控制软件设计论文模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇控制软件设计论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

（2）控制策略

控制系统风门互锁的控制要求并不复杂，关键是有效判断风门区域人员车辆的状态，并根据状态进行开闭风门。人员在巷道内行进过程是随意的，系统需要根据人员在微波传感器检测区域内的最终状态，对人员行进完成状态估计。如图3所示，根据人员的位置和传感器有效信号可以把人员行进的状态和风门控制策略分成9种，如表1所示。风门控制策略是控制系统的核心，策略制定的优劣直接影响着风门控制的可靠性。表1中根据人员行进的最终位置分为不同的状态估计，结合定时器对人员状态进行状态估计和制定控制策略。

（3）实现方法

有限状态机（FSM）理论是本风门自动控制系统状态转换和控制策略的理论基础。FSM包含有限的状态，但在任一给定时刻必须而且只能处于其中的一个状态，系统的状态变化受事件的驱动，事件是系统的活动或外部输入信号，它受当前状态约束。因此，研究有限状态机的关键就是在其状态空间中找到状态转换的轨迹，这要求在每个状态下全面分析驱动状态转换的事件（包括系统的活动和输入信号）和转换的目的地（即转换后的状态）。每个状态都有其特定的输出（系统的各项功能和性能指标），即系统状态转换伴随着系统的性能指标随时间的变化。风门自动控制系统的动态特性就是通过状态转换表现出来，巷道风门检测区域内人员行进过程中的每个有效位置都相当于一个状态，在任何时刻风门只能处于一个工况状态，工况间的转换受传感器信号即事件的驱动。当传感器信号满足进入某一工况的条件时，风门立即进入该工况下运行，一旦外部事件不受该工况下条件的约束时，风门立即离开该工况寻找另一个工况。每个风门区域可以作为一个对象，该对象有微波传感器和定时器属性，属性取值为开或关。2个操作开门和关门。根据人车通行过程和风门对象属性值的不同组合，可以把工作流程划分为5个状态:初始态，状态1，状态2，状态3，状态4。用统一建模语言中的状态机视图表达，如图4所示。图门状态转移示意图该视图中对不同区域设置不同传感器配合定时器对人车运动状态进行分类。从初始状态开始，当人车运动速度满足最低传感器1阈值接近区域入口时，风门开启，进入状态1，此时开启定时器1；若在定时时间到后区域检测不到信号则判断为人车退出风门区域，返回初始状态；若传感器2信号有效则进入状态2，同时开启定时器2，此时判断人车进入风门，人车的行走不会影响状态的改变，直到传感器3信号有效。状态2和状态3的人员已经进入风门，系统处于等待人车通过风门区域。传感器4有效时进入状态4，此时人车前端已经通过风门，系统等待其他部分通过风门区域。此时如果传感器没有信号则进行短暂延时后关闭风门。下一步就是根据状态机视图为PLC编写梯形图程序了。程序中使用了置位指令SET和复位指令RSET进行状态的切换，有些型号的PLC没有提供置位和复位指令，但都有实现置位和复位指令功能的变通方法，可以根据常开常闭寄存器切换，因此利用该状态机视图编程序具有很好的通用性。

篇2

    (1)根据该项目设计的要求:对系统进行了总体设计。构建了以通用 PC 机 为上位机,可编程序控制器(S7-200PLC)为下位机的控制系统。

    (2)控制软件编程:控制软件采用自适应设计,使系统的稳定性发挥到最佳 状态。采用提前量自整定的控制算法并编写了 PLC 程序,实现了提高了发油精 度的设计目标。

    (3)组态软件设计:利用组态软件实现上位机对系统的组态控制。 

    由于时间有限,本课题难免存在一些不足,需在以后的研究中进一步完善。 后续工作应集中在以下几方面:

    (1)本系统设计主要是针对中小型油库而设计的,总的发油鹤位小于十个, 如果油库的规模再大些,可以采用 S7-300PLC 作控制主站,S7-200PLC 通过 PROFIBUS 现场总线挂接在 S7-300 上作为控制从站,形成 PROFIBUS 现场总线 结构,系统的适应能力会更强大。

    (2)为了加强系统的可靠性,如果条件允许,还可以增加双设备冗余或双 机热备功能。

    (3)在原有控制程序的算法上加入人工智能方法(专家系统、模糊逻辑、神 经网络),实现智能控制,从而提高控制系统的性能。

    6 技术经济分析

    本文是针对中小型油库设计的。设计的对象是自动发油系统;设计的目的是在日益激烈的国际市场竞争面前,提高油库效率,加快周转,加强安全管理,减少人为差错,增强竟争力和提升企业形象。信息化、自动化、规范化是油库发展的必然趋势。

    以PLC为控制器投资比较大。一台西门子S7-200的PLC加上扩展模块售价为5000元;油泵每台2500元以内;电动机每台2000元,总投资为23000元。它比DCS系统和以太网系统要贵一些,但是,它以良好的人机界面、发油的稳定性和兼容性为以后的维修和长时间的使用打下了基础,后期的维修费用大大降低了。

    致谢

    本论文是老师的悉心指导下完成的,在课题进展的全过程中,宋老师精心指导,严格要求,可以说自己每一步的前进都是与老师的指导分不开的。 宋老师学识渊博、治学严谨,具有丰富的实际科研项目经验。宋老师待人热情,从不以长者自居,他是学生的良师益友。总而言之,无论是在做学问还是在做人方面,宋老师为我树立了榜样,指明了方向。

    本论文之所以能顺利完成,还要感谢同学们的热心帮助,我还要向自己的父母、亲戚和朋友表示感激,感谢他们的全力支持和鼓励。最后,我再一次向曾经支持和帮助过我的老师、同学表示衷心 的感谢!

    参考文献

    [1]  司马冰.石油化工信息化现状和发展趋势.数字化工.2004,(12):1~4

    [2]  王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例.电子工业出版社,2004:22~39

    [3]  郑晟,巩建平,张学.现代可编程控制器原理与应用.科学出版社,2002:10~22

    [4]  SIMATIC S7-200 可编程控制器系统手册.2002.4

    [5]  周万珍,高鸿斌.PLC 分析与设计应用.电子工业出版社,2004:141~173

    [6]  彭向军.基于现场环境的部队油库综合业务信息管理平台的设计与实现.中国科技大学硕士论文.2001:43~54

    [7]  王金龙.浅谈油库防爆电磁阀的选用.石油商技.2000,(2): 40~41

    [8]  高东华.新旧国家标准《石油计量表》与微机自动发油系统之分析.石油库与加油站.2000,(5):32~34

    [9]  赵翔,李着信,税爱社.自动罐装系统电液控制阀恒流调控软件包.油气储运.1997,(3):30~33

篇3

自动控制故障注入是对产品进行检测实验以及验证容错系统的技术手段之一。利用故障注入这一形式，设备检测实验能在UUT（被验证单元）进行机内测试功能的诊断以及外部测试功能诊断的验证。在科学技术不断进步发展的背景下，自动控制故障注入这一技术已经全面代替传统的手工的故障注入技术。在验证容错系统的过程中，故障注入能客观评价整个系统的容错能力。当前从验证对象不同的技术状态进行划分，可将故障注入这一技术分为两大类型：一是应用到成品中的技术，一是在产品模型或者产品开发设计状态中的技术。

当前故障输入技术能有验证对象进行紧密的联系，但是无法直接在电子成品设备中进行验证，所以，自动控制故障注入设备的设计与实现成了该领域的重点以及难点。

一、自动控制故障注入设备结构设计

1.自动控制故障注入设备结构研究

自动控制故障注入设备包含了多个模块，各个不同的模块功能各有特点。

数字控制的主要功能在于对软件发出的命令进行接收，形成对应的控制信息；控制软件能对故障注入设备的相关数值进行设定、控制，外界测试器测试出的结论将向控制软件进行反馈，做出故障结果的分析以及处理动作；驱动放大模块主要功能在于放大控制信号，驱动加强信号的接收以及切换模块，驱动故障控制模块；注入设备的信号接收模块功能在于提供UUT信号接收线口，在还未进行故障注入时保证UUT能够进行正常的工作，所谓接口适配器能将故障注入设备与UUT进行匹配以及连接，类型各异的UUT适用于不同的接口适配器类型，以此来提高故障注入的实用性能；另外，注入设备的信号接入总线主要是利用接口适配器，将UUT的信号线与故障注入设备进行连接，免于在大量故障接入过程中再重新进行连线，最终保证注入故障的实用性以及操作便利。

