連續(xù)生產(chǎn)過程集散式監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：從體系結(jié)構(gòu)、硬件構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計等幾個方面介紹了針對復(fù)雜施工現(xiàn)場所構(gòu)造的集散式過程監(jiān)測系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟件的開發(fā)思想，給出了遠(yuǎn)程監(jiān)測的模型。經(jīng)三峽大壩施工現(xiàn)場的實際應(yīng)用證實，該系統(tǒng)完全適合這種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，對促進(jìn)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用。

關(guān)鍵詞：集散式監(jiān)測系統(tǒng) 過程監(jiān)測 遠(yuǎn)程監(jiān)測

集散控制系統(tǒng)利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測和分散控制[1]。它具有通用性強、人機界面友好、運行安全可靠等特點，已廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程中[2～4]。

三峽大壩施工現(xiàn)場與其它工業(yè)現(xiàn)場相比，具有以下幾個特點：①持續(xù)生產(chǎn)；②施工設(shè)備數(shù)目種類多，總的測點數(shù)目達(dá)200多個；③測點分布范圍廣，測點遍及各個車間以及長度超過千米的供料線和高度達(dá)148米的塔帶機上，范圍達(dá)數(shù)平方公里；④作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾強烈，鋪設(shè)通訊線纜非常困難。開發(fā)這種環(huán)境下的過程監(jiān)測系統(tǒng)難度較大。隨著現(xiàn)場規(guī)模的增大，作業(yè)自動化程度的提高，安全隱患越來越多，機械故障、連鎖影響造成的損失也越來越大；而且，原有的針對勞動勞動密集型的管理調(diào)度方式也不能夠滿足自動化、大規(guī)模生產(chǎn)的要求。針對這種情況，我們開發(fā)了應(yīng)用于大型施工現(xiàn)場的連續(xù)生產(chǎn)過程集成散式監(jiān)測系統(tǒng)，它以模塊動畫為主，直觀、連續(xù)、及時地反映了現(xiàn)場主要設(shè)備運行狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的關(guān)鍵信息，具有可視化強、組態(tài)性好、易擴展、易維護(hù)等特點。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)通常有兩種結(jié)構(gòu)形式：集中式和分布式。前者的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但由于信號電纜過長，信號易失真、易受干擾，且由于數(shù)據(jù)采集通道數(shù)和存儲量的增加導(dǎo)致監(jiān)測實時性差，只適用于測點較少且比較集中的場合；后者可靠性高、易于擴展，適用于大規(guī)模且測點分散的場合[2][4]。考慮到大型施工現(xiàn)場監(jiān)測點的分散性和不同級別部分對監(jiān)測內(nèi)容的不同需要，我們結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，采取集散式監(jiān)測模式，實現(xiàn)監(jiān)測分散、管理集中的思想。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從體系結(jié)構(gòu)上，分為三個層次：

（1）數(shù)據(jù)采集層 主要包括由智能數(shù)據(jù)采集模塊及傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集前端。

（2）現(xiàn)場監(jiān)測層 由各個車間的現(xiàn)場監(jiān)測計算機群組成，主要完成對所有部伯的數(shù)據(jù)采集、初步處理和現(xiàn)場監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測工作站或者調(diào)度機。

（3）管理監(jiān)測層 主要面向具有管理和調(diào)度權(quán)限的管理人員，由監(jiān)測工作站、調(diào)度機和服務(wù)器以及各個科室的計算機群組成，在此完成集中監(jiān)測。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)要求實時和可靠。針對惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，我們提出了一種局域網(wǎng)與現(xiàn)場總線、串口通訊相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實踐證明，這種結(jié)構(gòu)完全適在復(fù)雜作業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用。

監(jiān)測系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)，即現(xiàn)場監(jiān)測和調(diào)度監(jiān)測層之間的網(wǎng)絡(luò)選用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)；而底層，即數(shù)據(jù)采集層，則選用具有更高可靠性的RS485總線，它可以驅(qū)動多達(dá)256塊智能采集模塊，通訊距離達(dá)1200米（利用中繼器，可以將系統(tǒng)的通訊距離再延長1200米），確保了本系統(tǒng)具有很好的可擴展性。另外，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，還采用了RS232與拌和樓監(jiān)測機連接。這種靈活的搭配在保證系統(tǒng)性能的同時，有效地降低了成本。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件要求必須選擇抗干擾能力強、品質(zhì)優(yōu)良、性能可靠的設(shè)備。

