0 引言

    在打撈作業(yè)中，鋼制浮筒發(fā)揮了極大的作用。鋼制浮筒在打撈工程中的應(yīng)用主要分為浮筒鋼纜的預(yù)埋、浮筒的沉放及浮筒的充氣平衡三個(gè)階段^[1]。浮筒的充氣平衡是整個(gè)作業(yè)過程中最重要又最難的一步。傳統(tǒng)的打撈作業(yè)中為了保證整個(gè)過程準(zhǔn)確無誤，常需要專業(yè)打撈人員潛入水中進(jìn)行人為監(jiān)測，但因傳統(tǒng)計(jì)算模型具有較大的誤差及人為因素的存在導(dǎo)致了在耗費(fèi)了大量人力物力的情況下，整個(gè)進(jìn)程仍然不易得到準(zhǔn)確控制。針對這個(gè)問題本文設(shè)計(jì)了一套基于FameView的打撈浮筒監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測浮筒深水作業(yè)時(shí)的情況。

    本文根據(jù)實(shí)際需求，開發(fā)了基于FameView組態(tài)軟件的打撈浮筒監(jiān)測系統(tǒng)。利用 FameView 組態(tài)軟件建立與下位機(jī)之間的通信，并搭建一個(gè)監(jiān)測平臺。在每個(gè)浮筒上安置裝有壓力傳感器、液位計(jì)、傾角儀及PLC的水密箱，PLC采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)是通過開發(fā)FameView組態(tài)軟件而得到的監(jiān)測系統(tǒng)平臺，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、控制、監(jiān)視。本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)使作業(yè)人員可以通過人機(jī)交互畫面實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并對信息進(jìn)行分析與處理。此外本系統(tǒng)也根據(jù)實(shí)際情況增加了報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)、Web發(fā)布、移動(dòng)終端等附加功能。在操作過程中一旦出現(xiàn)問題，監(jiān)測系統(tǒng)會立刻給出報(bào)警信息，在問題解決后，系統(tǒng)將恢復(fù)正常，記錄并退出報(bào)警，以便于之后的分析。該系統(tǒng)在實(shí)際測試中，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，監(jiān)測精準(zhǔn)，操作簡便，系統(tǒng)穩(wěn)定，性能良好。

1 系統(tǒng)分析

    為了準(zhǔn)確獲知浮筒在打撈作業(yè)時(shí)是否到達(dá)充氣平衡狀態(tài)，系統(tǒng)將采集浮筒艏艙壓力、艉艙壓力、橫傾角、縱傾角、浮筒艏艙液位、艉艙液位及中艙液位等數(shù)據(jù)，并由PLC控制、轉(zhuǎn)換、分析后傳送給上位機(jī)，以顯示在監(jiān)測界面上供操作人員進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測。

    本系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、傳感器組成。上位機(jī)用于監(jiān)測，其通過開發(fā)FameView組態(tài)軟件得到一個(gè)較好的人機(jī)交互界面以便對浮筒打撈整個(gè)過程進(jìn)行集中監(jiān)測與在線管理。PLC接收傳感器傳送的數(shù)據(jù)并按照控制器內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的參數(shù)及編制的程序進(jìn)行計(jì)算。傳感器在本系統(tǒng)的作用為采集浮筒工作時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)^[2]。

    系統(tǒng)以FameView組態(tài)軟件為核心完成了對80噸級別浮筒在深水作業(yè)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測、存儲、顯示等功能。數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測系統(tǒng)的原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、監(jiān)測模塊三個(gè)部分組成。由壓力傳感器、傾角儀及液位計(jì)組成的數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN總線與DE4-20 mA電流與由PLC構(gòu)成的信號轉(zhuǎn)換模塊相聯(lián)系。這兩個(gè)模塊在一起構(gòu)成下位機(jī)，置于水密箱中綁定在浮筒上。由FameView組態(tài)軟件構(gòu)成本系統(tǒng)核心的監(jiān)測模塊，并通過485總線和Modbus RTU與信號轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

