基于隔離耦合的風(fēng)洞群集中監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000)

大型風(fēng)洞設(shè)備設(shè)施作為國家重大戰(zhàn)略資源，是航空航天地面試驗的主力設(shè)備[1]。一方面，風(fēng)洞現(xiàn)場主PLC已包含所有需要集中監(jiān)測的洞體狀態(tài)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)洞運行參數(shù)等試驗運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；另一方面，從風(fēng)洞運行安全考慮，風(fēng)洞測控網(wǎng)與外部IP網(wǎng)絡(luò)沒有直接相連[2]。因此，不能直接通過風(fēng)洞主PLC的以太網(wǎng)接口獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。特別是隨著風(fēng)洞的集中建設(shè)，風(fēng)洞群開展的高頻度、多種類氣動試驗與水電氣真空等多種動力資源形成的交錯對應(yīng)關(guān)系,給試驗任務(wù)統(tǒng)一組織及動力資源集中保障增加了很大的難度。因此，迫切需要借助信息技術(shù)，打破各風(fēng)洞設(shè)備及動力設(shè)備的運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)壁壘，推動各風(fēng)洞設(shè)備實時運行狀態(tài)信息的集中采集、共享及綜合應(yīng)用。

為克服這一矛盾，在分析風(fēng)洞設(shè)備和動力設(shè)備不同的特點要求的基礎(chǔ)上，開展了異源風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場隔離控制技術(shù)研究，采用數(shù)據(jù)耦合、系統(tǒng)組態(tài)、OPC等技術(shù)，研制了基于隔離耦合的風(fēng)洞群集中監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了各風(fēng)洞設(shè)備及動力設(shè)備實時運行狀態(tài)的集中采集和統(tǒng)一監(jiān)測，滿足了工程應(yīng)用需求。

1 總體方案設(shè)計

氣動中心風(fēng)洞類型有低速、高速、超高速等10多種，為滿足氣動力、氣動熱、氣動物理等不同領(lǐng)域試驗需求，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及測控系統(tǒng)差異很大；同時風(fēng)洞試驗所需的動力資源不同，包括水、電、高壓空氣、中壓空氣、真空、氮氣、氫氣、氧氣等多種動力資源，動力設(shè)備大都采用本地SCADA系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

風(fēng)洞和動力設(shè)備的啟停等運行狀態(tài)、關(guān)鍵運行參數(shù)等已包含在本地測控系統(tǒng)中。但是，多重因素給風(fēng)洞和動力設(shè)備狀態(tài)信息集中采集帶來了較多困難。首先，由于各套設(shè)備的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、歸屬單位、承研單位及建設(shè)時間各不相同，所采用的測控設(shè)備、控制軟件等軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)各異；同時，考慮安全保密及設(shè)備運行可靠性需求，各風(fēng)洞和動力設(shè)備現(xiàn)場測控網(wǎng)均與辦公網(wǎng)相互隔離。因此，迫切需要開發(fā)異源數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場隔離控制技術(shù)，建立統(tǒng)一框架完成多源數(shù)據(jù)的采集傳輸，實現(xiàn)風(fēng)洞和動力設(shè)備實時運行狀態(tài)的集中采集和統(tǒng)一監(jiān)測。

針對風(fēng)洞和動力設(shè)備運行集中監(jiān)測需求，世界先進(jìn)空氣動力研究機(jī)構(gòu)開展了相應(yīng)工作。美國AEDC提出通過共享功能與服務(wù)提升核心能力的戰(zhàn)略目標(biāo)，將風(fēng)洞試驗所需所有電氣設(shè)備和與計算機(jī)相關(guān)的軟硬件統(tǒng)一進(jìn)行管理，減少軟硬件數(shù)量和種類，在資源有效性日益降低的情況下增強(qiáng)能力水平[3]；美國NASA蘭利中心NTF跨音速風(fēng)洞中專門建立了一個用于振動檢測和故障預(yù)警的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以保證三級噴液氮泵閥的正常旋轉(zhuǎn)運行[4]；中航工業(yè)空氣動力研究院針對某低速增壓風(fēng)洞風(fēng)扇段軸系研制了實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了風(fēng)洞風(fēng)扇段軸系溫度的實時監(jiān)測管理，有效提高了風(fēng)洞設(shè)備運行的安全性[5]。

