摘? 要: 從體系結構、硬件構成、網絡結構和軟件設計等幾個方面介紹了針對復雜施工現(xiàn)場" title="施工現(xiàn)場">施工現(xiàn)場所構造的集散式" title="集散式">集散式過程監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng),并詳細闡述了系統(tǒng)軟件的開發(fā)思想,給出了遠程監(jiān)測" title="遠程監(jiān)測">遠程監(jiān)測的模型。經三峽大壩施工現(xiàn)場的實際應用證實，該系統(tǒng)完全適合這種復雜的作業(yè)環(huán)境,對促進生產優(yōu)化調度、保證質量、提高效率具有積極作用。
關鍵詞: 集散式監(jiān)測系統(tǒng)? 過程監(jiān)測? 遠程監(jiān)測
?
集散控制系統(tǒng)利用計算機技術、網絡技術、通信技術等對生產過程進行集中監(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，已廣泛應用于各種生產過程中[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;②施工設備數(shù)目種類多，總的測點數(shù)目達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148米的塔帶機上,范圍達數(shù)平方公里；④作業(yè)環(huán)境復雜,電磁干擾強烈,鋪設通訊線纜非常困難。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,原有的針對勞動密集型的管理調度方式也不能夠滿足自動化、大規(guī)模生產的要求。針對這種情況,我們開發(fā)了應用于大型施工現(xiàn)場的連續(xù)生產過程集散式監(jiān)測系統(tǒng),它以模擬動畫為主,直觀、連續(xù)、及時地反映了現(xiàn)場主要設備的運行狀態(tài)以及生產過程的關鍵信息,具有可視化強、組態(tài)性好、易擴展、易維護等特點。
1 系統(tǒng)的體系結構
監(jiān)測系統(tǒng)通常有兩種結構形式:集中式和分布式。前者的優(yōu)點在于結構簡單、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" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集通道數(shù)和存儲量的增加導致監(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]?？紤]到大型施工現(xiàn)場監(jiān)測點的分散性和不同級別部門對監(jiān)測內容的不同需要,我們結合兩種結構的優(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)結構如圖1所示。
?
?
從體系結構上,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,主要完成對所在部位的數(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)測工作站或者調度機。
(3)管理監(jiān)測層 主要面向具有管理和調度權限的管理人員,由監(jiān)測工作站、調度機和服務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)的網絡結構及實現(xiàn)
監(jiān)測系統(tǒng)中的通信網絡要求實時和可靠。針對惡劣的現(xiàn)場環(huán)境,我們提出了一種局域網與現(xiàn)場總線、串口通訊相結合的網絡結構,如圖2所示。實踐證明,這種結構完全適合在復雜作業(yè)現(xiàn)場中應用。
?
?
監(jiān)測系統(tǒng)的上層網絡,即現(xiàn)場監(jiān)測層和調度監(jiān)測層之間的網絡選用標準以太網;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,它可以驅動多達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(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)的硬件構成
監(jiān)測系統(tǒng)的硬件要求必須選擇抗干擾能力強、品質優(yōu)良、性能可靠的設備。
3.1 上位機的選型
現(xiàn)場監(jiān)測機、監(jiān)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過工業(yè)化處理的,可靠性較高;選用IBM服務器作為數(shù)據(jù)庫服務器和網絡服務器。
3.2 智能采集模塊的選擇
????隨著微電子技術、計算機技術、網絡技術的高速發(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ADAM-4000系列是緊湊、智能傳感器到PC機的遠程數(shù)據(jù)采集模塊。它具有內置的微處理器、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通訊網絡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，在一定的范圍內線性度好，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地配合使用。同時必須具有良好的密封和保護措施,以適應施工現(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,采用標準鉑電阻測量;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(jiān)測。
系統(tǒng)投入運行后表明,以上的選型完全滿足生產實際的需要， 實現(xiàn)了系統(tǒng)設計的功能。
4 系統(tǒng)的軟件設計和開發(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狀態(tài)的顯示,這很難適應現(xiàn)代化企業(yè)及時、準確地進行優(yōu)化控制、優(yōu)化管理的要求。
二十世紀80年代開始,出現(xiàn)了多媒體技術,其信息媒體的多樣性、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,將大大提高生產的自動化水平。
4.1 組態(tài)軟件簡介
開發(fā)包含多媒體技術的監(jiān)測系統(tǒng),必然要涉及對很多不同類別設備的驅動、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散式的監(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、預處理及傳輸模塊、設備運行狀態(tài)可視化監(jiān)測模塊、生產過程可視化監(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)軟件結構示意圖如圖3所示。
?