该注入设备结构还包括以下部分：故障注入总线主要是用来进行故障注入操作；信号切换模块以及注入模块主要以故障注入要求为前提，将相对的信号与总线发出的信号进行切换；故障注入能对不同类型的故障注入进行操作，显示模块会将与总线进行连接的信号注入至总线信号通道，在通道上完成故障类型的设置。

2.自动控制注入设备设计工作原理

在自控注入设备设计与实现过程中，主要工作原理在于利用设备控制软件实现故障参数的注入，通过数字控制设计模块，控制软件形成信息被解析成为控制信号，利用驱动放大模块来将信号进行放大，利用驱动控制接收模块、故障注入模块等运作，最终实现故障的自动注入以及撤销。

设计故障注入设备的重点在于实对设备的实用性能、通用性能及完整性能做充分考虑。在通用性设计中，UUT与接口适配器注入设备分离，可对UUT进行信号处理时了使用耐大电压的电流器件，将UUT的信号兼容能力进行提升。在操作性能的设计中，将接口适配器所需要的UUT信号一次性与故障输入设备进行连接，利用显示模块对控制指令进行确认，保证指令的正确执行，如此便于进行多种复杂的软件操作。在设备完整性设计方面，故障注入相关模块进行了保护性相关安排，能够免于物理性质损坏UUT相关的电子元件。在注入设备的拓展性方面，信号拓展接口以及信号切换对应模块在接入信号时实现了能力拓展，而故障注入模块则直接开拓了故障注入能力。

二、注入设备重点模块设计

1.输入设备故障注入模块设计

故障注入模块包括多种故障类型：错误信号、短路信号、串联电阻、固高信号以及信号与电阻产生地面搭接等。

信号串联电阻的主要原理图如上。在必要的条件下，可对电阻进行多个组合完成阻值的匹配，阻值选择主要通过驱动大模块以及数字控制模块进行确定，利用K1、K2完成操作，再将电阻与对应的故障注入总线进行串联。

2.控制软件的设计

故障注入自动控制软件的运用原理主要是：在注入设备参数得以建立之后，利用自动控制使用界面产生和形成了注入参数值，产生同UUT的故障参数相关的数据文件，形成UUT不相关的控制数值等，向UUT注入故障注入设备的故障信息，在此基础上对相关的信息以及最终的注入效果进行结果的收集，产生输出数据的形式文件，便于进行分析。

3.自动控制故障注入设备的实现

在设计故障注入设备的前提条件之上实现自控故障注入设备，这一故障设备总共含有了四十多条信号通道接收总线以及三条故障注入总线。在注入设备控制软件设计中，在WINDOW平台上进行操作，利用BASIC语言进行编写，设备采用110v额定电压以及1A额定电流类型继电器，注入设备的数字控制模块利用PCI插件版。

在对设计的故障输入设备进行注入实验过程中，主要的故障注入部位是注入设备内的串行通信线，这一总线设计具有对应的设备接口适配器，利用数字化的波形采集器采集故障波形信息，累计注入68个故障。

三、结语

自动控制故障注入设备在进行故障注入设备性能实验中占有重要地位和作用，当前须根据实际的故障注入要求，在坚持故障注入设备扩展性、实用性、操作性以及无破坏性基础上进行自动控制技术的设计以及研究，通过系列的实验对注入设备实际效果进行验证。另外，注入设备之间含有可插拔的连线，其电流以及信号电压保持在中、低取值范围，但是这一故障注入设备包含的故障类型仍然不全面，在日后的设计中仍需要加强和完善。

参考文献

篇4

引言

剑杆毛巾织机以其灵活多变、适应性广、技术发展成熟而深受毛巾生产企业的青睐。当前剑杆毛巾织机逐步替代了老旧的有梭织机，成为了毛巾织造行业的主流设备。近年来，国产剑杆毛巾织机在市场需求的推动下得到了巨大的发展，但是遍布江浙地区的中小型剑杆毛巾织机生产企业的自主研发能力普遍还很弱，现有的剑杆毛巾织机产品大多数是在测绘国外中低档产品的基础上进行改进，高性能与新机型的研发能力以及自动控制系统的研发能力普遍不足，而市场竞争越来越激烈，需要不断更新和开发产品。因此，在完成机械部件设计的基础上，开发具有自主知识产权的高性能控制系统，逐渐成为国内中小型剑杆毛巾织机生产厂家关注的重点。

文章以剑杆毛巾织机样机（如图1所示）为控制对象，在分析毛巾织造工艺的基础上，提出了一套以ARM技术为核心的新型毛巾剑杆织机控制系统设计方案，并制作样机。文章的研究成果将在合作单位首先试用并进行产业化推广，有利于推动绍兴以及浙江地区中小型剑杆毛巾织机生产企业产品的升级换代，提高其市场竞争力。

图1 剑杆毛巾织机样机

1 硬件设计方案

设计的毛巾剑杆织机控制系统以ARM技术为核心，采用的主控芯片为LPC1766。硬件电路设计过程为：首先，根据控制系统的详细设计方案，完成电路原理图设计，并计算相关电路参数，采购电路元器件。其次，对关键电路模块进行功能仿真或制作实物电路论证电路设计的合理性与可靠性。最后，绘制电路PCB板图，重点考虑电路布局与电路板抗干扰性能。在拿到PCB样板后，焊接控制系统电路板。其核心电路如下所述：

1.1 主控制板硬件电路设计

主控制板硬件电路设计包括：LPC1766芯片供电模块、电源电路、数据存储模块、时钟电路、USB输入输出接口、19264液晶显示屏控制电路、掉电复位保护电路、剑杆毛巾织机运行状态信号量输入模块、起毛伺服控制器接口、键盘接口电路以及电子多臂龙头控制板、伺服电机连接控制板与8色选纬控制板的接口等电路模块的设计、验证与制作调试工作。其中液晶显示电路如图2所示。

1.2 卷取伺服电机连接控制板设计

卷取伺服电机连接控制板主要解决主控制板与卷取系统的伺服电机控制器之间的通信问题，具有独立的控制芯片STCF1104。该连接控制板与主控制板之间的通信采用RS232实现。卷取伺服电机连接控制板与伺服控制器之间需要实现伺服使能信号、伺服硬件异常报警信号、伺服系统定位完成、伺服电机旋转方向与脉冲数等信息的读取与设置。

2 控制系统软件设计

剑杆毛巾织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-II与FAT32文件管理系统为平台进行开发。其设计流程如下：

（1）在控制系统方案设计：首先，进性详细的市场调研，分析市场上主流的剑杆织机控制系统（包括平布与毛巾织机）的功能特点，借鉴其好的设计思想，使其为我所用，并设法改进其不足之处，确保设计的剑杆毛巾织机控制系统符合当前的技术潮流，并具有自己的特色。其次，与合作单位的机械部件设计人员进行充分的交流，在深刻领会其整机设计思想、织机控制要求与控制系统制造成本要求后撰写剑杆毛巾织机控制系统用户需求分析报告与总体方案设计报告，并提交合作单位审核通过。确保项目研究成果能在合作单位使用推广，并被市场接受。

（2）控制系统详细设计：首先，详细分析毛巾织造工艺流程，理清剑杆毛巾织机控制信息点、研究织机动作时序，确立控制时间节点与控制信息间的逻辑关系。其次，根据用户需求分析报告，对总体方案进行细化，提出各个控制模块与相关控制算法的具体实现方案，并完成关键芯片与外购部件的选型工作。

（3）控制系统软件编写：首先，选择合适的软件开发工具，建立嵌入式系统开发环境，并完成嵌入式实时操作系统μC/OS-II与FAT32文件系统在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系统所有控制信息之间的逻辑关系，编写控制系统软件流程图与状态向量图。再次，对控制系统软件进行模块划分，编写各个子函数的输入输出接口，并设计控制信息数据结构模型与控制算法。最后，项目组软件编写人员通过分工合作完成软件代码编写与调试。

（4）剑杆毛巾织机控制系统调试：在完成控制系统硬件电路制作与控制软件设计后进行系统软硬件联合调试，验证各项控制功能是否完备、织机动作流程控制是否合理、各个控制模块工作是否稳定。通过软硬件联合调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误。