但是，現(xiàn)有系統(tǒng)主要是針對單座風(fēng)洞或單臺設(shè)備的本地監(jiān)測，未見面向風(fēng)洞群集中監(jiān)測方案的公開報道；并且現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)均通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)直接接入風(fēng)洞測控網(wǎng)，可能帶來較大的技術(shù)風(fēng)險。而現(xiàn)有的工業(yè)領(lǐng)域Profibus DP/DP耦合器應(yīng)用主要局限于本地測控系統(tǒng)中現(xiàn)場總線層級的系統(tǒng)級聯(lián)或不同速率多主站間通信，無法滿足本文涉及技術(shù)領(lǐng)域跨層級可控數(shù)據(jù)傳輸和風(fēng)洞群集中監(jiān)測的應(yīng)用需求[6-9]。

為此，基于“耦合層—數(shù)據(jù)層—監(jiān)測層”統(tǒng)一框架，提出了一種“隔離耦合+統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問”的技術(shù)方案，具體設(shè)計如下。

為每座風(fēng)洞設(shè)置獨立的數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過Profibus網(wǎng)絡(luò)與風(fēng)洞主PLC(含動力設(shè)備主PLC，下同)通信，從主PLC中獲取試驗設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；同時，遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，從而獲取風(fēng)洞主PLC的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

該框架是Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)和TCP/IP網(wǎng)的一種融合架構(gòu)[7]：Profibus-DP參考模型遵循ISO/OSI國際標(biāo)準(zhǔn)模型，只定義了第1、2層和用戶接口，這種精簡的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖俸陀行В貏e適合PLC與現(xiàn)場分散的I/O設(shè)備之間的實時通信，Profibus DP/DP耦合器可以實現(xiàn)不同Profibus總線間的有效隔離；而TCP/IP協(xié)議成熟、開放、通用，作為辦公網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，被越來越多的企業(yè)釆用。

因此，綜合考慮實時監(jiān)測、安全運行、系統(tǒng)開放等方面的因素，風(fēng)洞群集中監(jiān)測平臺采用“耦合層—數(shù)據(jù)層—監(jiān)測層”三層架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞群集中監(jiān)測統(tǒng)一框架

其中，耦合層采用Profibus總線與風(fēng)洞和動力設(shè)備本地的SCADA系統(tǒng)通信，屏蔽異構(gòu)的風(fēng)洞和動力設(shè)備前端系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的協(xié)議封裝及數(shù)據(jù)耦合傳輸；數(shù)據(jù)層實現(xiàn)耦合層數(shù)據(jù)的獲取和協(xié)議轉(zhuǎn)換、量程轉(zhuǎn)換后測點值和告警信息等數(shù)據(jù)處理；監(jiān)測層將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層級匯總，顯示風(fēng)洞設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)各風(fēng)洞設(shè)備及動力設(shè)備實時運行狀態(tài)的集中監(jiān)測和人機(jī)界面的發(fā)布。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括如下設(shè)備。

① 風(fēng)洞主PLC：現(xiàn)場風(fēng)洞測控系統(tǒng)主PLC包含了集中監(jiān)測系統(tǒng)所需的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此以現(xiàn)場風(fēng)洞測控系統(tǒng)主PLC作為初始數(shù)據(jù)源，并通過PLC配備的Profibus通信模塊經(jīng)耦合器與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信。

② 數(shù)據(jù)服務(wù)器：采用臺式計算機(jī)，并配置Siemens公司的CP5611通信卡，實現(xiàn)與風(fēng)洞主PLC之間的Profibus通信，獲取PLC中的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，服務(wù)器配置有以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)交換機(jī)接入外部監(jiān)測層網(wǎng)絡(luò)，從而將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳出。

