了一個(gè)較完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案