3.1 上位機的選型

現(xiàn)場監(jiān)測機、監(jiān)測工作站和調(diào)度機的工作環(huán)境和條件相對較差，都處在長期連續(xù)工作狀態(tài)下。本系統(tǒng)采用高性能研華工控機，它的整機及接口板都是經(jīng)過工業(yè)化處理的，可靠性較高；選用IBM服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

3.2 智能采集模塊的選擇

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，測量儀表從模擬式、電子式逐步向智能化、微機化方向發(fā)展[5]。本系統(tǒng)選用的ADMA-4000系列是緊湊、智能傳感器到PC機的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊。它具有內(nèi)置的微處理器、模擬量I/O和數(shù)字量I/O接口，可通過低成本的兩線制RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)獨立提供智能信號調(diào)理，具有傳送距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強、使用靈活、維護(hù)方便、便于聯(lián)網(wǎng)和擴展等優(yōu)點。

3.3. 傳感器的選擇

對傳感器最基本的要求是抗干擾性能強，在一定的范圍內(nèi)線性度好，并輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號，以保證和智能采集模塊傳感器能很好的配合使用。同時必須具有良好垢密封和保護(hù)措施，以適應(yīng)施工現(xiàn)場多水、多灰塵、多碰砸的情況。

在本系統(tǒng)中，對于靜止物料的溫度，采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測量；流動物料的溫度采用美國Raytek公司紅外測溫儀測量；料位信號采用超聲波料位計測量；速度信號采用磁電式傳感器配合脈沖盤的方式進(jìn)行測量；轉(zhuǎn)角、位移信號采用歐姆倫高精度絕對或相對式編碼器監(jiān)測。

系統(tǒng)投入運行后表明，以上的選型完全滿足生產(chǎn)實際的需要，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的功能。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計和開發(fā)

由于集散式監(jiān)測系統(tǒng)的使用，使得管理和操作人員在勞動強度減輕的同時，所要監(jiān)視的范圍也更寬了。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，信息的主要表現(xiàn)方式是文本以及一些簡單的開關(guān)狀態(tài)的顯示，這很難適應(yīng)現(xiàn)場化企業(yè)及時，準(zhǔn)確地進(jìn)行優(yōu)化控制、優(yōu)化管理的要求。

二十世紀(jì)80年代開始，出現(xiàn)了多媒體技術(shù)，其信息媒體多樣性、交互性和集成性，使用戶能夠更有效地控制和使用信息[6]。在監(jiān)測系統(tǒng)中引入多媒體技術(shù)，將大大提高生產(chǎn)的自動化水平。

4.1 組態(tài)軟件簡介

開發(fā)包含多媒體技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，必然要涉及對很多不同類別設(shè)備的驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集和傳輸控制、多種媒體信息的處理和集成等。如果采用傳統(tǒng)的從最低層編程的方式，必然耗費大量的人力物力，并且需要很長的開發(fā)周期。

二十世紀(jì)80年代中期在國外開始出現(xiàn)的組態(tài)軟件，是專用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的、開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境[7]。我們選用在國內(nèi)使用比較廣泛的組態(tài)王（Kingview）作為開發(fā)平臺，它具有很好的圖形功能、動畫控制功能以及強大的硬件驅(qū)動能力，支持RS232、RS485、RS422以及TCP/IP通訊協(xié)議，完全適合于搭建這樣一個集期式的監(jiān)測系統(tǒng)。操作系統(tǒng)選用比較穩(wěn)定的WindowsNT4.0。

4.2 系統(tǒng)軟件的開發(fā)

本監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及傳輸模塊、設(shè)備運行狀態(tài)可視化監(jiān)測模塊、生產(chǎn)過程可視化監(jiān)測模塊、溫度一條龍監(jiān)測模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等五個功能模塊組成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意力圖3所示。

采用面向?qū)ο蟮哪K化開發(fā)方法，以現(xiàn)場監(jiān)測層的各個監(jiān)測節(jié)點作為基本對象，在分別完成對各個監(jiān)測節(jié)點的組態(tài)編程后，利用組態(tài)王提供的工程合并功能，在管理監(jiān)測層進(jìn)行系統(tǒng)集成。在開發(fā)過程中也使用了系統(tǒng)化方法：