    本系統(tǒng)利用傳感器和PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能。壓力傳感器獲取浮筒艏艙壓力、艉艙壓力；傾角儀收集橫傾角、縱傾角；液位計(jì)采集浮筒艏艙液位、艉艙液位和中艙液位。傾角儀通過CAN總線與PLC通信，而壓力傳感器與液位計(jì)的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)化為DC 4-20 mA電流信號傳送給PLC。系統(tǒng)中傳感器以及PLC被封閉在水密箱中，安置在浮筒上。軟件流程如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

    可編程序控制器(PLC)作為新一代的工業(yè)控制裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易學(xué)易用，并可進(jìn)行在線修改^[3]?；赑LC優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能、通信等方面的要求，本系統(tǒng)選用施耐德M251系列PLC來完成數(shù)據(jù)采集。對于上位機(jī)，F(xiàn)ameView功能主要是讀取PLC程序所采集到的數(shù)據(jù)并將其存儲在數(shù)據(jù)庫，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示以便之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理與監(jiān)測。在系統(tǒng)中通過Modbus RTU通信協(xié)議將PLC與FameView組態(tài)軟件連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。PLC與FameView的通信協(xié)議如圖4所示。

3 FameView監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)使用FameView組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面監(jiān)測程序。FameView數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)大，其設(shè)備數(shù)據(jù)表能多線程穩(wěn)定地處理從工業(yè)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，并以圖表、報(bào)表的形式進(jìn)行儲存，調(diào)取分析便捷^[4]。對FameView進(jìn)行開發(fā)需要完成五個(gè)工作：系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備通信定義、運(yùn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)置、顯示畫面制作以及數(shù)據(jù)庫連接。本系統(tǒng)除了得到較好的人機(jī)交互界面外，還根據(jù)實(shí)際情況增加了報(bào)警系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、Web發(fā)布、移動(dòng)終端等功能。

3.1 監(jiān)測界面

    根據(jù)浮筒監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和控制策略，在監(jiān)測界面上應(yīng)同時(shí)包含有四個(gè)浮筒傾角、壓力、液位等參數(shù)。

3.1.1 監(jiān)測畫面設(shè)計(jì)

    FameView 組態(tài)軟件中畫面制作功能強(qiáng)大。其自帶的工具箱及軟件箱為界面制作提供了便捷方式和豐富的素材，也可以自定義圖形。使用組件箱中的“文本變量”、“曲線顯示”、“數(shù)據(jù)庫”、“命令按鈕”、“畫面控件”來制作主監(jiān)測畫面及次級畫面，按鈕控件可實(shí)現(xiàn)主次畫面的轉(zhuǎn)換^[5]。FameView進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)的一般流程為：第一步，建立通信；第二步，定義設(shè)備數(shù)據(jù)表；第三步，運(yùn)行數(shù)據(jù)庫；第四步，畫面制作^[6]。利用FameView提供的組件和腳本語言，按照流程來制作沉船打撈監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測畫面，然后結(jié)合打撈浮筒流程以及實(shí)地作業(yè)情況進(jìn)行改善，完成整套監(jiān)測系統(tǒng)畫面的布置。在設(shè)計(jì)的過程中，每套監(jiān)測系統(tǒng)與PLC所對應(yīng)接口未確定，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行接口的設(shè)定。本文通過開發(fā)FameView而得到的界面較為直觀，為操作人員帶來了極大的便利。監(jiān)測主畫面如圖5所示。以浮筒1的為例，監(jiān)測數(shù)據(jù)的放大畫面如圖6所示。

3.1.2 浮力計(jì)算

    在監(jiān)測界面上將顯示浮筒的橫傾角、縱傾角；艏艙液位、中艙液位和艉艙液位；艏艙壓力、艉艙壓力及浮力等數(shù)據(jù)。傾角，液位和壓力可以分別通過傾角儀、液位計(jì)和壓力傳感器獲取，而浮力則需要通過液位來獲取。

