連續生產(chǎn)過(guò)程集散式監測系統的開(kāi)發(fā)

摘要：從體系結構、硬件構成、網(wǎng)絡(luò )結構和軟件設計等幾個(gè)方面介紹了針對復雜施工現場(chǎng)所構造的集散式過(guò)程監測系統，并詳細闡述了系統軟件的開(kāi)發(fā)思想，給出了遠程監測的模型。經(jīng)三峽大壩施工現場(chǎng)的實(shí)際應用證實(shí)，該系統完全適合這種復雜的作業(yè)環(huán)境，對促進(jìn)生產(chǎn)優(yōu)化調度、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用。

關(guān)鍵詞：集散式監測系統 過(guò)程監測 遠程監測

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

三峽大壩施工現場(chǎng)與其它工業(yè)現場(chǎng)相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①持續生產(chǎn)；②施工設備數目種類(lèi)多，總的測點(diǎn)數目達200多個(gè)；③測點(diǎn)分布范圍廣，測點(diǎn)遍及各個(gè)車(chē)間以及長(cháng)度超過(guò)千米的供料線(xiàn)和高度達148米的塔帶機上，范圍達數平方公里；④作業(yè)環(huán)境復雜，電磁干擾強烈，鋪設通訊線(xiàn)纜非常困難。開(kāi)發(fā)這種環(huán)境下的過(guò)程監測系統難度較大。隨著(zhù)現場(chǎng)規模的增大，作業(yè)自動(dòng)化程度的提高，安全隱患越來(lái)越多，機械故障、連鎖影響造成的損失也越來(lái)越大；而且，原有的針對勞動(dòng)勞動(dòng)密集型的管理調度方式也不能夠滿(mǎn)足自動(dòng)化、大規模生產(chǎn)的要求。針對這種情況，我們開(kāi)發(fā)了應用于大型施工現場(chǎng)的連續生產(chǎn)過(guò)程集成散式監測系統，它以模塊動(dòng)畫(huà)為主，直觀(guān)、連續、及時(shí)地反映了現場(chǎng)主要設備運行狀態(tài)以及生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵信息，具有可視化強、組態(tài)性好、易擴展、易維護等特點(diǎn)。

1 系統的體系結構

監測系統通常有兩種結構形式：集中式和分布式。前者的優(yōu)點(diǎn)在于結構簡(jiǎn)單、成本低，但由于信號電纜過(guò)長(cháng)，信號易失真、易受干擾，且由于數據采集通道數和存儲量的增加導致監測實(shí)時(shí)性差，只適用于測點(diǎn)較少且比較集中的場(chǎng)合；后者可靠性高、易于擴展，適用于大規模且測點(diǎn)分散的場(chǎng)合[2][4]?？紤]到大型施工現場(chǎng)監測點(diǎn)的分散性和不同級別部分對監測內容的不同需要，我們結合兩種結構的優(yōu)點(diǎn)，采取集散式監測模式，實(shí)現監測分散、管理集中的思想。系統結構如圖1所示。

從體系結構上，分為三個(gè)層次：

（1）數據采集層 主要包括由智能數據采集模塊及傳感器構成的數據采集前端。

（2）現場(chǎng)監測層 由各個(gè)車(chē)間的現場(chǎng)監測計算機群組成，主要完成對所有部伯的數據采集、初步處理和現場(chǎng)監測，并將數據傳輸到監測工作站或者調度機。

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

2 系統網(wǎng)絡(luò )結構及實(shí)現

監測系統中的通信網(wǎng)絡(luò )要求實(shí)時(shí)和可靠。針對惡劣的現場(chǎng)環(huán)境，我們提出了一種局域網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)、串口通訊相結合的網(wǎng)絡(luò )結構，如圖2所示。實(shí)踐證明，這種結構完全適在復雜作業(yè)現場(chǎng)中應用。