③ 耦合器：風(fēng)洞主PLC與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間并沒有直接連接，而是通過一個Profibus DP/DP耦合器進(jìn)行連接，從而將風(fēng)洞主PLC與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的Profibus總線分割為兩個相對獨立的網(wǎng)段，即Profibus總線1和Profibus總線2，實現(xiàn)風(fēng)洞主PLC和數(shù)據(jù)服務(wù)器的獨立配置。

Profibus DP/DP耦合器可用于連接兩個不同網(wǎng)絡(luò)通信速率的Profibus主站，以達(dá)到這兩個站之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信區(qū)最高可達(dá)到244字節(jié)輸入和輸出，兩個主站網(wǎng)絡(luò)之間電氣隔離，一個網(wǎng)段故障不影響另一個網(wǎng)段正常運行，采用雙路冗余供電[6]。

④ 統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器：采用機(jī)架式服務(wù)器或高性能臺式計算機(jī)，并配置以太網(wǎng)卡；提供狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理、存儲和統(tǒng)一發(fā)布。

⑤ 遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站：接入外部監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)均可作為遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站。工作站上只需安裝遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站客戶端人機(jī)界面軟件，即可遠(yuǎn)程集中監(jiān)測風(fēng)洞的開車運行狀態(tài)及關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件如下。

① PC站組態(tài)軟件：運行在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，實現(xiàn)PC站和Profibus DP/DP耦合器的組態(tài)，與風(fēng)洞主PLC通信，獲取PLC中的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

② OPC Server：配置OPC服務(wù)，作為IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源。

③ 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件：把一些主要的協(xié)議(OPC，SuiteLink)轉(zhuǎn)化成任何一種網(wǎng)絡(luò)組件要求的協(xié)議，也可以實現(xiàn)SuiteLink、OPC等協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，使用不同的數(shù)據(jù)存取協(xié)議來實現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)源之間的通信。

④ 統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問軟件：采用OPC方式與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示與數(shù)據(jù)存儲，同時為客戶終端和網(wǎng)絡(luò)用戶提供數(shù)據(jù)展示服務(wù)。

⑤ 人機(jī)界面軟件：編制單個風(fēng)洞運行狀態(tài)和風(fēng)洞群運行狀態(tài)集中監(jiān)測軟件，并安裝在遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站上，實現(xiàn)風(fēng)洞和動力設(shè)備運行狀態(tài)的集中監(jiān)測。

其中，PC站組態(tài)軟件、OPC Server、協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件可安裝在同一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)主要包括Profibus通信的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)服務(wù)器的實現(xiàn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問的實現(xiàn)和遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站的實現(xiàn)4個步驟。

N個風(fēng)洞采用上述4個步驟，將風(fēng)洞主PLC中的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨層級統(tǒng)一訪問和風(fēng)洞群運行狀態(tài)的集中監(jiān)測。

3.1 Profibus通信的實現(xiàn)

風(fēng)洞主PLC通過Profibus總線1傳輸?shù)今詈掀鳌，F(xiàn)場風(fēng)洞測控系統(tǒng)主PLC通過內(nèi)置和外加的通信模塊，提供Profibus通信接口，利用這個Profibus接口，風(fēng)洞主PLC作為主站，與耦合器通信；同時，需要在耦合器上定義一個公共數(shù)據(jù)區(qū)，并在PLC程序中增加向耦合器公共數(shù)據(jù)區(qū)寫指定數(shù)據(jù)的功能；耦合器作為從站，將需要監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)由風(fēng)洞主PLC寫入耦合器公共數(shù)據(jù)區(qū)。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)服務(wù)器通過Profibus總線2獲取耦合器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務(wù)器中安裝Profibus通信卡，為數(shù)據(jù)服務(wù)器提供了一個Profibus通信接口，并作為Profibus總線2主站使用。將耦合器作為從站，先要把耦合器的GSD文件加載到對應(yīng)主站的組態(tài)工具里，隨后在網(wǎng)絡(luò)中添加耦合器模塊后就可以對耦合器進(jìn)行組態(tài)，并設(shè)置耦合器的Profibus從地址及交換數(shù)據(jù)長度等通信參數(shù)。

