摘? 要: 從體系結(jié)構(gòu)、硬件構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面介紹了針對(duì)復(fù)雜施工現(xiàn)場(chǎng)" title="施工現(xiàn)場(chǎng)">施工現(xiàn)場(chǎng)所構(gòu)造的集散式" title="集散式">集散式過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)" title="監(jiān)測(cè)系統(tǒng)">監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟件的開發(fā)思想,給出了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)" title="遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)">遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的模型。經(jīng)三峽大壩施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，該系統(tǒng)完全適合這種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用。

　　關(guān)鍵詞: 集散式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)? 過程監(jiān)測(cè)? 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

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　　集散控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和分散控制^[1]。它具有通用性強(qiáng)、人機(jī)界面友好、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程中^[2～4]。

　　三峽大壩施工現(xiàn)場(chǎng)與其它工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相比,具有以下幾個(gè)特點(diǎn):①持續(xù)生產(chǎn);②施工設(shè)備數(shù)目種類多，總的測(cè)點(diǎn)數(shù)目達(dá)200多個(gè)； ③測(cè)點(diǎn)分布范圍廣,測(cè)點(diǎn)遍及各個(gè)車間以及長度超過千米的供料線和高度達(dá)148米的塔帶機(jī)上,范圍達(dá)數(shù)平方公里；④作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,電磁干擾強(qiáng)烈,鋪設(shè)通訊線纜非常困難。開發(fā)這種環(huán)境下的過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難度較大。隨著現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模的增大,作業(yè)自動(dòng)化程度的提高,安全隱患越來越多,機(jī)械故障、連鎖影響造成的損失也越來越大;而且,原有的針對(duì)勞動(dòng)密集型的管理調(diào)度方式也不能夠滿足自動(dòng)化、大規(guī)模生產(chǎn)的要求。針對(duì)這種情況,我們開發(fā)了應(yīng)用于大型施工現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)生產(chǎn)過程集散式監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它以模擬動(dòng)畫為主,直觀、連續(xù)、及時(shí)地反映了現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的關(guān)鍵信息,具有可視化強(qiáng)、組態(tài)性好、易擴(kuò)展、易維護(hù)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常有兩種結(jié)構(gòu)形式:集中式和分布式。前者的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但由于信號(hào)電纜過長,信號(hào)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(chǔ)量的增加導(dǎo)致監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差,只適用于測(cè)點(diǎn)較少且比較集中的場(chǎng)合;后者可靠性高、易于擴(kuò)展,適用于大規(guī)模且測(cè)點(diǎn)分散的場(chǎng)合^[2][4]。考慮到大型施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分散性和不同級(jí)別部門對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的不同需要,我們結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),采取集散式監(jiān)測(cè)模式,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)分散、管理集中的思想。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　從體系結(jié)構(gòu)上,分為三個(gè)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(gòu)成的數(shù)據(jù)采集前端。

　　(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層 由各個(gè)車間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)群組成,主要完成對(duì)所在部位的數(shù)據(jù)采集、初步處理和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)工作站或者調(diào)度機(jī)。

　　(3)管理監(jiān)測(cè)層 主要面向具有管理和調(diào)度權(quán)限的管理人員,由監(jiān)測(cè)工作站、調(diào)度機(jī)和服務(wù)器以及各個(gè)科室的計(jì)算機(jī)群組成,在此完成集中監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)要求實(shí)時(shí)和可靠。針對(duì)惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,我們提出了一種局域網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線、串口通訊相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖2所示。實(shí)踐證明,這種結(jié)構(gòu)完全適合在復(fù)雜作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用。

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　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò),即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層和調(diào)度監(jiān)測(cè)層之間的網(wǎng)絡(luò)選用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng);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(qū)動(dòng)多達(dá)256塊智能采集模塊,通訊距離達(dá)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(kuò)展性。另外,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,還采用了RS232與拌和樓監(jiān)測(cè)機(jī)連接。這種靈活的搭配在保證系統(tǒng)性能的同時(shí),有效地降低了成本。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件要求必須選擇抗干擾能力強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)良、性能可靠的設(shè)備。

3.1 上位機(jī)的選型

　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)機(jī)、監(jiān)測(cè)工作站和調(diào)度機(jī)的工作環(huán)境和條件相對(duì)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(jī),它的整機(jī)及接口板都是經(jīng)過工業(yè)化處理的,可靠性較高;選用IBM服務(wù)器作為數(shù)據(jù)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

????隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,測(cè)量儀表從模擬式、電子式逐步向智能化、微機(jī)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(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊。它具有內(nèi)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(wǎng)絡(luò)獨(dú)立提供智能信號(hào)調(diào)理,具有傳送距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活、維護(hù)方便、便于聯(lián)網(wǎng)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 傳感器的選擇

　　對(duì)傳感器最基本的要求是抗干擾性能強(qiáng)，在一定的范圍內(nèi)線性度好，并輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào),以保證和智能采集模塊傳感器能很好地配合使用。同時(shí)必須具有良好的密封和保護(hù)措施,以適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)多水、多灰塵、多碰砸的情況。

