擠密砂樁集成控制系統(tǒng)優(yōu)化方案的關(guān)鍵技術(shù)

李靖，馬振江

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著通信技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)過程控制系統(tǒng)框架朝著智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，控制系統(tǒng)具有高速、高效、高精度、高可靠性的性質(zhì)。因此，通過通信信道和設(shè)備互連起來的多個不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，要使其能協(xié)同工作，實現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言，遵循互相都能接受的規(guī)則，這個規(guī)則就是通信協(xié)議[1]，如物理層協(xié)議EIA RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)、EIA-422接口標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP通信協(xié)議、PROFIBUS通信協(xié)議、MODBUSRTU通信協(xié)議、PPI協(xié)議、MPI協(xié)議等。由于工業(yè)設(shè)備通信協(xié)議種類繁多，不同廠家設(shè)備具有不同通信標(biāo)準(zhǔn)，對系統(tǒng)開發(fā)人員就提出了很高的要求，需要完成軟件控制系統(tǒng)開發(fā)，這不僅需要掌握各種設(shè)備通信協(xié)議，而且當(dāng)硬件設(shè)備驅(qū)動改動時，軟件開發(fā)人員必須修改大量的驅(qū)動程序來連接設(shè)備，因此，控制系統(tǒng)開發(fā)難度大、通用性差、效率低。為此，需要研究一套高效、快速、穩(wěn)定的系統(tǒng)通信解決方案，硬件開發(fā)人員無需考慮程序的多種需求和傳輸協(xié)議，軟件開發(fā)人員也無需了解硬件的實質(zhì)和操作流程，這樣可有效提高系統(tǒng)升級的效率，優(yōu)化控制方案，方便系統(tǒng)維護。砂樁控制系統(tǒng)由不同通信協(xié)議的設(shè)備組成綜合控制系統(tǒng)，下面介紹砂樁控制系統(tǒng)優(yōu)化通信方案研究成果。

1 砂樁集成控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

砂樁控制系統(tǒng)硬件布置如圖1，1號、2號、3號打設(shè)管理計算機與PLC控制器組成砂樁控制系統(tǒng)，它們之間采用TCP/IP方式進行通訊，控制系統(tǒng)配置的可編程控制器（PLC）采用日本三菱公司生產(chǎn)的Q系列PLC，具有 MC通信協(xié)議（MELSEC）的以態(tài)網(wǎng)模塊QJ71E71，外部設(shè)備可以通過QJ71E71從PLC CPU讀取數(shù)據(jù)和程序或者將程序?qū)懭隤LC，QJ71E71還具有固定緩沖存儲器通訊（分有順序控制和無順序控制）和隨機訪問緩沖存儲器進行通訊[2]，同時PLC控制器具有串行通信端口。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Controlsystem constitution

在砂樁船控制系統(tǒng)中，GPS管理計算機負責(zé)對砂樁進行定位并輸出砂樁橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、實時潮位信息，集中管理計算機發(fā)送砂樁施工管理、設(shè)備參數(shù)等砂樁工藝數(shù)據(jù)。因此，程序開發(fā)過程中會涉及到不同的設(shè)備以及不同通信協(xié)議。

1.2 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

在整個砂樁控制系統(tǒng)中，GPS管理系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以TXT文件格式保存，PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)以存儲器方式保存，需要實時與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換，人機界面數(shù)據(jù)交互等。不同數(shù)據(jù)存儲方式，不同數(shù)據(jù)格式，開發(fā)的控制軟件需要確保與其它系統(tǒng)不產(chǎn)生沖突，高效運行。

2 控制系統(tǒng)通信策略

2.1 GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)與集中管理數(shù)據(jù)的處理

GPS系統(tǒng)提供的位置信息是保存在GPS系統(tǒng)的C：/shazhuang/Record.txt文件內(nèi)，集中管理計算機與打設(shè)管理計算機之間數(shù)據(jù)交換是通過Pile.txt、PlaceManger.txt、InitializeSetting.txt 等文件來實現(xiàn)，因此，如何提取相關(guān)信息進行數(shù)據(jù)交換，對控制系統(tǒng)的改善、優(yōu)化都是需要解決的問題。

圖2為潮位處理的模型圖。通信處理程序在取得潮位基本信息后，通過計算并同步更新潮位變量，“潮位變量”隨著Record.txt中的潮位信息變化而變化，并提供給系統(tǒng)中使用。同時程序需要檢測網(wǎng)絡(luò)硬件運行情況，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)需要在控制程序面板上通過指示燈顯示，紅燈亮起表明網(wǎng)絡(luò)故障。

圖2 潮位信息處理流程Fig.2 Tide level information process flow

對于外接端口多，需要與外設(shè)進行大量數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)高級語言進行編程，必將產(chǎn)生大量的代碼，耗時相當(dāng)長，開發(fā)效率低，于是需要尋找一種適合高級語言開發(fā)的“通信處理程序”。NILabVIEW圖形語言以框圖的形式編寫程序，其表現(xiàn)形式和功能類似于實際的儀器，它是一種帶有圖形控制結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式（Data Flow Mode），這種方式確保了只有獲得它的全部數(shù)據(jù)后才能被執(zhí)行。這種數(shù)據(jù)流程序中，程序執(zhí)行是由數(shù)據(jù)驅(qū)動的，同時具有功能強大的集成開發(fā)環(huán)境，完整地集成了與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊功能，具有內(nèi)置式程序庫，提供了大量的連接機制，通過DLLs、共享庫、OLE等途徑實現(xiàn)與外部程序代碼或軟件系統(tǒng)的連接[3]。