監測系統的上層網(wǎng)絡(luò )，即現場(chǎng)監測和調度監測層之間的網(wǎng)絡(luò )選用標準以太網(wǎng)；而底層，即數據采集層，則選用具有更高可靠性的RS485總線(xiàn)，它可以驅動(dòng)多達256塊智能采集模塊，通訊距離達1200米（利用中繼器，可以將系統的通訊距離再延長(cháng)1200米），確保了本系統具有很好的可擴展性。另外，根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，還采用了RS232與拌和樓監測機連接。這種靈活的搭配在保證系統性能的同時(shí)，有效地降低了成本。

3 系統的硬件構成

監測系統的硬件要求必須選擇抗干擾能力強、品質(zhì)優(yōu)良、性能可靠的設備。

3.1 上位機的選型

現場(chǎng)監測機、監測工作站和調度機的工作環(huán)境和條件相對較差，都處在長(cháng)期連續工作狀態(tài)下。本系統采用高性能研華工控機，它的整機及接口板都是經(jīng)過(guò)工業(yè)化處理的，可靠性較高；選用IBM服務(wù)器作為數據庫服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器。

3.2 智能采集模塊的選擇

隨著(zhù)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?jì)x表從模擬式、電子式逐步向智能化、微機化方向發(fā)展[5]。本系統選用的ADMA-4000系列是緊湊、智能傳感器到PC機的遠程數據采集模塊。它具有內置的微處理器、模擬量I/O和數字量I/O接口，可通過(guò)低成本的兩線(xiàn)制RS-485通訊網(wǎng)絡(luò )獨立提供智能信號調理，具有傳送距離遠、抗干擾能力強、使用靈活、維護方便、便于聯(lián)網(wǎng)和擴展等優(yōu)點(diǎn)。

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，在一定的范圍內線(xiàn)性度好，并輸出標準的電流或電壓信號，以保證和智能采集模塊傳感器能很好的配合使用。同時(shí)必須具有良好垢密封和保護措施，以適應施工現場(chǎng)多水、多灰塵、多碰砸的情況。

在本系統中，對于靜止物料的溫度，采用標準鉑電阻測量；流動(dòng)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(pán)的方式進(jìn)行測量；轉角、位移信號采用歐姆倫高精度絕對或相對式編碼器監測。

系統投入運行后表明，以上的選型完全滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際的需要，實(shí)現了系統設計的功能。

4 系統的軟件設計和開(kāi)發(fā)

由于集散式監測系統的使用，使得管理和操作人員在勞動(dòng)強度減輕的同時(shí)，所要監視的范圍也更寬了。傳統的監測系統，信息的主要表現方式是文本以及一些簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的顯示，這很難適應現場(chǎng)化企業(yè)及時(shí)，準確地進(jìn)行優(yōu)化控制、優(yōu)化管理的要求。

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

4.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介

開(kāi)發(fā)包含多媒體技術(shù)的監測系統，必然要涉及對很多不同類(lèi)別設備的驅動(dòng)、數據采集和傳輸控制、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(cháng)的開(kāi)發(fā)周期。

二十世紀80年代中期在國外開(kāi)始出現的組態(tài)軟件，是專(zhuān)用于數據采集和過(guò)程控制的、開(kāi)發(fā)監控系統的軟件平臺和開(kāi)發(fā)環(huán)境[7]。我們選用在國內使用比較廣泛的組態(tài)王（Kingview）作為開(kāi)發(fā)平臺，它具有很好的圖形功能、動(dòng)畫(huà)控制功能以及強大的硬件驅動(dòng)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(gè)集期式的監測系統。操作系統選用比較穩定的WindowsNT4.0。

4.2 系統軟件的開(kāi)發(fā)

本監測系統由數據采集、預處理及傳輸模塊、設備運行狀態(tài)可視化監測模塊、生產(chǎn)過(guò)程可視化監測模塊、溫度一條龍監測模塊、監測數據庫等五個(gè)功能模塊組成。系統軟件結構示意力圖3所示。