    由于浮筒艙體內(nèi)為非規(guī)則結(jié)構(gòu)，若使用傳統(tǒng)方法計(jì)算艙內(nèi)進(jìn)水后對應(yīng)的艙內(nèi)進(jìn)水容積與進(jìn)水液位之間的關(guān)系表，將會帶來較大的誤差。故為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中通過多物理場仿真用浮筒的進(jìn)水液位來計(jì)算艙內(nèi)的進(jìn)水容積。計(jì)算流程如圖7所示。

    先通過SolidWorks對浮筒艙體建模，再通過有限元計(jì)算容積-液位表。在實(shí)際測量中通過所得液位信息及容積-液位表中容積和液位關(guān)系計(jì)算出浮力。

    本文中首先通過建模仿真獲取浮筒艏艙液位中艙液位、艉艙液位在0～3.2 m范圍內(nèi)每隔0.1 m時(shí)的體積，并由此建立體積表，并通過擬合得到體積與液位之間的關(guān)系，如圖8所示。

    之后根據(jù)體積表將數(shù)據(jù)分為32段，每一段均化曲為直，即在每一小段內(nèi)體積是隨著液位線性變化的。圖8中黑線為建模仿真曲線，灰線是化曲為直的計(jì)算結(jié)果，可看出最大體積誤差出現(xiàn)在深度50 cm左右。為分析誤差對系統(tǒng)的影響，將深度為20～140 cm的體積與液位關(guān)系圖取出放大，可以看出最大體積誤差十分小,可以忽略不計(jì)。

3.1.3 設(shè)備通信

    設(shè)備通信主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)表和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備數(shù)據(jù)表是系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)內(nèi)存，大小為 2 000×1 024，用來存放與外部設(shè)備進(jìn)行交換的原始數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用來讀取外部設(shè)備中的數(shù)據(jù)，放入設(shè)備數(shù)據(jù)表中的指定位置，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)對于各種PLC都具有性能非常好的驅(qū)動(dòng)。

    由于FameView 組態(tài)軟件在與下位機(jī)通信前必須要根據(jù)下位機(jī)軟件所設(shè)定的通信方式安裝驅(qū)動(dòng)，因此本文選擇了Modbus的MB_RTU通信驅(qū)動(dòng)^[7]。在實(shí)際作業(yè)中，在下位機(jī)與設(shè)備之間建立通信后，將采集數(shù)據(jù)建立設(shè)備數(shù)據(jù)表，之后通過由VBscript寫的腳本進(jìn)行控制。系統(tǒng)可以通過設(shè)備號、單元號和位號訪問設(shè)備數(shù)據(jù)表中存儲的各種數(shù)據(jù)。本文根據(jù)實(shí)際情況，一共有4套打撈監(jiān)測系統(tǒng)。由于D1設(shè)備號被系統(tǒng)占用，其內(nèi)容不能被驅(qū)動(dòng)程序使用，因此4套打撈監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備號對應(yīng)為 D2、D3、D4、D5。

    浮筒的液位量程、海水密度等參數(shù)會因?yàn)橥獠凯h(huán)境發(fā)生變化，可在設(shè)備參數(shù)表中進(jìn)行設(shè)置，如圖9所示。系統(tǒng)把修改的參數(shù)發(fā)送給外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能。

    通過實(shí)驗(yàn)及分析發(fā)現(xiàn)傳感器存在誤差，為減小誤差的影響設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)。為提高數(shù)據(jù)的可靠性，規(guī)定只有在得到授權(quán)下才能修改參數(shù)。

3.2 報(bào)警系統(tǒng)

    長期的深水作業(yè)會使裝有傳感器及PLC的水密箱面臨老化、磨損、腐蝕等一系列問題。在艙體打撈過程中，一旦水密箱出現(xiàn)漏水問題，就將會損壞PLC及傳感器，造成設(shè)備報(bào)廢、環(huán)境污染、財(cái)產(chǎn)損失等后果。從設(shè)備安全保障方面看，必須要采取預(yù)防措施，落實(shí)防患于未然。