（5）剑杆毛巾织机整机调试：在完成控制系统软硬件调试后，将剑杆毛巾织机控制系统安装到合作单位提供的样机上进行整机调试，验证剑杆毛巾织机的整机功能是否达到设计标准、能否正确合理完成毛巾布料制造全部工艺流程与安全性要求。通过整机调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误，使得设计开发的控制系统达到设计要求。

控制系统软件具体的开发流程如图3所示。

图3 控制系统软件设计开发流程图

3 结束语

设计完成的毛巾剑杆织机控制系统具有以下特点：（1）设计了电子送经、伺服卷取功能模块。由变频器、交流电机与接近式张力传感器组成的电子送经机构实现了毛巾织造过程中相对稳定的经纱张力控制，简化了机械结构，又具有成本优势。伺服卷取机构实现了变纬密织造、毛巾须长停车自走、定位停车后自动补偿消除停车挡等功能，并简化了机械零部件设计，如取消纬密齿等。（2）在不增加硬件设备情况下，设计了软件自动寻纬算法，能提高布面拼挡效果，而且将减轻挡车工的劳动强度与操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服电机控制起毛凸轮的转动角度，实现了毛巾织物起毛高度在设计范围内任意变化，能够实现波浪型花纹编织。（4）剑杆毛巾织机控制系统软件基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II构建，改变了传统织机控制系统软件普遍采用的前后台模式，提高了控制系统的实时性，也有利于提高剑杆毛巾织造工艺。

参考文献

[1]代金友.剑杆织机的发展趋势与品种适应性[J].科技信息，2012（14）.

[2]陈明.新型剑杆织机的工作原理及设备性能分析[A].2009中国国际纤维纱线科技发展高层论坛暨第29届全国毛纺年会论文集[C].2009.

[3]朱海民，张森林.基于uC/OS和ARM的经纱张力嵌入式智能控制系统设计阴[J].机电工程，2006（4）.

篇5

中图分类号：TP274+.5文献标识码： A 文章编号：

1OPC技术的原理及特点

OPC是一个工业标准，采用客户／服务器模式，以微软的组件对象模型（COM／DCM／COM＋）技术为基础，为工业控制软件定义了一套标准的对象、接口和属性，通过这些对象接口，应用软件之间能够无缝地集成在一起，实现了应用程序间数据交换方式的标准化。OPC客户是数据的使用方，处理OPC服务器提供的数据；OPC服务器又是数据的供应方，负责为OPC客户提供所需的数据。OPC已成为一种工业技术标准，应用此技术可以方便地把不同供应商提供的驱动程序与应用程序集成在一起。

OPC的优越性及特点：

1)在过程控制和机器制造工业领域的“即插即用”；

2)允许在不同供应商开发的硬件装置和应用软件之间通过共同的接口进行数据交换，Windows技术和OPC接口使之有可能将可编程控制端的硬件和软件组合在一起而不需要开发大量专用的通讯接口程序，由此节省了人、财、物；

3)使从办公室产品到过程数据的访问简单易行而且灵活可靠；

4)OPC客户可与所有接受OPC服务器的软件进行数据交换，并在数据库系统上建立了OPC规范，OPC客户也可与之实现数据交互。

2 服务器的功能及优点

0PC服务器对象为一组数据信息源进行访问(读/写)或者通信提供了一种方式。源变量的类型是一套服务器执行的功能函数。通过OPC接口部件，一个OPC客户应用程序能连接到OPC服务器，而且可以与OPC服务器进行通信，并处理相应的数据信息。OPC服务器对象为OPC客户应用程序建立和利用OPC组对象提供了相应的功能特性。这种组对象允许客户应用程序将它们所希望访问的数据信息有效地组织起来。

利用OPC技术可以对现场设备及驱动程序进行封装，形成OPC服务器，OPC服务器向下对设备数据进行采集，向上与OPC客户应用程序通信完成数据交换。OPC服务器屏蔽了现场层的设备驱动程序，控制系统的趋势之一就是网络化，控制系统内部采用网络技术，控制系统与控制系统之间也网络连接，组成更大的系统，而且整个控制系统与企业的管理系统也网络连接，控制系统只是整个企业网的一个子网。在实现这样的企业网络过程中，OPC发挥了重要作用。在企业的信息集成包括现场设场设备与监控系统之间、监控系统内部各组件之间、监控系统与企业管理系统之间、以及监控系统与Internet之间的信息集成。OPC作为连接件，按一套标准的COM对象、方法和属性，提供了方便的信息流通和交换。无论是管理系统还是控制系统，无论是PLC可编程控制器，还是DCS或者是FCS现场总线控制系统，都可以通过OPC快速可靠的彼此交换信息。换句话说，OPC是整个企业网络的数据接口规范。所以，OPC服务器提升了控制系统的功能，增强了网络的功能，提高了工业自动化及企业管理水平。

3 OPC技术在工业自动化控制系统中的应用

随着工业生产的不断发展，由于生产规模的扩大和过程复杂程度的提高，工业自动化控制软件设计面临巨大挑战，即要集成数量和种类不断增多的现场信息。在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息共享是通过驱动程序实现的，不同厂家的设备使用不同的驱动程序，迫使工业控制软件中包含越来越多的底层通信模块；另外，由于相对特定应用的驱动程序一般不支持硬件的变化，使得工业自动化控制软硬件的升级和维护极其不便。同时，在同一时刻，两个客户不能对同一个设备进行数据读写，因为拥有不同的、相互独立的驱动程序，同时对同一个设备进行操作，可能会引起存取冲突，甚至导致系统崩溃。OPC技术的出现很好地解决了这些问题。OPC以OLE／COM／DCOM技术为基础，采用客户／服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准，标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。采用这项标准后，硬件开发商将取代软件开发商为自己的硬件产品开发统一的 OPC接口程序，而软件开发者可免除开发驱动程序的工作，把更多的精力投入到其核心产品的开发上。这样不但可避免开发的重复性，也提高了系统的开放性和互操作性。但在应用过程中必须注意服务器测试、设备驱动程序开发中的异构等相关问题的处理。

3.1服务器测试

OPC服务器必须经过OPC基金会的测试,需要加入OPC基金会,成为其会员,然后从OPC基金会下载测试软件,进行详细的兼容性测试,只有成功通过,这个服务器才可得到OPC基金会的认可的产品,OPC基金会会在网上公布其产品。

3.2设备驱动程序开发中的异构问题

随着计算机技术的不断发展，用户需求的不断提高，以DCS（集散控制系统）为主体的工业控制系统功能日趋强大，结构日益复杂，规模也越来越大，一套工业控制系统往往选用了几家甚至十几家不同公司的控制设备或系统集成一个大的系统，但由于缺乏统一的标准，开发商必须对系统的每一种设备都编写相应的驱动程序，而且，当硬件设备升级、修改时，驱动程序也必须跟随修改。同时，一个系统中如果运行不同公司的控制软件，也存在着互冲突的风险。

3.2.1 现场总线系统中异构网段之间的数据交换

由于现场总线系统存在多种总线并存的局面，因此系统集成和异构控制网段之间的数据交换面临许多困难。有了OPC作为异构网段集成的中间件，只要每个总线段提供各自的OPC服务器，任一OPC客户端软件都可以通过一致的OPC接口访问这些OPC服务器，从而获取各个总线段的数据，并可以很好地实现异构总线段之间的数据交互。而且，当其中某个总线的协议版本做了升级，也只需对相对应总线的程序作升级修改。

3.2.2可作为访问专有数据库的中间件

在实际应用中，许多控制软件都采用专有的实时数据库或历史数据库，这些数据库由控制软件的开发商自主开发。对这类数据库的访问不像访问通用数据库那么容易，只能通过调用开发商提供的API函数或其它特殊的方式。然而不同开发商提供的API函数是不一样的，这就带来和硬件驱动器开发类似的问题。要访问不同监控软件的专有数据库，必须编写不同的代码，这样显然十分繁琐。采用OPC则能有效解决这个问题，只要专有数据库的开发商在提供数据库的同时也能提供一个访问该数据库的OPC服务器，那么当用户要访问时只需按照OPC规范的要求编写OPC客户端程序而无需了解该专有数据库特定的接口要求。