?
采用面向對象的模塊化開發(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:對所有的測點和設備的所有可能的故障和狀態(tài)進行系統(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)存儲量,又可以更加高效快速地進行查詢,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,對所有變量采用系統(tǒng)化的命名方法,名稱中包含其所對應的測點的位置、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性。
5 遠程監(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。雖然我們已經實現(xiàn)了通過調制解調器和電話電纜,利用系統(tǒng)的遠程訪問功能,使數(shù)據(jù)在兩個生產系統(tǒng)之間以及生產系統(tǒng)與后方管理層之間的共享;也實現(xiàn)了對于局域網或企業(yè)Intranet網中的任何一臺計算機,只要安裝了監(jiān)測軟件,就可以遠程實時監(jiān)測生產過程的功能,但這種遠程監(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整。
隨著現(xiàn)代通信技術和計算機技術的迅速發(fā)展，如何實現(xiàn)更廣范圍的資源共享以及遠程監(jiān)測是進一步研究的方向[5]。另一方面，通過對關鍵設備增加信號采集分析設備,可以把功能單一的生產過程監(jiān)視網絡擴展為同時具有設備狀態(tài)監(jiān)測功能的監(jiān)測網絡。在這種情況下,遠程監(jiān)測具有更重要的意義,在設備發(fā)生故障時,可以實現(xiàn)對生產設備的異地協(xié)同診斷,使得多個診斷系統(tǒng)服務于同一臺設備,多臺設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技術的迅速發(fā)展,構建一種不限時間、不限地域的真正的遠程監(jiān)測系統(tǒng)已經成為現(xiàn)實。基于Internet的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的結構如圖4所示。它采用新型的客戶/服務器體系結構,服務器端由Web服務器及數(shù)據(jù)庫兩層結構組成,客戶端以通用的瀏覽器(IE)為基礎?，F(xiàn)場設備和下位機將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務器中,服務器安裝了服務器版本監(jiān)控軟件,不同的用戶可以使用標準瀏覽器,通過企業(yè)內部局域網或Internet實現(xiàn)各種工程曲線、報表、數(shù)據(jù)瀏覽、動畫顯示、遠程實時監(jiān)控等功能。
?
?
由于只需在服務器上安裝一套WWW服務器版本監(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)都集中在服務器上,大大簡化了培訓學習過程和對系統(tǒng)的維護管理過程。
以上介紹的適用于復雜環(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)提出了適合復雜作業(yè)環(huán)境的網絡結構,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)技術和多媒體技術實現(xiàn)了生產過程實時動畫模擬顯示和監(jiān)測;
(4)實現(xiàn)了局域網內遠程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享,并提出了基于Internet的遠程監(jiān)測的模型。
經三峽大壩施工現(xiàn)場的實際應用,證實該系統(tǒng)完全適合這種復雜的作業(yè)環(huán)境,對促進生產優(yōu)化調度、保證質量、提高效率具有積極作用。本系統(tǒng)的構建思想也適用于開發(fā)其它復雜工業(yè)環(huán)境下的監(jiān)測系統(tǒng)。
?
參考文獻
1 蘇慶東. 集散控制系統(tǒng)發(fā)展概況和趨勢.電子與信息化，1997.5
2 李 沈,肖建陽,孟 超.集散式風機狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng).振動工程學報,1998(11):174~178
3 軒建平,來五星,史鐵林等.500測點汽輪發(fā)電機組分布式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術的研究.中國機械工程,
? 1999；10(3):310～316
4 賈民平,許飛云,鐘秉林. 遠程分布式汽輪機組故障診斷網絡系統(tǒng)的研究.中國電機工程學報,1998(1)：60～63
5 唐統(tǒng)一,趙 偉.電測與儀表技術的回顧與展望.電測與儀表,2000；37(1)：5～9
6 王爽心,孫海波,李亞光.多媒體技術在電力生產監(jiān)控重的應用和展望.華北電力技術,2000；(1)：42～45
7 李 勇.工控組態(tài)軟件在中國.計算機世界(日報),1999.4