采用面向對象的模塊化開(kāi)發(fā)方法，以現場(chǎng)監測層的各個(gè)監測節點(diǎn)作為基本對象，在分別完成對各個(gè)監測節點(diǎn)的組態(tài)編程后，利用組態(tài)王提供的工程合并功能，在管理監測層進(jìn)行系統集成。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也使用了系統化方法：

（1）測點(diǎn)的系統編碼：對所有的測點(diǎn)和設備的所有可能的故障和狀態(tài)進(jìn)行系統化編碼，最終存入數據庫中的也是各種編碼，既減少了數據存儲器，又可以更加高效快速地進(jìn)行查詢(xún)，保證了系統的實(shí)時(shí)性。

（2）變量的系統描述：組態(tài)王的變量可以中文命名，對有所變量采用系統化的命名方法，名稱(chēng)中包含其所對應的測點(diǎn)的位置、測點(diǎn)的類(lèi)型、測點(diǎn)的編號等信息。這樣不但有利于系統的協(xié)同開(kāi)發(fā)，而且增加了軟件的可維護性。

5 遠程監測的實(shí)現

本監測系統采取的是現場(chǎng)在線(xiàn)監測方式。雖然我們已經(jīng)實(shí)現了通過(guò)調制解調器和電話(huà)電纜，利用系統的遠程訪(fǎng)問(wèn)功能，使數據在兩個(gè)生產(chǎn)系統之間以及生產(chǎn)系統與后方管理層之間的共享；也實(shí)現了對于局域網(wǎng)或企業(yè)Intranet網(wǎng)中的任何一臺計算機，只要安裝了監測軟件，就可以遠程實(shí)時(shí)監測生產(chǎn)過(guò)程的功能，但這種遠程監測依然具有很大地域局限性和較高的實(shí)現成本，它需要在每一臺客戶(hù)機上安裝組態(tài)監控軟件，并根據用戶(hù)不同要求對程序作出大量的調整。

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

隨著(zhù)Internet技術(shù)的迅速發(fā)展，均建一種不限時(shí)間、不限地域的真正的遠程監測系統已經(jīng)成為現實(shí)?；贗nternet的遠程測系統的結構如圖4所示。它采用新型的客戶(hù)/服務(wù)器體系結構，服務(wù)器端由Web服務(wù)器及數據兩層結構組成，客戶(hù)端以通用的瀏覽器（IE）為基礎?，F場(chǎng)設備和下位機將采集到的數據傳送到服務(wù)器中，服務(wù)器安裝了服務(wù)器版本監控軟件，不同的用戶(hù)可以使用標準瀏覽器，通過(guò)企業(yè)內部局域網(wǎng)或Internet實(shí)現各種工程曲線(xiàn)、報表、數據瀏覽、動(dòng)畫(huà)顯示、遠程實(shí)時(shí)監控等功能。

由于只需在服務(wù)器上安裝一套WWW服務(wù)器版本監控軟件，而不必在每一個(gè)監視和控制點(diǎn)都安裝一套組態(tài)軟件，大大節省了用戶(hù)的開(kāi)支；而且由于系統中的主要環(huán)節都集中在服務(wù)器上，大大簡(jiǎn)化了培訓學(xué)習過(guò)程和對系統的維護管理過(guò)程。

以上介紹的適用于復雜環(huán)境的監測系統，主要解決了如下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）采用集散式監測模式解決了集中管理和分布監測問(wèn)題；

（2）提出了適合復雜作業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò )結構，既保證了監測數據的高可靠性，又便于數據共享；

（3）采用組態(tài)技術(shù)和多媒體技術(shù)實(shí)現了生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)模擬顯示和監測；

（4）實(shí)現局域網(wǎng)內遠程實(shí)時(shí)監測和數據共享，并提出了基于Internet的遠程監測的模型。

經(jīng)三峽大壩施工現場(chǎng)的實(shí)現應用，證實(shí)該系統完全適合這種復雜的作業(yè)環(huán)境，對促進(jìn)生產(chǎn)優(yōu)化調度、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用。本系統的構建思想也適用于開(kāi)發(fā)其它復雜工業(yè)環(huán)境下的監測系統。