基于SCADA系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)施工遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

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1 概述

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)[1]，是對(duì)分布距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)[2]。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。

利用基于SCADA系統(tǒng)的組態(tài)軟件對(duì)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析以達(dá)到集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程分析、專家把關(guān)等目的，對(duì)于盾構(gòu)施工質(zhì)量過程控制具有較積極的意義。

2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)利用盾構(gòu)機(jī)原有三菱PLC作為數(shù)據(jù)源，通過A1SJ71UC24通訊模塊以RS232方式傳送到控制室PC，用組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示[3]。與地面PC通信采用一對(duì)SDSL點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸線為屏蔽雙絞線，速率0.128～2 MB/s，傳輸距離8 km，保證地面PC能夠進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

然后利用地面PC作為Web發(fā)布服務(wù)器，開放相關(guān)端口、綁定IP地址、進(jìn)行域名解析。把盾構(gòu)數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁的方式發(fā)布到Internet。公司總部鍵入域名、用戶名、密碼就可以實(shí)施盾構(gòu)運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)內(nèi)PC也能實(shí)時(shí)觀測(cè)到盾構(gòu)數(shù)據(jù)（圖1）。

該系統(tǒng)目前已通過3 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)共8 km左右的實(shí)際使用。該系統(tǒng)主要利用組態(tài)軟件的組態(tài)來完成盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集，并通過一對(duì)SDSL傳送到地面辦公室，使得施工人員在現(xiàn)場(chǎng)辦公室能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)到盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行狀況[4]。傳輸距離在8 km以內(nèi)。該系統(tǒng)共采集逾500 個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幾乎涵蓋了盾構(gòu)機(jī)所有的驅(qū)動(dòng)輸出、信號(hào)反饋、技術(shù)參數(shù)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)完成了Web發(fā)布，可以在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)監(jiān)視盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，達(dá)到了真正意義上的遠(yuǎn)程異地監(jiān)控。

圖1 盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

3 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與PLC之間的通訊[1-4]

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與PLC之間的雙向通訊通過SCADA軟件建立通訊數(shù)據(jù)庫，以DDE方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。PLC連接模塊采用串口通信模塊，服務(wù)器采用RS232串口與PLC建立通信連接。通信格式：波特率9 600、數(shù)據(jù)位8、停止位1、偶校驗(yàn)。然后在數(shù)據(jù)庫中建立需要監(jiān)控的變量名稱、地址等。如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與PLC之間的雙向通訊

在數(shù)據(jù)庫中變量的建立需設(shè)置一個(gè)唯一的名稱與變量地址相對(duì)應(yīng)，并設(shè)置顯示真值與原始值之間的比例關(guān)系、采集頻率等。

4 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與Web服務(wù)器之間的通訊

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與Web服務(wù)器之間的通訊采用SDSL路由器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，能在一對(duì)銅纜上傳輸最高2.304 Mbps的V.35信號(hào)而在7 km內(nèi)不需要中繼器，誤碼率不超過10－7。 通過高速數(shù)據(jù)接口10 Base T方式，一部客戶端單機(jī)式SHDSL 經(jīng)由一對(duì)銅纜連接到另一端單機(jī)式局端SHDSL，以達(dá)到雙向?qū)ΨQ式傳輸。需要注意的是一對(duì)SDSL路由器必須設(shè)置好主從關(guān)系。采用Web瀏覽器方式配置時(shí)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、Web發(fā)布服務(wù)器PC和路由器的IP地址必須在同一網(wǎng)段上，并且子網(wǎng)掩碼相同。

系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與Web服務(wù)器之間的通訊

5 Web服務(wù)器的畫面、數(shù)據(jù)發(fā)布

Web服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡配置，首先在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置上完成廣域網(wǎng)的配置并且能夠正常登錄廣域網(wǎng)。然后進(jìn)入路由器完成MAC地址的綁定，端口的映射。在Web服務(wù)器上安裝動(dòng)態(tài)域名解析軟件，完成域名的指向設(shè)定。其中IP地址與默認(rèn)網(wǎng)關(guān)必須在同一網(wǎng)段。

系統(tǒng)框圖如圖4所示。

該系統(tǒng)共有15 個(gè)主畫面、70 個(gè)窗口畫面，這里不做一一介紹。

圖4 服務(wù)器數(shù)據(jù)的發(fā)布

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

由于該系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量大，幾乎涵蓋了盾構(gòu)機(jī)的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)及I/O端口狀態(tài)，保證了技術(shù)人員能夠全方位了解和分析數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)嵌入了液壓回路的圖紙、刀盤主回路的電氣圖，各閥件、電氣部件的運(yùn)行狀況一目了然，特別是在報(bào)警畫面嵌入了幫助畫面，針對(duì)某一故障現(xiàn)象提供維修參考，為盾構(gòu)機(jī)維修人員提供了快捷的修理方法，保證了盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行可靠性。

系統(tǒng)加入了1 min報(bào)表顯示、歷史報(bào)表查詢，報(bào)表數(shù)據(jù)采集1 組/min，具有連貫性的特點(diǎn)，便于數(shù)據(jù)正確分析。

加入1 s實(shí)時(shí)曲線顯示，歷史曲線查詢，最大值、最小值、平均值自動(dòng)計(jì)算，橫向游標(biāo)，縱向比例縮放，數(shù)據(jù)分析比較直觀。

實(shí)現(xiàn)了Web發(fā)布，為遠(yuǎn)程診斷設(shè)備故障、分析運(yùn)行參數(shù)帶來可能，對(duì)項(xiàng)目部施工質(zhì)量的集中監(jiān)控提供平臺(tái)。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)已經(jīng)通過3 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)共8 km左右掘進(jìn)里程的調(diào)試運(yùn)行。運(yùn)行狀況較為穩(wěn)定。但是還存在不足之處：由于軟件的限制，在Internet沒有實(shí)現(xiàn)報(bào)表、曲線的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示，需要今后逐步克服解決。1 根網(wǎng)線只能發(fā)布1 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)，擬定今后考慮使用無線3G網(wǎng)絡(luò)或GPRS來解決上述問題。由于數(shù)據(jù)量較大，帶來顯示延時(shí)的問題，也需要逐步解決?？傊?，系統(tǒng)還需要不斷地完善，為盾構(gòu)施工的集中監(jiān)控、掌控盾構(gòu)機(jī)施工質(zhì)量起到更大作用。