NILabVIEW還能創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行，特別適合在測試、控制、設(shè)計領(lǐng)域的運用，具有程序開發(fā)速度快，與外部設(shè)備通信能力強，人機交互界面友好等優(yōu)點。采用NI LabVIEW開發(fā)潮位數(shù)據(jù)處理程序，通過打開端口、讀取文件、格式轉(zhuǎn)換、關(guān)閉端口及簡單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就能取得潮位信息，與VC、VB、C#開發(fā)的程序需要產(chǎn)生大量代碼相比，程序更加簡單，開發(fā)效率更高。

2.2 PLC控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互

工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的各種智能設(shè)備，可編程控制器（PLC）是核心部件，且種類繁多，通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，如儀表多采用RS232或RS485傳輸標(biāo)準(zhǔn)，儀表與計算機之間的往來通訊都以ASCⅡ碼實現(xiàn)，傳感器采用Modbus總線通信協(xié)議等。不同通信協(xié)議的系統(tǒng)或者設(shè)備之間進行信息互換對于大型系統(tǒng)集成必須得以解決，因此，需要一種技術(shù)來處理不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備及通信協(xié)議間的數(shù)據(jù)通信。

OPC（OLE Process Control）技術(shù)是 OPC 基金會組織倡導(dǎo)的工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)具有開放性（Openness）、產(chǎn)業(yè)性（Productivity）和“即插即用”的互聯(lián)性（Connectivity），主要由OPC接口、OPC服務(wù)器、I/O驅(qū)動組成（見圖3）。因此，對于系統(tǒng)集成來說，工程師不需要更多地關(guān)心外設(shè)的情況，可更多關(guān)注系統(tǒng)集成本身。

圖3 數(shù)據(jù)通信模型Fig.3Data exchange pattern

在砂樁控制系統(tǒng)中，采用NIOPC Server與PLC控制系統(tǒng)進行通信，Lab編程軟件通過變量與OPC Server進行數(shù)據(jù)交換。圖4為PLC數(shù)據(jù)處理流程，“Lab變量表”中的變量與PLC的存儲器相對應(yīng)。

圖4 PLC數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 PLC data process flow

對于程序開發(fā)者來說，只需要關(guān)心“Lab變量表”中項目的物理意義及本身的工藝流程，對于I/O驅(qū)動不需要進行考慮，它由OPC Server來完成。如表中 “GLdata”對應(yīng)于PLC存儲器“D11014”，PLC系統(tǒng)通過自動掃描并更新存儲器“D11014”數(shù)據(jù)。由于使用了OPC技術(shù)，變量“GLdata”將按照一定的時間間隔進行更新。砂樁控制系統(tǒng)中與數(shù)據(jù)庫的通信采用同樣OPC技術(shù)。

3 工程運用情況

采用以上通信方案開發(fā)的砂樁控制軟件，已經(jīng)在港珠澳大橋海上橋隧轉(zhuǎn)換人工島中得以運用。圖5為程序界面，顯示相關(guān)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理程序通過對保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行操作，可以查詢打樁過程中有關(guān)參數(shù)的變化情況。

圖5 程序界面Fig.5 The program interface

砂樁控制程序已經(jīng)安裝在三航砂樁6號和三航砂樁7號船上的打設(shè)管理計算機上，打設(shè)砂樁長度超過240 000延m，用砂量超過30萬m3。使用過程中程序穩(wěn)定，運行可靠，達到了高效開發(fā)控制系統(tǒng)的目的。

4 結(jié)語

采用OPC技術(shù)及以上控制系統(tǒng)通信方案，解決工程現(xiàn)場TCP/IP協(xié)議、PLC控制器MC通信協(xié)議（MELSEC）、Access數(shù)據(jù)庫、TXT文本之間數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)了砂樁控制系統(tǒng)，實際項目中的運用驗證了這種通信方法的可靠性、穩(wěn)定性，同時提高了集成控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，縮短了集成系統(tǒng)開發(fā)時間，節(jié)約了系統(tǒng)開發(fā)成本，對控制系統(tǒng)集成和機電設(shè)備開發(fā)具有積極的參考價值。

[1] 楊明福.計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]．北京：經(jīng)濟科學(xué)出版社，2005.YANG Ming-fu.Computer networking technology[M].Beijing:Economic and Scientific Press,2005.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006.LIAOChang-chu.S7-300/400 PLC application[M].Beijing:China Machine Press,2006.

[3] 徐小東.LabVIEW 8.5常用功能與編程實例精講[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009.XU Xiao-dong.Essence says on LabVIEW 8.5 function and programmeexamples[M].Beijing:Publishing Houseof Electronics Industry,2009.