連續(xù)生產過程集散式監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

1、連續(xù)生產過程集散式監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)朱永生 康榮學 張劍鋒 王成 時間:2008年11月24日 字 體: 大 中 小關鍵詞:監(jiān)測系統(tǒng)集散式數據采集施工現場遠程監(jiān)測摘? 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場所構造的集散式過程監(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)測的模型。經三峽大壩施工現場的實際應用證實，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

2、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24。三峽大壩施工現場與其它工業(yè)現場相比,具有以下幾個特點:持續(xù)生產;施工設備數目種類多，總的測點數目達200多個； 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,范圍達數平方公里；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場的連續(xù)生產過程集散

3、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，且由于數據采集通道數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24?？紤]到大型施工現場監(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

4、上,分為三個層次:(1)數據采集層 主要包括由智能數據采集模塊及傳感器構成的數據采集前端。(2)現場監(jiān)測層 由各個車間的現場監(jiān)測計算機群組成,主要完成對所在部位的數據采集、初步處理和現場監(jiān)測,并將數據傳輸到監(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。針對惡劣的現場環(huán)境,我們提出了一種局域網與現場總線、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)現場中應用。?監(jiān)測系統(tǒng)的上層網絡,即現場監(jiān)測層和調度監(jiān)測

5、層之間的網絡選用標準以太網;而底層,即數據采集層,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,根據現場的實際情況,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,

6、可靠性較高;選用IBM服務器作為數據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機的遠程數據采集模塊。它具有內置的微處理器、模擬量I/O和數字量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

7、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

8、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、數據采集和傳輸控制、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的組態(tài)軟件,是專用于數據采集和過程控制的、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)

9、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)由數據采集、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)測數據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

10、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,最終存入數據庫中的也是各種編碼，既減少了數據存儲量,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)測的實現本監(jiān)測系統(tǒng)采取的是現場在線監(jiān)測方式。雖然我們已經實現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,使數據在兩個生產系統(tǒng)之間以及生產系統(tǒng)與后方管理層之間的共享;也實現了對于局域網或企業(yè)

11、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,并根據用戶不同要求對程序作出大量的調整。隨著現代通信技術和計算機技術的迅速發(fā)展，如何實現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,可以實現對生產設備的異地協同診斷,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

12、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)已經成為現實?；贗nternet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服務器及數據庫兩層結構組成,客戶端以通用的瀏覽器(IE)為基礎。現場設備和下位機將采集到的數據傳送到服務器中,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實現各種工程曲線、報表、數據瀏覽、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

13、,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)測數據的高可靠性,又便于數據共享; (3)采用組態(tài)技術和多媒體技術實現了生產過程實時動畫模擬顯示和監(jiān)測; (4)實現了局域網內遠程實時監(jiān)測和數據共享,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，1997.52 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):1741783 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