隨著我國(guó)高速公路隧道里程的日益增長(zhǎng)，高速公路隧道的高效、安全運(yùn)行面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。快速、安全、可靠的高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)，是指揮車輛有序通行、實(shí)時(shí)掌控交通流參數(shù)值、車輛運(yùn)行環(huán)境指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況、減少和及時(shí)處理交通事故的主要保障措施[2]。
    在高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，國(guó)內(nèi)有許多案例采用Windows下通用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)(如VC++、VB、DELPHI)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。由于高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)典型的系統(tǒng)集成工程，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口形式和數(shù)據(jù)類型多樣，數(shù)據(jù)量和集成難度大[3]，尤其在使用大量PLC的場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC的通信比較困難。因此，使用通用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)、調(diào)試?yán)щy。由于所開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)是非開(kāi)放的軟件，后期的維護(hù)難度更大。
    而目前廣泛使用的組態(tài)軟件，能夠更好地解決這個(gè)問(wèn)題[4]。組態(tài)軟件作為專業(yè)的工控軟件，在系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)接口、功能組合等方面的開(kāi)發(fā)非常方便和穩(wěn)定，可以很容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能[5]。此外，由于組態(tài)軟件的開(kāi)放性，系統(tǒng)管理人員可以輕松維護(hù)系統(tǒng)。因此最近幾年，組態(tài)軟件開(kāi)始被系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用到高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中。
    由于組態(tài)軟件采用腳本語(yǔ)言，提供給用戶的編程開(kāi)發(fā)的功能相對(duì)較弱。在缺少I/O驅(qū)動(dòng)的情況下，如在使用組態(tài)王的案例中，還需使用通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫通信程序，并為組態(tài)軟件提供OPC服務(wù)器功能；在與情報(bào)板這類可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)、非實(shí)時(shí)刷新的設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)，組態(tài)軟件同樣存在困難。針對(duì)以上問(wèn)題，本文的設(shè)計(jì)思路是利用組態(tài)軟件及其腳本語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)與所有設(shè)備的通信時(shí)無(wú)需再借用OPC技術(shù)開(kāi)發(fā)通信程序，以減少數(shù)據(jù)的交換次數(shù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時(shí)提高系統(tǒng)的完整性和開(kāi)放性。
    本文介紹了高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行設(shè)備的接口形式多樣、數(shù)據(jù)集成難度大等問(wèn)題，既有針對(duì)PLC使用的穩(wěn)定可靠的I/O驅(qū)動(dòng)，也有大量使用API函數(shù)設(shè)計(jì)的通信程序，并使用腳本語(yǔ)言直接完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與情報(bào)板的通信。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
    某高速公路的一個(gè)機(jī)電標(biāo)段中包含多條隧道，每個(gè)隧道采用了7~8套OMRON公司CS1D-S系列的PLC，并配有以太網(wǎng)模塊。這些PLC負(fù)責(zé)車道指示器、汽通門、風(fēng)機(jī)、照明燈、水泵等開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出，照度、一氧化碳（CO）、能見(jiàn)度（VI）、風(fēng)速（TW）等模擬量的輸入。該機(jī)電標(biāo)段，還包含了雷達(dá)車輛檢測(cè)儀28臺(tái)，各種規(guī)格的情報(bào)信息標(biāo)志35套，還有3套能見(jiàn)度檢測(cè)儀和3套氣象數(shù)據(jù)檢測(cè)儀。所有這些設(shè)備分布在大約200 km高速公路沿線收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)的附近路段，并且通過(guò)RS-232接口，先用光纖傳輸?shù)骄徒母鱾€(gè)收費(fèi)站或者服務(wù)區(qū)的機(jī)房?jī)?nèi)，再接入串口服務(wù)器，然后進(jìn)入由光纖構(gòu)成的以太網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常不采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，無(wú)法通過(guò)組態(tài)軟件的I/O驅(qū)動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，只能通過(guò)用戶編寫通信程序與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文采用iFIX2.6的浙大中控OEM版Sview2.6，該軟件的腳本語(yǔ)言是Microsoft VBA6.0，與VB6.0相比，Sview2.6除了不能編譯成獨(dú)立的可執(zhí)行程序外，其他的編程語(yǔ)法、語(yǔ)句及調(diào)試方法等功能兩者基本相同。
2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
    運(yùn)行iFIX軟件，打開(kāi)Sview數(shù)據(jù)庫(kù)管理器。從菜單欄選擇“驅(qū)動(dòng)器”，打開(kāi)“OMF”，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行設(shè)置和添加PLC站點(diǎn)，并為每個(gè)站點(diǎn)定義數(shù)據(jù)塊。驅(qū)動(dòng)程序以數(shù)據(jù)塊的形式與PLC交換數(shù)據(jù)，這是一種高效的通信方式；同時(shí)，在PLC編程時(shí)，對(duì)于要組態(tài)的數(shù)據(jù)，盡量集中存放，避免過(guò)多的數(shù)據(jù)塊。在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加標(biāo)簽，要注意“I/O地址”的輸入格式，如圖2所示。