在本系統(tǒng)中,對(duì)于靜止物料的溫度,采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測(cè)量;流動(dòng)物料的溫度采用美國Raytek公司紅外測(cè)溫儀測(cè)量;料位信號(hào)采用超聲波料位計(jì)測(cè)量;速度信號(hào)采用磁電式傳感器配合脈沖盤的方式進(jìn)行測(cè)量;轉(zhuǎn)角、位移信號(hào)采用歐姆倫高精度絕對(duì)或相對(duì)式編碼器監(jiān)測(cè)。

　　系統(tǒng)投入運(yùn)行后表明,以上的選型完全滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)

　　由于集散式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用，使得管理和操作人員在勞動(dòng)強(qiáng)度減輕的同時(shí)，所要監(jiān)視的范圍也更寬了。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(guān)狀態(tài)的顯示,這很難適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行優(yōu)化控制、優(yōu)化管理的要求。

　　二十世紀(jì)80年代開始,出現(xiàn)了多媒體技術(shù),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(cè)系統(tǒng)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)軟件簡介

　　開發(fā)包含多媒體技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),必然要涉及對(duì)很多不同類別設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、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(fèi)大量的人力物力,并且需要很長的開發(fā)周期。

　　二十世紀(jì)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(tái)和開發(fā)環(huán)境^[7]。我們選用在國內(nèi)使用比較廣泛的組態(tài)王(Kingview)作為開發(fā)平臺(tái)，它具有很好的圖形功能、動(dòng)畫控制功能以及強(qiáng)大的硬件驅(qū)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)集散式的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及傳輸模塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化監(jiān)測(cè)模塊、生產(chǎn)過程可視化監(jiān)測(cè)模塊、溫度一條龍監(jiān)測(cè)模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫等五個(gè)功能模塊組成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

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　　采用面向?qū)ο蟮哪K化開發(fā)方法,以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層的各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為基本對(duì)象,在分別完成對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)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(jiān)測(cè)層進(jìn)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(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)編碼:對(duì)所有的測(cè)點(diǎn)和設(shè)備的所有可能的故障和狀態(tài)進(jìn)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(chǔ)量,又可以更加高效快速地進(jìn)行查詢,保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　(2)變量的系統(tǒng)描述:組態(tài)王的變量可以中文命名,對(duì)所有變量采用系統(tǒng)化的命名方法,名稱中包含其所對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)的位置、測(cè)點(diǎn)的類型、測(cè)點(diǎn)的編號(hào)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(hù)性。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

　　本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取的是現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)方式。雖然我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)制解調(diào)器和電話電纜,利用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問功能,使數(shù)據(jù)在兩個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)之間以及生產(chǎn)系統(tǒng)與后方管理層之間的共享;也實(shí)現(xiàn)了對(duì)于局域網(wǎng)或企業(yè)Intranet網(wǎng)中的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī),只要安裝了監(jiān)測(cè)軟件,就可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程的功能,但這種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)依然具有很大地域局限性和較高的實(shí)現(xiàn)成本,它需要在每一臺(tái)客戶機(jī)上安裝組態(tài)監(jiān)控軟件,并根據(jù)用戶不同要求對(duì)程序作出大量的調(diào)整。

　　隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)更廣范圍的資源共享以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是進(jìn)一步研究的方向[5]。另一方面，通過對(duì)關(guān)鍵設(shè)備增加信號(hào)采集分析設(shè)備,可以把功能單一的生產(chǎn)過程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為同時(shí)具有設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下,遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)具有更重要的意義,在設(shè)備發(fā)生故障時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的異地協(xié)同診斷,使得多個(gè)診斷系統(tǒng)服務(wù)于同一臺(tái)設(shè)備,多臺(tái)設(shè)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(shù)的迅速發(fā)展,構(gòu)建一種不限時(shí)間、不限地域的真正的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它采用新型的客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu),服務(wù)器端由Web服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫兩層結(jié)構(gòu)組成,客戶端以通用的瀏覽器(IE)為基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器中,服務(wù)器安裝了服務(wù)器版本監(jiān)控軟件,不同的用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器,通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)或Internet實(shí)現(xiàn)各種工程曲線、報(bào)表、數(shù)據(jù)瀏覽、動(dòng)畫顯示、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

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　　由于只需在服務(wù)器上安裝一套WWW服務(wù)器版本監(jiān)控軟件，而不必在每一個(gè)監(jiān)視和控制點(diǎn)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(wù)器上,大大簡化了培訓(xùn)學(xué)習(xí)過程和對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)管理過程。

　　以上介紹的適用于復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要解決了如下幾個(gè)問題:

　　(1)采用集散式監(jiān)測(cè)模式解決了集中管理和分布監(jiān)測(cè)問題;

　　(2)提出了適合復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),既保證了監(jiān)測(cè)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(shù)和多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)動(dòng)畫模擬顯示和監(jiān)測(cè);

　　(4)實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享,并提出了基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的模型。

　　經(jīng)三峽大壩施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用,證實(shí)該系統(tǒng)完全適合這種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用。本系統(tǒng)的構(gòu)建思想也適用于開發(fā)其它復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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