3.2.3便于集成不同的数据

OPC便于集成不同的数据，为控制系统向管理系统升级提供了方便。当前控制系统的趋势之一就是网络化，控制系统内部采用网络技术，控制系统与控制系统之间也网络连接，组成更大的系统，而且，整个控制系统与企业的管理系统也网络连接，控制系统只是整个企业网的一个子网。在实现企业网络过程中，OPC技术发挥了重要作用。

3.2.4使控制软件能够与硬件分别设计

OPC使控制软件能够与硬件分别设计、生产和发展，并有利于独立的第三方软件供应商产生与发展，从而形成新的社会分工，有更多的竞争机制，为社会提供更多更好的产品。OPC作为一项逐渐成型的技术已得到国内外厂商的高度重视，许多公司都在原来产品的基础上增加了对OPC的支持。由于统一了数据访问的接口，使控制系统进一步走向开放，实现信息的集成和共享，用户能够得到更多的方便。OPC技术改变了原有的控制系统模式，给国内系统生产厂商提出了一个发展的机遇和挑战，符合OPC规范的软、硬件也已被广泛应用，给工业自动化领域带来了勃勃生机。

3.2.5数据的刷新及断开连接

先在“引用”将近 Siemens OPC DAAutomation 2.0加入，然后开始定义全局变量。在本程序中，使用了两个OPC组进行OPC访问，所以定义了全局变量。首先要定义OPC服务类型与计算机结点名。定义OPC组与OPC标签组。并定义OPC的标签数组与值数，注意，值数组一定要设为Variant。

OPC处理：只对WINCC

Const ServerName = "OPCServer.WinCC" ‘OPC的类型

Const NodeName = "GUK" ‘结点名，即计算机名

‘Dim NodeName As String

Dim WithEvents MyOPCServer As OPCServer ‘OPC服务

Dim MyOPCGroupColl As OPCGroups ‘

Dim WithEvents MyOPCGroupOut As OPCGroup ‘OPC组，本程序用两个组进行OPC连接

Dim WithEvents MyOPCGroupIn As OPCGroup

Dim MyOPCItemCollIn As OPCItems ‘OPC标签组

Dim MyOPCItemCollOut As OPCItems

Dim ServerHandlesIn() As Long ‘句柄

Dim ServerHandlesOut() As Long

Dim ErrorsIn() As Long ‘错误句柄

Dim ErrorsOut() As Long

Dim WatchDataReadItem(100) As String 记录OPC的标签

Dim WatchDataReadValue(100) As Variant 存放OPC的值

Dim WatchDataWriteItem(100) As String 记录OPC的标签

Dim WatchDataWriteValue(100) As Variant 存放OPC的值

在定义所有变量后，要进行OPC连接,先要配置要访问的OPC标签名，在WatchDataReadItem、WatchDataWriteItem中加入相应的标签名，注意：这两个数组必须由1开始，不能由0开始。

配置好标签后就要进行OPC连接了。如下面子程序：

1)ClientHandles1先配置名柄索引，这将在读取OPC标签的值时可要用到

2)生成OPC对象，

3)进行OPC标签连接。

4 OPC技术应用及发展前景

随着基于OPC标准的控制组件的推广与普及，不仅使控制组件的增设和组件的置换更加简单，而且使过程数据的访问也变得容易。比如过程控制程序可以直接和数据分析软件包或电子表格应用程序连接，从而达成高度的工厂控制系统的信息化。当今软件在自动化领域内使用的重要性与日俱增，无论项目是否涉及到操作、可视化、数据存档或控制向纯粹的、基于PC的软件解决方案的发展趋势是不可阻挡的。因此，随着Internet技术的广泛应用与发展，OPC技术及标准将应用于更加广泛的领域，OPC技术必将赋予现代工业自动化控制软件更强的生命活力，前景十分广阔。

参考文献

篇6

中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）25-0012-02

引言

现在无线电定位技术已经得到了很广泛的应用，但是无线电定位技术对于某些小距离、小范围的定位显得有些大材小用，换句话说就是有些浪费成本。超声波传输距离远，传输速度相对于无线电小的多，对于处理器的速度要求及处理精度并不是很高，需要运算的数据量远小于无线电波，运算的速度要求也小于处理器去处理光电信号的速度要求，所以在小空间、小范围的定位中，超声波定位具有很大的优势，可以大幅节省硬件成本，减少CPU的运算工作量，对于智能家居等类似的行业具有很好的开发前景。

1.定位原理

无线电定位是通过各个定位点的无线电波频率来识别各个定位点的，从而获取定位点的坐标信息，参考无线电的定位原理，超声波的定位原理与无线电定位类似，主节点发出位置获取信号，定位节点一旦收到就将自己的信息信号发出。如图1，节点P（x，y，z） 表示需要定位的人或物，节点A、B、C构成定位系统的参考网络，由A、B、C发出的超声波到达节点B的时间可以得到PA、PB、PC三条线段的距离即主节点到三个定位结点间的距离。

由图中几何关系可以得到

，（T为环境摄氏温度）

然而在实际的系统中，由于超声波在空气中的传播速度会衰减，传输距离有限，而且容易受到障碍物的影响，三个定位节点可能远远不够的，可能会出现盲区，即定位节点发出的超声波可能达不到或者可以达到的节点不够3个，这时算出的坐标位置可能就会出错，为了避免类似情况的发生，为保证定位精度更加准确，活动范围更广，可以使用较多的定位点，呈矩阵状合理分布，同时每个定位点有自己的位置坐标，主节点只要测得三个不同节点的距离，就可以计算出主节点在系统中的坐标。为了减小误差，定位的高度及定位点间的距离应该经过反复测试，以得到最佳的高度及间距。

2 系统组成方案及硬件实现

系统组成如图2所示，整个系统主要由主节点、PC上位机及若干个定位节点组成。其中，主节点及定位节点主要由微处理机系统、无线电收发电路、超声波接收电路或超声波发射电路组成。

2.1 微处理机系统

微处理机选用Atmegal16单片机，它有16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32个通用I/O 口线，是高性能低功耗的8位单片机。

2.2 超声波发射电路

超声波发射电路是定位节点的主要功能模块，主要用来向主节点发送超声波，主节点依据超声波传来的时间来计算出主节点与点位节点间的距离。

2.3 超声波接收电路

超声波接收电路是主节点的主要功能模块，主要用来接收定位节点发来的超声波。

2.4 无线电发射接收电路

无线电发射模块采用的芯片是NRF24L01，主节点上的无线发射模块主要由两个功能：第一个功能是依次向各个节点发射带地址编码无线信号，一旦有定位节点接收到主节点发射来的对应自己编码的无线电信号，该定位节点会将自己的地址编码立即反馈给主节点，同时定位节点向主节点发射超声波信号，主节点一旦收到定位节点发来的反馈信号就立即开启定时器定时，在设定时间范围内如果收到该节点发来的超声波信号，通过声速与时间的乘积就可以得到主节点与此结点间的距离，一旦主节点得到三个不同定位节点间的距离，然后依据定位节点的地址编码来获取这三个定位节点的位置坐标，依据前面推导的类似的公式就可以得到主节点的坐标位置；第二个功能是向连有PC机的节点发送坐标位置数据以供PC机实时显示坐标位置。定位节点的无线发射模块主要用来接收主节点的无线信号，一旦接收到主节点的无线信号就将自己的编码迅速的反馈给主节点，以通知主节点进行计时。

3 系统控制软件组成

3.1 主节点软件设计

主节点程序设计流程如图3，初始化的过程主要包括数据初始化，寄存器配置初始化，及系统硬件的自检过程。主结点的软件设计主要功能有：1.能够识别定位节点的坐标位置；2.实现捕获超声波传输时间的精准计时；3.通过相对距离及坐标位置的几何关系计算出主节点的坐标位置；4.对位置坐标结果进行数字化滤波处理，减小误差。

3.2 定位节点软件设计

定位节点程序设计流程如图4，定位节点功能相对简单，主要是提供节点坐标位置，提醒主节点进行开始计时等。

3.3 数字滤波处理技术

由于超声波本身的传输衰减性，外界物体的干扰，以及硬件本身设计上的种种不足，所得到的坐标位置结果会不可避免的存在误差，不仅能够很好的处理数据结果，大幅度减小误差，还可以减小硬件上的投入，节省成本。数字滤波处理技术，有很多种，而且各有特点。单一的方法很难实现精准的滤波，多种滤波方式结合起来使用会有很好的滤波效果。这里选用的滤波方式主要有：限幅滤波法，中位置滤波法、算术滤波法平均滤波法。如图4，当主节点以一个三角形移动时经过滤波处理后PC机显示的主节点位置坐标信息，误差基本上能够满足要求。

4 结束语

经过硬件参数的反复调整实验，以及各种滤波处理，可以将主节点的定位误差控制在5～10cm以内，单点对单点的定位误差控制在1cm，控件可以在5立方米以内。系统的不足还有很多，定位系统坐标还需合理优化，位置精度还不够精确，硬件设计还需反复测试优化。

参考文献

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[2] 华虎.普适计算室内定位算法研究[学位论文].上海：东华大学.2006.

