0 引言

    在打撈作業中，鋼制浮筒發揮了極大的作用。鋼制浮筒在打撈工程中的應用主要分為浮筒鋼纜的預埋、浮筒的沉放及浮筒的充氣平衡三個階段^[1]。浮筒的充氣平衡是整個作業過程中最重要又最難的一步。傳統的打撈作業中為了保證整個過程準確無誤，常需要專業打撈人員潛入水中進行人為監測，但因傳統計算模型具有較大的誤差及人為因素的存在導致了在耗費了大量人力物力的情況下，整個進程仍然不易得到準確控制。針對這個問題本文設計了一套基于FameView的打撈浮筒監測系統，用于實時監測浮筒深水作業時的情況。

    本文根據實際需求，開發了基于FameView組態軟件的打撈浮筒監測系統。利用 FameView 組態軟件建立與下位機之間的通信，并搭建一個監測平臺。在每個浮筒上安置裝有壓力傳感器、液位計、傾角儀及PLC的水密箱，PLC采集各傳感器的數據，并傳遞給上位機。上位機是通過開發FameView組態軟件而得到的監測系統平臺，對采集的數據進行處理、控制、監視。本文所設計的監測系統使作業人員可以通過人機交互畫面實時獲取準確數據，并對信息進行分析與處理。此外本系統也根據實際情況增加了報警、歷史數據、Web發布、移動終端等附加功能。在操作過程中一旦出現問題，監測系統會立刻給出報警信息，在問題解決后，系統將恢復正常，記錄并退出報警，以便于之后的分析。該系統在實際測試中，數據真實可靠，監測精準，操作簡便，系統穩定，性能良好。

1 系統分析

    為了準確獲知浮筒在打撈作業時是否到達充氣平衡狀態，系統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據，并由PLC控制、轉換、分析后傳送給上位機，以顯示在監測界面上供操作人員進行系統監測。

    本系統由上位機、PLC、傳感器組成。上位機用于監測，其通過開發FameView組態軟件得到一個較好的人機交互界面以便對浮筒打撈整個過程進行集中監測與在線管理。PLC接收傳感器傳送的數據并按照控制器內部預先設置的參數及編制的程序進行計算。傳感器在本系統的作用為采集浮筒工作時的各項數據^[2]。

    系統以FameView組態軟件為核心完成了對80噸級別浮筒在深水作業時的數據采集、分析、監測、存儲、顯示等功能。數據采集及監測系統的原理如圖1所示。

2 系統設計

    本系統由數據采集模塊、信號轉換模塊、監測模塊三個部分組成。由壓力傳感器、傾角儀及液位計組成的數據采集模塊通過CAN總線與DE4-20 mA電流與由PLC構成的信號轉換模塊相聯系。這兩個模塊在一起構成下位機，置于水密箱中綁定在浮筒上。由FameView組態軟件構成本系統核心的監測模塊，并通過485總線和Modbus RTU與信號轉換模塊進行通信。系統功能模塊如圖2所示。

2.1 數據采集

    本系統利用傳感器和PLC實現數據的采集功能。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的數據將轉化為DC 4-20 mA電流信號傳送給PLC。系統中傳感器以及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 軟件設計

    可編程序控制器(PLC)作為新一代的工業控制裝置，其結構簡單、性能優良、可靠性高、抗干擾能力強、易學易用，并可進行在線修改^[3]。基于PLC優點，結合系統在結構、功能、通信等方面的要求，本系統選用施耐德M251系列PLC來完成數據采集。對于上位機，FameView功能主要是讀取PLC程序所采集到的數據并將其存儲在數據庫，同時將數據實時顯示以便之后對數據進行集中管理與監測。在系統中通過Modbus RTU通信協議將PLC與FameView組態軟件連接在一起，實現數據的實時傳送。PLC與FameView的通信協議如圖4所示。

3 FameView監測系統設計

    本系統使用FameView組態軟件設計人機界面監測程序。FameView數據庫功能強大，其設備數據表能多線程穩定地處理從工業現場采集的數據，并以圖表、報表的形式進行儲存，調取分析便捷^[4]。對FameView進行開發需要完成五個工作：系統設置、設備通信定義、運行數據庫設置、顯示畫面制作以及數據庫連接。本系統除了得到較好的人機交互界面外，還根據實際情況增加了報警系統、歷史數據、Web發布、移動終端等功能。

3.1 監測界面

    根據浮筒監測系統的設計思想和控制策略，在監測界面上應同時包含有四個浮筒傾角、壓力、液位等參數。

3.1.1 監測畫面設計

    FameView 組態軟件中畫面制作功能強大。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”、“數據庫”、“命令按鈕”、“畫面控件”來制作主監測畫面及次級畫面，按鈕控件可實現主次畫面的轉換^[5]。FameView進行畫面設計的一般流程為：第一步，建立通信；第二步，定義設備數據表；第三步，運行數據庫；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測系統的監測畫面，然后結合打撈浮筒流程以及實地作業情況進行改善，完成整套監測系統畫面的布置。在設計的過程中，每套監測系統與PLC所對應接口未確定，需根據實際情況進行接口的設定。本文通過開發FameView而得到的界面較為直觀，為操作人員帶來了極大的便利。監測主畫面如圖5所示。以浮筒1的為例，監測數據的放大畫面如圖6所示。

3.1.2 浮力計算

    在監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據。傾角，液位和壓力可以分別通過傾角儀、液位計和壓力傳感器獲取，而浮力則需要通過液位來獲取。