（1）測點的系統(tǒng)編碼：對所有的測點和設(shè)備的所有可能的故障和狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)化編碼，最終存入數(shù)據(jù)庫中的也是各種編碼，既減少了數(shù)據(jù)存儲器，又可以更加高效快速地進(jìn)行查詢，保證了系統(tǒng)的實時性。

（2）變量的系統(tǒng)描述：組態(tài)王的變量可以中文命名，對有所變量采用系統(tǒng)化的命名方法，名稱中包含其所對應(yīng)的測點的位置、測點的類型、測點的編號等信息。這樣不但有利于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)，而且增加了軟件的可維護(hù)性。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)測的實現(xiàn)

本監(jiān)測系統(tǒng)采取的是現(xiàn)場在線監(jiān)測方式。雖然我們已經(jīng)實現(xiàn)了通過調(diào)制解調(diào)器和電話電纜，利用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問功能，使數(shù)據(jù)在兩個生產(chǎn)系統(tǒng)之間以及生產(chǎn)系統(tǒng)與后方管理層之間的共享；也實現(xiàn)了對于局域網(wǎng)或企業(yè)Intranet網(wǎng)中的任何一臺計算機，只要安裝了監(jiān)測軟件，就可以遠(yuǎn)程實時監(jiān)測生產(chǎn)過程的功能，但這種遠(yuǎn)程監(jiān)測依然具有很大地域局限性和較高的實現(xiàn)成本，它需要在每一臺客戶機上安裝組態(tài)監(jiān)控軟件，并根據(jù)用戶不同要求對程序作出大量的調(diào)整。

隨著現(xiàn)代通道技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，如何實現(xiàn)更廣泛圍的資源共享以及遠(yuǎn)程監(jiān)進(jìn)一步研究的方向[5]。另一方面，通過對關(guān)鍵設(shè)備增加信號采集分析設(shè)備，可以把功能單一的生產(chǎn)過程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)擴展為同時具有設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，遠(yuǎn)程監(jiān)測具有更重要意義，在設(shè)備發(fā)生故障時，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的異地協(xié)同診斷，使得多個診斷系統(tǒng)服務(wù)于同一臺設(shè)備，多臺設(shè)備共享同一診斷系統(tǒng)，提高故障診斷的可靠性和智能化水平。

隨著Internet技術(shù)的迅速發(fā)展，均建一種不限時間、不限地域的真正的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)實?；贗nternet的遠(yuǎn)程測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它采用新型的客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)器端由Web服務(wù)器及數(shù)據(jù)兩層結(jié)構(gòu)組成，客戶端以通用的瀏覽器（IE）為基礎(chǔ)?，F(xiàn)場設(shè)備和下位機將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器中，服務(wù)器安裝了服務(wù)器版本監(jiān)控軟件，不同的用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器，通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)或Internet實現(xiàn)各種工程曲線、報表、數(shù)據(jù)瀏覽、動畫顯示、遠(yuǎn)程實時監(jiān)控等功能。

由于只需在服務(wù)器上安裝一套WWW服務(wù)器版本監(jiān)控軟件，而不必在每一個監(jiān)視和控制點都安裝一套組態(tài)軟件，大大節(jié)省了用戶的開支；而且由于系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)都集中在服務(wù)器上，大大簡化了培訓(xùn)學(xué)習(xí)過程和對系統(tǒng)的維護(hù)管理過程。

以上介紹的適用于復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，主要解決了如下幾個問題：

（1）采用集散式監(jiān)測模式解決了集中管理和分布監(jiān)測問題；

（2）提出了適合復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高可靠性，又便于數(shù)據(jù)共享；

（3）采用組態(tài)技術(shù)和多媒體技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程實時動畫模擬顯示和監(jiān)測；

（4）實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享，并提出了基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測的模型。

經(jīng)三峽大壩施工現(xiàn)場的實現(xiàn)應(yīng)用，證實該系統(tǒng)完全適合這種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，對促進(jìn)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用。本系統(tǒng)的構(gòu)建思想也適用于開發(fā)其它復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的監(jiān)測系統(tǒng)。