[3] 华蕊等.《国外电子测量技术》.2009年第6期

[4] 韩刚. 基于无线电和超声波的室内定位技术响应时间的研究[学位论文].哈尔滨.哈滨工业大学.2009

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[6] 任丰原，黄海 T，林闯. 无线传感器网络[J].软件学报，2003，（10）：1-6.

（基金项目：天津职业技术师范大学校级项目KJ14-12）

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中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3678-04

将以太网技术应用于现场总线技术是分布式控制系统发展的必然趋势，与传统的现场总线相比，以太网现场总线具有刷新周期短，数据传输容量大，数据传输效率高，同步性能高等优点。目前常用的实时工业以太网技术有EtherCAT技术、EtherNet/IPIP技术、Ethernet Powerlink技术、Modbus/TCP技术等[1-3]。

EtherCAT是由德国Beckhoff 自动化公司开发，该总线具有高速和高数据有效率的特点，在硬件实现上具有网络拓扑结构灵活、接线简单、性价比高等优点，为今后实时工业以太网的发展趋势，更是今后实时分布式控制系统的首选[4]。

1 Ethercat总线的工作原理与相关协议[5-6]

1.1 Ethercat总线的工作原理

2 主站的硬件设计

2.1 DSP单元

核心器件采用TMS320C6455[9]，该器件TI公司推出的高速信号处理器，最高工作频率为1.2GHz，该模块主要电路包括时钟、复位、JTAG调试接口、存储器、通信电路、模拟量接收电路等组成。DSP主要用于复杂的实时信号处理（如：数控系统多轴的运动轨迹规划、实时的插补算法、误差补偿、伺服滤波算法），并将运算结果通过FPGA传送到PowerPC控制的EtherCAT总线上。存储器电路主要包括DDR2存储器以及FLASH存储器和DSP的接口，DDR2存储器用于存放数据，FLASH存储器用于存储运行程序和系统重要参数。模拟量接收电路在FPGA控制下，将外部输入的模拟信号数字化后送入DSP，用于数据信号处理。通信电路主要为千兆以太网接口电路，DSP内部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通过外部扩展PHY芯片实现网络功能，千兆网主要用于系统参数设置和调试使用。

2.2 FPGA单元

在设计中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件内部有39600个LE 资源，有1兆位的RAM，可提供三百多个输入输出 引脚，芯片内部集成了一百多个个乘法器和4 个PLL 锁相环，满足硬件设计需求。FPGA用于实现DSP和PowerPC的双向数据交换，PowerPC将接收到的EtherCAT总线上各控制单元的信息通过FPGA传送到DSP内部，DSP通过FPGA可以将相应的数据传到EtherCAT总线上各单元。另外，FPGA还用于逻辑控制，实现模拟量输入输出信息、开关量输入输出信息与DSP、PowerPC的无缝连接。

2.3 PowerPC （MPC5200B）单元

主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，该器件为Freescale 公司推出的32位高性能处理器，器件主频工作频率为400MHz，为了提高程序运算速度，器件内核分别带有16K字节的程序、数据高速缓存，带有一个双精度浮点处理单元。对于外部关键信号，片内带有标准中断管理单元。为了实现器件与外部通信，MPC5200B片内集成一路100M的以太网控制器，两路CAN总线控制器，多路串行口控制器。该单元由MPC5200B、时钟电路、复位电路、JTAG 调试接口、通信接口电路、存储器接口电路以及对外扩展接口电路等组成。该模块主要用于实现用于实现EtherCAT的物理接口以及主站协议的软件实现，并提供相应的控制软件。

2.4 电源单元

2.5 通信单元

在设计中为了考虑硬件的兼容性，采用了多种通信接口，在DSP上挂接一路1000M的以太网，用于DSP系统调试参数设置，在PowerPC上挂接一路100M以太网接口，六路串行接口（分别为2个RS232口、两个RS485口、2个CAN接口）。1000M的以太网用于实现EtherCAT总线物理接口，RS232口用于实现与PC通信，RS485口和CAN接口可以实现与其他设备接口，满足系统通用性要求。

3 主站软件设计

EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC两个运行程序，DSP程序主要功能是实现复杂控制算法，PowerPC程序功能为实现EtherCAT协议的通信和设备的控制。DSP运行的软件主要为算法研究，由于篇幅所限，文章着重详述在PowerPC硬件平台下，EtherCAT协议和控制软件在Linux操作系统中的实现。

3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站软件功能

在PowerPC下运行的EtherCAT 主站软件主要包含如下功能：首先，完成系统主站硬件的初始化，软件能够对系统运行时间进行计数，对系统运行状态进行监控；其次，主站软件通过发送命令要对EtherCAT 系统以及各个从站进行初始化，实现主站与各从站之间的数据实时交换，实现相关协议解析和转发；再次，主站软件可支持在线下载、实时更新。软件结构采用模块化编程，底层软件提供硬件驱动，中间层软件为上层应用软件和底层软件提供接口，实现上层应用软件与驱动软件隔离。

3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站软件具体实现

EtherCAT初始化完成后，在Linux内新建两个内核定时器，一个用于完成周期性数据通信，另一个用于轮询非周期性任务，也就是状态机处理任务。周期性数据通信定时器的优先级最高，定时器运行周期通过配置软件设置，非周期任务查询定时器的优先级较低，周期可定为50毫秒。

初始化和配置完成后，启动定时器开始发送周期性数据帧，并检查返回的数据帧，对返回的数据帧进行解析，获取从站的数据交给DSP处理，DSP对数据进行处理后，将新的输出命令发给PowerPC，PowerPC继续发送周期性数据帧。

4 结论

采用基于DSP和PowerPC的硬件平台实现了EtherCAT总线主站相关协议，通过测试可知， 主站周期性的向各从站（测试时，从站数量为3）发送EtherCAT 数据包（数据包数量为1518字节），各从站接收到自己的数据包，再向主站返回相应信息，EtherCAT总线延时时间为3.02μS，可以看出主站设计满足实时性要求。

参考文献：

[1] 杜品圣.工业以太网技术的介绍和比较[J].仪器仪表标准化与计量，2005，5：16-19.

[2] 缪学勤.论六种实时以太网的通信协议[J].自动化仪表，2005，26（4）：1-6.

[3] 刘艳春.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

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[5] 周千翔.基于实时以太网的分布式电子控制器设计[D].南京：南京航空航天大学硕士论文，2008.

[6] EtherCAT Communication Principles[R].EtherCAT Technology Group，2007.