2.2 建立控制系統(tǒng)主畫面
    在iFIX工作臺(tái)中，建立所需要的各個(gè)畫面，并鏈接動(dòng)畫。如果需要報(bào)警，則在建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，設(shè)置好報(bào)警條件，然后在畫面中增加報(bào)警控件；如果需要曲線，則啟動(dòng)歷史定義程序，定義好要儲(chǔ)存的歷史數(shù)據(jù)，并在后臺(tái)啟動(dòng)歷史儲(chǔ)存程序，然后在畫面中增加曲線顯示控件[6]。到此，作為一般性的組態(tài)任務(wù)基本完成。
    考慮到通信程序必須和監(jiān)控軟件始終同時(shí)運(yùn)行，而且腳本程序通常是畫面文件的一部分，因此在畫面設(shè)計(jì)時(shí)，做成了上（占12%）、下（占88%）兩部分。其中上部是始終運(yùn)行，下部則可以通過(guò)上部的切換按鈕，進(jìn)行畫面切換。上部畫面稱之為“主菜單”，并在此畫面的代碼中編寫通信程序，如圖3所示。

2.3 實(shí)時(shí)通信的實(shí)現(xiàn)
    微波車輛檢測(cè)器設(shè)置為每分鐘自動(dòng)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)；氣象和能見(jiàn)度檢測(cè)則先發(fā)送命令，然后讀取數(shù)據(jù)。所有的串口服務(wù)器，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上映射為虛擬的串口。微軟的MSComm控件是被廣泛應(yīng)用于串口通信的控件，但由于MSComm控件只能支持最多16個(gè)串口，故不適合在本系統(tǒng)的環(huán)境中使用。為此，本系統(tǒng)嘗試使用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信。API函數(shù)的聲明是：可以使用VB的API文本瀏覽器，復(fù)制到iFIX項(xiàng)目中。使用API初始化串口步驟如下：
    (1)調(diào)用CreateFile創(chuàng)建句柄，如果結(jié)果大于0，可以進(jìn)入下一步，否則中止。
    (2)調(diào)用GetCommState取得設(shè)備參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需要修改其中部分參數(shù)(如波特率、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位等)。
    (3)調(diào)用SetCommState設(shè)置修改后的設(shè)備參數(shù)。
    (4)調(diào)用SetCommTimeouts設(shè)置超時(shí)參數(shù)，其中ReadIntervalTimeout須設(shè)置為-1（即為16進(jìn)制FFFFFFFF）。
    (5)調(diào)用SetupComm設(shè)置輸入/輸出緩沖區(qū)大小。
    至此，串口的初始化完成，然后可以定時(shí)接收(ReadFile)和發(fā)送(WriteFile)數(shù)據(jù)了。CloseHandle則用于關(guān)閉串口。串口初始化和能見(jiàn)度、氣象儀程序流程圖如圖4所示。

    能見(jiàn)度和氣象儀共6套，利用一個(gè)500 ms定時(shí)器，輪流進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)刷新周期為3 s。采用的通信方式是先接收，對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和頭尾幾個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)符合，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送讀命令。能見(jiàn)度接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為22 B，其中15 B~18 B為單精度浮點(diǎn)數(shù)。數(shù)據(jù)處理采用API函數(shù)CopyMemory，采用傳遞地址的方式，把字節(jié)數(shù)組中的內(nèi)容復(fù)制到一個(gè)單精度變量中（如按照IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，但計(jì)算紛繁復(fù)雜），然后把這個(gè)單精度變量的內(nèi)容寫到iFIX實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽中（標(biāo)簽的I/O地址采用SIM驅(qū)動(dòng)器的地址空間）。
2.4 情報(bào)信息標(biāo)志通信的實(shí)現(xiàn)
    考慮到情報(bào)信息標(biāo)志為非實(shí)時(shí)刷新，因此采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存每塊信息標(biāo)志有關(guān)的內(nèi)容。當(dāng)程序打開(kāi)時(shí)，自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有記錄，并把其中的關(guān)鍵信息添加到“選擇對(duì)象”ComboBox中。當(dāng)用戶在復(fù)合框選擇一塊信息標(biāo)志時(shí)，程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取該信息標(biāo)志的有關(guān)信息及上次發(fā)送的內(nèi)容，并顯示給用戶。當(dāng)用戶成功下載內(nèi)容到信息標(biāo)志時(shí)，把相關(guān)內(nèi)容更新到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
    在VBA中處理漢字的方法是：一個(gè)漢字為一個(gè)字符，可以使用MID()函數(shù)截取一個(gè)字符，然后用ASC()函數(shù)取得該字符的值，如果是漢字，則該值為負(fù)數(shù)，否則為正數(shù)。該負(fù)值加65 536，得到該漢字的雙字節(jié)機(jī)內(nèi)碼，整數(shù)除256得到高字節(jié)，取模256得到低字節(jié)。
    如圖5所示，畫面右下角的“高級(jí)功能”按鈕用于啟動(dòng)情報(bào)信息標(biāo)志設(shè)備廠家專用軟件。雖然設(shè)備廠家軟件功能齊全，但從使用結(jié)果來(lái)看，本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)響應(yīng)速度快，一個(gè)請(qǐng)求過(guò)程平均耗時(shí)在0.1～0.6 s之間（包括數(shù)據(jù)庫(kù)的處理時(shí)間、通過(guò)日志記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算），而情報(bào)信息標(biāo)志設(shè)備廠家專用軟件正常情況下處理時(shí)間需10 s左右，有時(shí)還有錯(cuò)誤的響應(yīng)（如網(wǎng)絡(luò)不通），但顯示狀態(tài)仍為正常等現(xiàn)象。

    以iFIX為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的高速公路及其隧道項(xiàng)目數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)已投入正常運(yùn)行，并取得了比較滿意的效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、占用資源小、維護(hù)方便。使用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)隧道監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮組態(tài)軟件靈活多樣的組態(tài)功能；同時(shí)使用大量的VBA6.0腳本語(yǔ)言編寫通信程序，解決了組態(tài)軟件數(shù)據(jù)集成難度大的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。
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