    系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警輕重程度，分為警告、故障、報(bào)警、自定義四個(gè)級別，指示燈會根據(jù)設(shè)備的受損程度顯示不同的顏色。在發(fā)生報(bào)警后操作人員會首先通過報(bào)警名稱進(jìn)行關(guān)鍵字查詢，從而獲取發(fā)生報(bào)警的原因，然后再通過報(bào)警信息獲得更加詳細(xì)的內(nèi)容，最后操作人員結(jié)合報(bào)警備注，找到解決方案^[8]。報(bào)警級別、報(bào)警位置、報(bào)警點(diǎn)會顯示在一個(gè)表格中，便于工作人員去查詢。此外為了大幅度地提升查詢效率，系統(tǒng)通過報(bào)警位置對報(bào)警進(jìn)行了分組，實(shí)現(xiàn)了分組管理。在試驗(yàn)時(shí)考慮到參與過程的設(shè)計(jì)人員安危，為每個(gè)浮筒添加了各自的超高報(bào)警信息，一旦產(chǎn)生安全問題，必將及時(shí)報(bào)警。

3.3 歷史數(shù)據(jù)

    深水作業(yè)時(shí)不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測，還需要保留一定周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，以便用來分析設(shè)備具體情況，對作業(yè)情況進(jìn)行核實(shí)與比對。歷史數(shù)據(jù)缺省存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫，支持的數(shù)據(jù)庫類型有Access和SQL Serve。數(shù)據(jù)表名稱為Doc -Data。由于在測試階段歷史數(shù)據(jù)量較小，因此可以使用Access數(shù)據(jù)庫，不需要安裝其他軟件。但在實(shí)際應(yīng)用中建議使用SQL Server數(shù)據(jù)庫^[9]，其必須要安裝SQL Server或MSDE/Express軟件平臺。此外缺省歷史數(shù)據(jù)庫類型也可以根據(jù)計(jì)算機(jī)安裝環(huán)境決定。在使用的過程中為了防止數(shù)據(jù)庫文件尺寸達(dá)到限定邊界或硬盤最大容量，需限定數(shù)據(jù)庫文件尺寸，可以使用差值優(yōu)化減少存檔變量存儲容量。打撈浮筒監(jiān)測歷史曲線（模擬量）如圖10所示。

3.4 Web發(fā)布

    操作人員可以通過安裝Web組件包并以管理員身份運(yùn)行瀏覽器以獲取需要的一些信息^[10]，在瀏覽器地址欄中輸入服務(wù)器IP或域名即可進(jìn)入初始網(wǎng)頁。Web發(fā)布包含：畫面、趨勢、報(bào)警、報(bào)表、曲線、下載等信息。其中的畫面對應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行主畫面，趨勢對應(yīng)歷史曲線，報(bào)警對應(yīng)漏水報(bào)警。而對于報(bào)表和曲線等信息則需在SQL Server里添加變量并導(dǎo)入運(yùn)行數(shù)據(jù)庫才能看到效果。通過Web發(fā)布，客戶即可通過IP或域名遠(yuǎn)端監(jiān)測或操作系統(tǒng)。此外系統(tǒng)所增加的移動(dòng)終端功能也將使客戶不再局限于固定的PC。

4 結(jié)論

    本系統(tǒng)操作方便、數(shù)據(jù)可靠、性能穩(wěn)定，在運(yùn)行中具有良好的交互性、可靠性和穩(wěn)定性。此外系統(tǒng)還大幅度降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和難度，提高了工作效率。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互監(jiān)測界面，使得操作人員能夠在第一時(shí)間準(zhǔn)確地獲知水下作業(yè)情況并盡快作出調(diào)整；報(bào)警功能可第一時(shí)間反映錯(cuò)誤，避免了較大的財(cái)力損失；歷史數(shù)據(jù)功能將存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)，為設(shè)備情況分析提供第一手的數(shù)據(jù)；Web發(fā)布功能將提供遠(yuǎn)程監(jiān)測及操控功能。本系統(tǒng)將為深水作業(yè)帶來極大的便利，在某海域?qū)崪y證明該系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

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作者信息:

陳夏寅，彭菊紅，程  志，葉  波，周  民

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢430062)