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摘要：动调式陀螺测斜仪是一种新型精密陀螺测斜系统，适用于有磁性干扰的丛式井、加密井的钻探测量及在完井后的套管内或钻杆内进行测量。该仪器漂移很小，有效地提高了井眼轨迹测量结果的准确性。为了匹配仪器测量精度，测试数据处理采用空间曲线积分法，实现井眼轨迹空间展布的精细描述，开发出对应测斜资料分析方法与解释平台，为老井轨迹复测、侧钻井等提供实施依据。

关键词：动调式陀螺；井眼轨迹；空间曲线积分法；陀螺测斜解释平台

0引言

为提高油气井利用率和开发效果，地质部门在开发过程中，经常在原井眼基础上进行开窗侧钻，对井眼轨迹的准确性提出了更高的要求。以往由于受仪器精度及设备技术条件限制，井眼轨迹的测量结果往往存在较大偏差，从而影响了对地层的正确评估。所以，为了提高侧钻井的成功率，就需对某些老井复测井眼轨迹[1-2]。本文采用动调式陀螺仪进行井眼轨迹测量，为匹配仪器测量精度，测试数据处理采用空间曲线积分法，实现井眼轨迹空间展布的精细描述，开发出对应测斜资料分析方法与解释平台，为老井轨迹复测、侧钻井等提供实施依据。

1陀螺测斜仪

常用2种陀螺测斜仪测量井眼轨迹。一种是框架式陀螺测斜仪[3]，其原理是利用高速旋转的物体具有定轴性的原则实现方位测量，由于高速旋转的运动存在摩擦力，容易产生漂移，而且这种因漂移而产生的偏差会随着时间而增大。另外，框架式陀螺无法直接测量方位，需要在开始测量前用人工确定正北作为基准，这样容易带来人为误差。由于框架式陀螺测斜仪的漂移偏差无法预测和克服，导致井眼轨迹测量结果不稳定。而动调式陀螺仪采用了更为先进的挠性支撑，因而漂移很小，有效地提高了井眼轨迹测量结果的准确性。动调式陀螺测斜仪是一种精密陀螺测斜系统，采用惯性导航原理，利用挠性陀螺仪和石英挠性加速度计作为主要测量元件，通过定点测量仪器各轴的地球自转角速度和加速度分量，经过系统解算后得到当前位置的井斜度、方位角。然后，根据各测量点的方位、倾斜角确定井眼轴线的空间位置，同时为了与钻具配合，必须随时得到工具面角[4]。特别适用于有磁性干扰的丛式井、加密井的钻探测量及在完井后的套管内或钻杆内进行测量。

2井眼轨迹曲线算法优化

井眼轨迹算法有很多种，常用方法有平均角法、圆柱螺线法、最小曲率法和曲率半径法[5-6]。这些计算方法大多是将测量段内的井眼轨迹假设为直线、折线、圆柱螺线和斜面圆弧曲线等简单曲线模型[8]。井眼轨迹计算是通过测量井眼的斜深、井斜角和方位角，然后，再用一定的计算方法将这些测量数据解释为XYZ空间坐标数据[9]。

井眼轨迹计算的积分法是一种基于空间曲线的方法，它将相邻的2个井斜测点的连线视为一渐变空间曲线[5-8]，这更符合钻井工作的实际，其精度高于常用的井眼轨迹计算方法。在实际井眼轨迹测试时，通过优化工艺方案，制定合理资料录取方案，采取连续测斜或加密测点方案，可以最大程度地逼近轨迹空间曲线形态。

3处理解释系统设计

陀螺测斜解释平台采用C#开发完成，充分利用人工智能，与上游基础数据库紧密衔接，用户仅需进行简单输入工作便可完成井眼轨迹评价，大大提高了单井处理效率。软件设计3个功能模块，主要实现数据处理、图表绘制、报告生成(见图1)。

3.1数据处理

动调式陀螺测井仪主要采取点测方式进行，在开窗侧钻位置或最大井斜位置采取加密测点或重复测试某深度点的工艺提高测试数据精度。在数据处理上实现数据质量自动检查，如果相邻测点测深增量ΔL=0，说明这2点为重复测试数据，需要计算其平均井斜角和方位角。再采用空间曲线积分法依次计算相邻测点垂深增量ΔH、水平位移增量ΔS、东西位移增量ΔE、南北位移增量ΔN，并对n个测点位移累积求和就是某点的垂深、水平位移、东西位移和南北位移。

3.2图表绘制

对井眼轨迹的描述主要采用水平投影图、垂直剖面图和三维轨迹图方式。绘制水平投影图和垂直剖面图时，需要考虑实现新老井眼轨迹对比功能。因为早期的陀螺测井测量和分析误差相对较大，在开展动调式陀螺仪对老井数据进行普查，落实真正的井眼轨迹时，进行新老井眼轨迹对比绘图(见图2)。

三维轨迹图主要利用计算机图形化计算，采用OPENGL绘图方式，实现井眼轨迹的三维缩放、旋转等功能，使用户对井眼轨迹走向更能直观准确地观察和掌握(见图3)。

3.3报告生成

陀螺测试井眼轨迹报告内容包括井基础数据、现场测试情况、井的三维轨迹图、垂直剖面图、水平投影图、解释结论表等。井基础数据或轨迹对比所需老井井眼数据直接通过油田上游信息系统A2数据库中获取，只需输入正确的井号，便可连接A2系统。

报告形式以Word格式表现，利用MicrosoftOffice系统中word模板编辑功能，可以预先对报告内容进行整体编辑排版。系统以word标签查找方式，完成计算结果、各种表格、图件等内容对应添加到Word文档中，实现一键自动生成报告的功能，满足不同用户、不同地质需求，大大降低了单井处理解释时间。

4陀螺测井技术应用

4.1克服磁性干扰，指导加密井钻进

油田开发后期，依靠打定向井、加密井或老井侧钻稳产增效[8]。动调式陀螺测井仪由于其不受磁性干扰的特点，可以在井距较小：磁性干扰强烈的环境下，准确测取井筒的倾斜角、方位角、工具面角等参数，进一步计算可得出垂深、南北偏移、东西偏移、闭合方位等参数，指导新井钻进。

TJH油田计划在的G71井附近打1口水平井，由于该区块为低渗透区块，井距普遍较小。为了保证侧钻顺利完成，该井在侧钻过程中，对本井及邻井均分别进行了陀螺定向及测斜，发现水平井设计井眼轨迹存在问题，该井与水平井的最小距离只有18.58m，存在安全隐患，随后根据计算结果及时调整钻井方案，保证了水平井顺利施工，投入正常生产后初期日产油近50t。

4.2应用陀螺定向，提高侧钻中靶成功率

在剩余油富集区实施侧钻井是老井产能建设的重要手段，陀螺定向在油田广泛用于老井开窗侧钻，减少定向时间，提高了侧钻中靶率[9-10]。

BQ油田B19-1断块计划在高部位部署BS24-7K井，实施前对BS24-7井进行陀螺测试，总水平位移与原来的认识相差204.2m(见图4、图5)，根据结果及时进行调整钻井方案，避免井位落空。该井投产后，初期日产油9.8t。

5结论

(1)动调式陀螺测斜仪不受铁磁物质的影响，适用于有磁性干扰的丛式井、加密井的钻探测量及在完井后的套管内或钻杆内进行测量。无需人工校北并且采用先进的挠性支撑，更有效地提高了井眼轨迹测量结果的准确性。

(2)开发了井眼轨迹分析平台，采用与动调式陀螺测斜仪测量精度相匹配的空间曲线积分法，能够更加精细描述井眼曲线空间展布。

(3)动调式陀螺测井技术在油田落实井眼轨迹、判断油水井在油层中具置、指导加密井部署、提高侧钻中靶率等方面提供可靠了依据，能够取得很好的地质应用效果。

软件开发毕业论文范文模板(二)：随采地震监测数据采集控制软件开发论文

摘要：随采地震能够对工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报，成为近几年的研究热点，但是目前还没有能够在煤矿井下开展随采地震长期连续监测的装备及配套软件。为了解决这个问题，基于MicrosoftFoundationClasses(MFC)开发框架，开发了一套随采地震监测数据采集软件，在室内、野外进行了为期3个月的联调测试，并且在贵州岩脚煤矿与井下随采地震监测设备开展了为期3个月的全面试运行。测试表明，软件实现了随采地震信号的高效采集、完全存储和处理软件的实时通信功能，具有运行稳定、操作便捷、处理高效、便于维护、无人值守等优点。

关键词：随采地震监测；数据采集；软件设计

我国的煤矿以井下开采为主，与国外相比，我国煤炭行业的信息化水平较低，矿山空间信息仍然以图表和文字作为主要的存储介质，信息基础设施未能跟上时代变化的脚步，使得煤矿企业的竞争力受到严重的制约[1]。煤矿井下危险具有多变性、隐蔽性，导致安全问题成为威胁煤矿工人生命的核心问题[2]。而采掘工作面更是矿井水害、顶板、火灾以及瓦斯等多种灾害事故的多发区，同时也是工作人员聚集区，因此，也是导致重大生命财产损失的高危区域[3-7]。随采地震勘探[8]是利用采掘活动激发的震动作为震源，探测工作面内部或者掘进面前方一定区域内地质构造的一种地震勘探技术，可以摆脱放炮的安全隐患及对正常采掘生产的影响，实现了采掘的同时进行超前探测[9-11]。随采地震所用震源信号是连续、非可控的，只有进行连续、长期监测，记录远场信号，将其与远场信号作互相关，得到清晰的相关峰值，才能将其转化为脉冲子波，代替炸药震源进行地震勘探[12]。