    由于浮筒艙體內為非規則結構，若使用傳統方法計算艙內進水后對應的艙內進水容積與進水液位之間的關系表，將會帶來較大的誤差。故為了得到準確的數據，在本系統中通過多物理場仿真用浮筒的進水液位來計算艙內的進水容積。計算流程如圖7所示。

    先通過SolidWorks對浮筒艙體建模，再通過有限元計算容積-液位表。在實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系計算出浮力。

    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范圍內每隔0.1 m時的體積，并由此建立體積表，并通過擬合得到體積與液位之間的關系，如圖8所示。

    之后根據體積表將數據分為32段，每一段均化曲為直，即在每一小段內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算結果，可看出最大體積誤差出現在深度50 cm左右。為分析誤差對系統的影響，將深度為20～140 cm的體積與液位關系圖取出放大，可以看出最大體積誤差十分小,可以忽略不計。

3.1.3 設備通信

    設備通信主要包括設備數據表和設備驅動程序。設備數據表是系統提供的數據內存，大小為 2 000×1 024，用來存放與外部設備進行交換的原始數據。設備驅動程序用來讀取外部設備中的數據，放入設備數據表中的指定位置，本文所設計的監測系統對于各種PLC都具有性能非常好的驅動。

    由于FameView 組態軟件在與下位機通信前必須要根據下位機軟件所設定的通信方式安裝驅動，因此本文選擇了Modbus的MB_RTU通信驅動^[7]。在實際作業中，在下位機與設備之間建立通信后，將采集數據建立設備數據表，之后通過由VBscript寫的腳本進行控制。系統可以通過設備號、單元號和位號訪問設備數據表中存儲的各種數據。本文根據實際情況，一共有4套打撈監測系統。由于D1設備號被系統占用，其內容不能被驅動程序使用，因此4套打撈監測系統的設備號對應為 D2、D3、D4、D5。

    浮筒的液位量程、海水密度等參數會因為外部環境發生變化，可在設備參數表中進行設置，如圖9所示。系統把修改的參數發送給外部設備，實現實時監測的功能。

    通過實驗及分析發現傳感器存在誤差，為減小誤差的影響設計了校準。為提高數據的可靠性，規定只有在得到授權下才能修改參數。

3.2 報警系統

    長期的深水作業會使裝有傳感器及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，一旦水密箱出現漏水問題，就將會損壞PLC及傳感器，造成設備報廢、環境污染、財產損失等后果。從設備安全保障方面看，必須要采取預防措施，落實防患于未然。

    系統根據報警輕重程度，分為警告、故障、報警、自定義四個級別，指示燈會根據設備的受損程度顯示不同的顏色。在發生報警后操作人員會首先通過報警名稱進行關鍵字查詢，從而獲取發生報警的原因，然后再通過報警信息獲得更加詳細的內容，最后操作人員結合報警備注，找到解決方案^[8]。報警級別、報警位置、報警點會顯示在一個表格中，便于工作人員去查詢。此外為了大幅度地提升查詢效率，系統通過報警位置對報警進行了分組，實現了分組管理。在試驗時考慮到參與過程的設計人員安危，為每個浮筒添加了各自的超高報警信息，一旦產生安全問題，必將及時報警。

3.3 歷史數據

    深水作業時不僅要實時監測，還需要保留一定周期內的歷史數據，以便用來分析設備具體情況，對作業情況進行核實與比對。歷史數據缺省存儲在關系數據庫，支持的數據庫類型有Access和SQL Serve。數據表名稱為Doc -Data。由于在測試階段歷史數據量較小，因此可以使用Access數據庫，不需要安裝其他軟件。但在實際應用中建議使用SQL Server數據庫^[9]，其必須要安裝SQL Server或MSDE/Express軟件平臺。此外缺省歷史數據庫類型也可以根據計算機安裝環境決定。在使用的過程中為了防止數據庫文件尺寸達到限定邊界或硬盤最大容量，需限定數據庫文件尺寸，可以使用差值優化減少存檔變量存儲容量。打撈浮筒監測歷史曲線（模擬量）如圖10所示。

3.4 Web發布

    操作人員可以通過安裝Web組件包并以管理員身份運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器IP或域名即可進入初始網頁。Web發布包含：畫面、趨勢、報警、報表、曲線、下載等信息。其中的畫面對應監測系統運行主畫面，趨勢對應歷史曲線，報警對應漏水報警。而對于報表和曲線等信息則需在SQL Server里添加變量并導入運行數據庫才能看到效果。通過Web發布，客戶即可通過IP或域名遠端監測或操作系統。此外系統所增加的移動終端功能也將使客戶不再局限于固定的PC。

4 結論

    本系統操作方便、數據可靠、性能穩定，在運行中具有良好的交互性、可靠性和穩定性。此外系統還大幅度降低了操作人員的勞動強度和難度，提高了工作效率。實時數據傳輸和人機交互監測界面，使得操作人員能夠在第一時間準確地獲知水下作業情況并盡快作出調整；報警功能可第一時間反映錯誤，避免了較大的財力損失；歷史數據功能將存儲部分數據，為設備情況分析提供第一手的數據；Web發布功能將提供遠程監測及操控功能。本系統將為深水作業帶來極大的便利，在某海域實測證明該系統滿足實際應用要求。

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作者信息:

陳夏寅，彭菊紅，程  志，葉  波，周  民

(湖北大學 計算機與信息工程學院，湖北 武漢430062)