其中，耦合器的Profibus從地址還須通過耦合器模塊頂部的2個DIP開關(guān)來進(jìn)行硬件設(shè)定，可設(shè)定的Profibus地址范圍是1～125，而且硬件設(shè)定的地址要和組態(tài)工具設(shè)定的地址一致。

3.3 統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問的實現(xiàn)

① 通過OPC服務(wù)發(fā)布數(shù)據(jù)。在PC站中配置Profibus通信接口模塊和OPC服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)配置下載到PC站中，將接口配置文件復(fù)制到PC站組態(tài)軟件安裝目錄下的“opc2inDP”中，發(fā)布從耦合器中讀取的數(shù)據(jù)。

② 協(xié)議轉(zhuǎn)換器軟件，實現(xiàn)與不同協(xié)議客戶端之間的通信，作為數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器，分別通過SuiteLink、OPC等多種通信協(xié)議為本地或遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站提供數(shù)據(jù)。

③ 統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務(wù)軟件，與各風(fēng)洞數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行通信，讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測和報警等數(shù)據(jù)的量程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)匯總和累計等統(tǒng)一處理，同時為遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站和網(wǎng)絡(luò)用戶提供數(shù)據(jù)展示服務(wù)。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站的實現(xiàn)

(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)測工作站訪問數(shù)據(jù)。

① 通過OPC方式讀取試驗狀態(tài)數(shù)據(jù)。

可調(diào)用OPC Server專用函數(shù)：

DS_Open(const char *URL,DSEnum_AccessModes accessMode,DSCallbackPtr eventFunction,void *callbackData,DSHandle *DSHandle)

② 通過SuiteLink協(xié)議訪問數(shù)據(jù)。

SuiteLink是專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計且基于TCP/IP的協(xié)議。SuiteLink可提供數(shù)據(jù)完整性保證、高吞吐量并發(fā)以及一些簡單的診斷過程。

(2) 建立人機(jī)界面，研制風(fēng)洞運行狀態(tài)集中監(jiān)測系統(tǒng)。

構(gòu)建運行狀態(tài)集中監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、界面監(jiān)視、報警管理、趨勢分析、信息發(fā)布、報表生成等模塊，通過數(shù)字化表盤、指針等圖形化方式，模擬和再現(xiàn)試驗過程，顯示單個風(fēng)洞運行狀態(tài)和風(fēng)洞群整體運行態(tài)勢。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)建成并投入使用以來，運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了對氣動中心風(fēng)洞群和動力設(shè)備的集中監(jiān)測和統(tǒng)一管理，打破了各風(fēng)洞及動力設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)壁壘，推動了風(fēng)洞和動力設(shè)備狀態(tài)信息的共享及綜合應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。系統(tǒng)實際運行界面如圖2、圖3所示。

其中，圖2為對某風(fēng)洞關(guān)鍵部段和主要運行參數(shù)的監(jiān)測，圖3為對風(fēng)洞群總體運行態(tài)勢的集中監(jiān)測。

圖2 單個風(fēng)洞運行狀態(tài)監(jiān)測示意圖

圖3 風(fēng)洞群運行態(tài)勢集中監(jiān)測示意圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于隔離耦合的風(fēng)洞群集中監(jiān)測思路。一方面，通過電氣屏蔽和公共數(shù)據(jù)區(qū)的只讀設(shè)置保證數(shù)據(jù)通信的保密性和安全性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸和有效隔離；另一方面，利用OPC Server協(xié)議轉(zhuǎn)換的靈活、開放、可靠、安全的軟件架構(gòu)，提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨層級統(tǒng)一訪問和風(fēng)洞群運行狀態(tài)的集中監(jiān)測。采用本方案，既能滿足對關(guān)鍵運行狀態(tài)集中監(jiān)測的需求，又保證了風(fēng)洞設(shè)備設(shè)施本身的運行安全，期望對國內(nèi)大型風(fēng)洞設(shè)備群、復(fù)雜水電氣真空動力系統(tǒng)集中監(jiān)測應(yīng)用起到一定借鑒作用。