因此，研制随采地震监测装备及控制软件成为当务之急。本文针对随采地震监测装备的特点，充分分析其观测系统和监测数据的特点，利用数据库和文件系统的优点，设计了软件的数据结构；考虑处理软件的特点，设计了与处理软件之间的接口；最后基于MicrosoftFoundationClasses(简称MFC)开发框架，开发了数据采集软件，联合测试成功后，并在贵州岩脚煤矿进行了3个月的野外采集工作。

1随采地震观测系统及其特点

为了能够获得工作面内部煤层剧烈变化情况、断层和陷落柱位置与规模以及应力集中区等信息，目前的随采地震观测系统采用复杂部署模式。如图1所示，采用H形布局，共72道，其中孔中部署24道，分4个深孔，每个钻孔内部署6道，由一个孔中多级检波器串承担；其余的48道部署于工作面两侧巷道的锚杆上，图1中绿色圆点为巷道检波器。

数据采集分站为6通道，整个观测系统共需12台分站，数据处理时主要使用煤层中的槽波，而槽波的频率较高，可以达到500Hz，为了采集高质量的数据，采样间隔为250μs，这就对数据采集系统提出了新的要求，不仅仅数据道数多，采样率较高，而且是长期连续实时监测。

观测系统随着工作面的推进而移动，当工作面推进到检波器测点附近时，要依次将检波器拆卸，避免被埋入采空区中，当工作面推进到距离图2中黄色深孔检波器10~20m时，要将全部的黄色测点移动到蓝色测点位置，以此类推直到工作面回采结束。

2随采地震监测数据采集软件设计

2.1软件架构设计

针对分站多、数据量大、观测系统多变化、实时性要求高以及需要与数据处理分析软件进行通信的特点，采集软件利用多线程技术分别进行数据采集和存储，软件框架设计见图3。

2.2软件数据结构设计

采集软件中的数据可以分为两类，一类为数据量不大，变化周期较长的数据，比如：监测分站信息、观测系统信息等；另一类为数据量较大，而且变化周期很短的数据，比如：监测数据。根据数据特点，采集软件采用数据库与文件系统相结合的方式保存数据，以提高数据存储效率。监测数据采用文件系统保存，其他数据采用数据库方式保存。

a.数据库设计

数据库主要保存测区信息、采样率、每个文件的采样时长、采集分站信息、传感器信息、观测系统以及监测数据的保存路径等信息，其E-R模型见图4。

b.文件结构设计

监测数据的辅助信息，如采样率、观测系统、道数等信息全部保存在数据库中的监测数据表datafile_info中，按照采样顺序将每道数据作为一块写入文件，块的顺序与道号一致，样点值采用有符号的浮点型数据类型保存，详见图5。文件名为第一个样点的采样时间，格式为：YYYY-MM-DD_HH_MM-SS，不足两位数的补零。

2.3软件交互接口设计

本软件需要分别与井下采集分站和随采地震数据处理软件进行交互，主要涉及到两个接口。

a.与采集分站接口

为了便于和井下采集分站通信，采用UDP与TCP协议相结合的通信模式，采集软件的查询指令通过UDP协议与采集分站通信，通知指令和数据传输则采用TCP协议传输，其通信流程见图6。

b.与数据处理软件接口

为了提高数据存储效率，采集软件采用数据库与文件系统相结合的方式存储监测数据，大量的监测数据保存在文件中，但是文件的相关信息，如：道数、采集时间、采样率、观测系统等信息保存在数据库表datafile_info，与数据处理软件的通信也通过数据库来完成，数据记录表中专门设计一个字段为数据状态标志，数据采集时状态为0，采集结束后为1，数据处理软件不断查询该表中数据状态标志为1的记录，一旦有这样的记录，则根据数据库中的信息读取监测数据进行处理，处理结束后将该标志改为2，具体处理流程见图7。

3随采地震监测数据采集软件实现

3.1开发环境

软件基于VisualStudio的微软基础库类(micro­softfoundationclasses，MFC)开发框架，采用C++语言编写，充分利用其图形用户界面(graphicaluserinterface，GUI)，大大提高软件的开发效率。在功能开发方面，为了满足随采地震监测的需要，提供数据采集和数据保存功能，采用菜单栏和对话框方式来实现软件与用户之间的人机交互。在整个应用框架的基础上进行功能性、界面性的填充。将软件开发分成若干部分，有效地提高软件研发效率和可读性，同时也便于后期维护升级。

3.2软件的实现

为了提高软件的运行效率，将软件操作界面、数据采集、保存和整理以及设备状态监测与恢复功能分别由单独的线程来完成。

a.数据库实现

数据库中最主要的两张表为传感器信息表和监测数据表，传感器信息表为观测系统表的基础，而且随着工作面的回采传感器移动后，传感器的位置信息就会发生变化，观测系统随之变化；监测数据表是数据采集软件与处理软件通信的基础，表中需要包含大数据文件路径、观测系统、采样率、采样时间和时长等重要信息，具体见表1和表2。

传感器信息表中(表1)以Station_ID、Channel和Modify_Time为联合主键，这样表中可以把同一个传感器在不同时间的坐标都保存起来，随时可以获取任何时间段的观测系统。

监测数据表中(表2)由File_Index为主键，该值为根据时间自动生成一个与时间有关的数，确保唯一性，同时将大数据文件的相关数据信息全部存入该表中，以方便数据处理软件随时查询。

b.软件操作界面

随采地震监测软件属于监测类软件，具有自动化程度高、人工干预少等特点，因此，需要用户的操作很少，主要是一些参数设置和监测分站运行状态的显示：系统中监测分站的数量、每台分站的传感器数量及其工作状态。

传感器参数设置功能主要包括传感器的安装位置及其坐标、所属监测分站号、通道号、测点号等信息的增加、删除和修改，由修改传感器的时间为主键，即可获得该时刻的观测系统。

c.数据采集功能

数据采集功能主要包括数据采集软件与监测分站之间的通信、监测分站状态查询与控制、数据采集等。为了达到随时能够与监测分站通信的目的，与监测分站的通信通过UDP和TCP协议两种方式来实现，其中监测分站的信息和状态查询由UDP协议实现，指令的发送、参数设置和数据采集通过TCP协议实现。TCP协议中采集软件为服务器端，监测分站为客户端，服务器端采用完成端口技术来接收多个监测分站上传的数据，为了便于数据保存，每个通道的数据分别存放在独立的缓存区中，缓存区采用循环数组的设计，当数据写入缓存区中后，循环数组的数据采集下标iColDataIndex+1，数据采集详细流程见图8。

d.数据保存

为了提高数据存储的效率，将数据存储分为数据保存和整理两个步骤，分别由两个线程执行。数据保存线程监测缓存区中数据采集下标iColData­Index与已保存数据下标iSaveDataIndex之差，当该差值达到预设值时，从数据缓存区中读取数据并保存成数据文件(采用异步模式将每道单独存储为一个文件)。数据保存完成后，循环数组的已保存数据下标iSaveDataIndex+1，其数据保存详细流程见图9。

e.数据整理

为方便数据处理需要把同一时段的各道检波器的数据保存为一个文件，当由于检波器或者采集分站故障导致数据缺失时做填零处理。因而增加一个专门进行数据整理的子模块，由一个单独的线程来处理，其数据整理详细流程见图10。

f.系统自恢复

井下的供电系统或者网络经常检修或者故障，导致随采地震监测设备出现故障，当故障解决后，系统应该能够自动恢复，但是该系统是由多个监测分站组成的，分站之间需要不断进行时间同步，当一台分站出现故障后，该分站停止采集，其他分站仍然正常采集，当该分站故障解决后，要想恢复采集，必须要把系统中所有的分站进行重启。图11所示流程，就是用来检测网络是否出现故障，如果出现故障，则一直检测，直到故障修复，然后重新启动系统。

4随采地震监测数据采集软件联调与测试

4.1运行环境

数据采集软对运行环境的要求如下：

操作系统：windows7及其以上；CPU：2.5GHz，4核；内存：8GB；硬盘：500GB。

4.2联调与测试

该软件与井下监测分站以及数据处理系统在实验室进行为期1个月的联调测试，联调过程中对采集软件与监测分站和数据处理软件的接口进行了修改和完善，并在野外进行了为期2个月的稳定运行后，各项性能指标都达到了设计要求，软件实时波形界面见图12所示。最后在贵州岩脚煤矿进行为期3个月全面试运行，无论是采集数据还是与数据处理软件的通信都正常工作。

5结论

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计算机领域新技术应用使各行业生成、收集和存储了大量数据。大量信息数据给社会带来方便也带来大堆问题：信息过量，难以消化；信息真假难以辨识；信息安全难以保证；信息形式不一致而难以统一处理。一般数据库系统可高效实现数据录入、查询与统计等功能，却无法发现数据存在的关系和规则。如何辨析信息和如何不被信息淹没已经成为现实问题。一、数据挖掘直面数据丰富而知识匮乏的挑战

面对信息社会带来的“数据丰富而知识匮乏”的现实挑战，数据挖掘（Data Mining，DM）和知识发现（Knowledge Discovery，KD）技术应运而生，伴随计算机新技术和新理论的出现而发展，在电信与银行，生物及大型超市等领域运用效果显著。数据挖掘有时又称作数据库知识发现（KDD），此术语出现于1989年，从数据集识别有效与新颖的，潜在有用的，最终可理解的模式过程。KDD过程常指多阶段处理，包括数据准备与模式搜索，知识评价及反复修改求精；该过程要有智能性和自动性。有效性指发现新数据仍保持可信度，新颖性要求模式应是新的，潜在有用性指发现的知识将来有效用，最终可理解性要求发现模式能被用户所理解，几项综合在一起称为数据的科学性豍。

数据挖掘的界定。数据挖掘是从存放在数据库与数据仓库或其它存储信息库中的海量数据挖掘有趣知识过程。一般的定义是：数据挖掘是从大量、不完全、有噪声、模糊、随机的数据中抽取隐含其中，事先不为人所知、潜在、有效、新颖、有用和最终可理解知识的过程。研究人工智能学术人员和计算机技术专家通常所说数据挖掘名称各异但实质一样。自然世界数据以多种多样形式存放，除最常见数字与字符等类型，还有许多复杂数据。复杂类型数据挖掘包括：空间数据挖掘和多媒体数据挖掘，时序数据挖掘和文本数据挖掘，Web数据挖掘与流数据挖掘等。数据挖掘与传统数学统计分析有区别，数据挖掘在没有明确假设前提下自动建立方程，可采用不同类型如文本、声音、图片等的数据挖掘兴趣模式；统计数据分析工具侧重被动分析，需建立方程或模型来与假设吻合，最终面对数字化数据；数据挖掘是主动发现型与预测型数据分析工具，分析重点在于预测未来未知潜在情况并解释原因。二、软件工程的产生与数据实用性

软件工程概念源自软件危机，20世纪60年代末的“软件危机”这个词语频繁出现计算机软件领域，泛指计算机软件开发和维护所遇到的系列严重问题。在软件开发和维护过程中的软件危机表现为软件需求的增长得不到满足，软件开发成本和进度无法控制，软件质量难保证，软件维护程度非常低，软件成本不断提高，软件开发生产率赶不上计算机硬件发展和各种应用需求增长等。软件危机产生的宏观原因是软件日益深入社会生活，软件需求增长速度超过软件生产率提高，具体软件工程任务的许多困难来源于软件工程所面临任务和其他工程之间各种差异以及软件和其他工业产品的差异，即特殊性。软件开发和维护过程存在的问题，与计算机软件本身特点有关，软件开发过程进度很难衡量，软件质量难以评价，管理和控制软件开发过程困难等。计算机软件专家认真研究解决软件危机方法，逐步形成软件工程概念，开辟工程学新领域即软件工程学。软件工程用工程、科学和数学原理与方法研制与维护计算机软件有关技术及管理的方法。

软件工程针对数据的处理具有系统的规范的系列办法。1993年IEEE（电气和电子工程师学会）给软件工程综合定义为：将系统化、规范和可度量的方法应用于软件开发、测试、运行和维护全过程，即将工程化应用于软件数据等设计中。软件工程包括方法、工具和过程三个要素，方法是完成软件工程项目技术手段；工具支持软件开发、管理与文档生成；过程支持软件开发各个环节控制与管理。软件工程的发展伴随计算机与数据等相关技术的发展而进步。三、软件工程的知识库应用数据挖掘技术

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本论文以项目教学法的方式探索步进电机的PLC控制转速方法。本设计控制要求如下：按下启动按钮，步进电机以100Hz的基准频率正转。按一次加速按钮，频率以50Hz递增，最多加速5次；按一次减速按钮，频率以25Hz递减，最多减速4次。加速时为正转，减速时为反转。按下停止按钮，步进电机立即停止运行。步进电机驱动器的细分设置为1，电流设置为1.5A。

1 控制系统的硬件设计

1.1 控制系统的结构。本设计中，系统硬件部分由上位机、PLC、步进电机驱动器、步进电机、负载等组成。上位机是计算机，作为控制面板、人机交互界面和控制软件编制环境，通过与PLC的通信，实现操作监控功能；PLC发出脉冲信号、方向信号，通过步进电机驱动器控制步进电机的运行状态。

1.2 控制系统的硬件。

1.2.1 PLC。使用PLC控制步进电机时，应该保证PLC具有高速脉冲输出功能。通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。在本设计中，采用的是三菱系列FX2N-32MT型的晶体管输出型PLC。在PLC的选型上，必须采用晶体管输出型PLC，若使用继电器型的PLC，则高速脉冲的输出很难达到控制要求。

1.2.2 步进电机。步进电机有步距角（涉及到相数）、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定，根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1.2.2.1 步距角的选择。步进电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

1.2.2.2 静力矩的选择。步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

1.2.2.3 电流的选择。静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

1.2.3 步进电机驱动器。遵循先选电机后选驱动的原则。电机的相数、电流的大小是驱动器选择的决定性因素。在选型中，还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善步进电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动器来实现。目前驱动器的细分等级有2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可达256倍细分。在实际应用中，应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达到更高的速度和更大的高速转矩，使步进电机运转精度更高，振动更小。如图2所示。公共端：采用共阳极接线方式。将输入信号的电源5V正极连接到该端子上。控制信号低电平有效。脉冲：共阳极时该脉冲下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。方向：该段信号的高电平和低电平控制步进电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效认为输入高电平。脱机：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态。A+/A-，B+/B-：该端接两相混合式步进电机。DC+/DC-：该端接10V-40V间的直流电源。

1.3 控制系统的连接。本设计的相关硬件连接如图3所示。

2 控制系统的软件设计

2.1 PLC的I/O地址分配。

2.2 步进电机驱动器的设置。在驱动步进电机运转的PLSY指令中，脉冲的个数=360°/步距角，工作的频率=脉冲个数/运行时间。不指定脉冲个数，则默认为65535个脉冲。在方向信号输入为0时，默认为反转。根据控制要求，步进电机驱动器的细分设置为1，SW1-SW3的设置为000，步进电机的步距角为1.8°；电流设置为1.5A，SW5-SW7的设置为101。

2.3 梯形图和指令表。

3 步进电机控制系统的调试

3.1 初始化程序。程序开始运行时，D0初始值为K100，指定的频率为100Hz。

3.2 步进电动机正转。按下启动按钮X0，PLC的Y0脉冲输出，Y2高电平输出，步进电机正传运行。

3.3 正传加速调整。X2为正传加速按钮。当按下一次X2时，在步进电机运行的当前频率的基础上，以20Hz递增，于是步进电机转速增加。最多加速5次。

3.4 反转减速调整。X3为反转减速按钮。当按下一次X3时，在步进电机运行的当前频率的基础上，以20Hz递减，于是步进电机转速增加。最多减速4次。

本论文采用了PLC控制两相混合式步进电机的加减速，方法简单，控制方便，可靠性高。本论文中的程序通过现场实物调试，验证了方法的正确性和可行性。用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，降低成本，控制的参数改变方法灵活，提高了控制系统的可靠性和灵活性。本文着重探索了步进电机的PLC控制的调速方法，详细介绍了步进电机调速的具体控制过程。文中有不妥之处，恳请斧正。