基于WinCC組態(tài)的實驗室氣候試驗綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李冬梅，吳相甫，李燕杰2，尚 文

(1.航空工業(yè)飛機強度研究所，陜西 西安 710065； 2.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111)

飛機氣候?qū)嶒炇覍儆诖笮腿斯夂颦h(huán)境模擬系統(tǒng)，可實現(xiàn)對高溫、低溫、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、太陽輻射、降霧和吹風等典型或極端氣候的模擬，滿足新研或設(shè)計改型飛機氣候環(huán)境試驗驗證需求[1]。實驗室控制管理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過協(xié)調(diào)控制氣候環(huán)境實驗室各個工藝系統(tǒng)的運行，來完成實驗室氣候環(huán)境下飛機的各單項環(huán)境模擬試驗或復合環(huán)境模擬試驗，實現(xiàn)對試驗任務(wù)配置、試驗過程監(jiān)控，試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析以及試驗資源的管理等[2]。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為其中一個重要功能系統(tǒng)，需要完成對氣候環(huán)境試驗全過程各個階段的協(xié)調(diào)指揮以及對各環(huán)境模擬工藝系統(tǒng)/設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，形成氣候試驗過程的閉環(huán)控制。

當前應(yīng)用于人工環(huán)境模擬領(lǐng)域(環(huán)境箱或環(huán)境實驗室)的自動化測控系統(tǒng)多是基于專用控制器或通用PLC的集散式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)以PLC為核心，以各種現(xiàn)場測量儀器(傳感器、變送器)及執(zhí)行結(jié)構(gòu)為外圍，通過標準的DI/DO、AI/AO信號電纜接入相應(yīng)信號接口模塊，過程數(shù)據(jù)通過RS485 Modbus串行鏈路連接到相應(yīng)通信接口輪詢讀寫，然后監(jiān)控主機再從控制器/PLC中讀取這些數(shù)據(jù)進行集中顯示[3]。但是，這種測控系統(tǒng)常用于小型控制系統(tǒng)，僅對控制參數(shù)少、模擬環(huán)境相對簡單的實驗室比較適用。

氣候環(huán)境實驗室需在同一個環(huán)境室內(nèi)模擬11種不同的典型氣候環(huán)境，控制參數(shù)有溫度、濕度、壓力、流量、風速、液態(tài)水含量等10多個。每種典型環(huán)境都是由10余套甚至20套工藝系統(tǒng)配合工作而完成。這些工藝系統(tǒng)組成繁雜、布置分散，相互之間距離遠，控制算法各不相同，不同的試驗工況對應(yīng)的工藝系統(tǒng)運行排列組合也不相同，難以進行集成控制。如何實現(xiàn)試驗過程中各種環(huán)境工況快速便捷切換，保持試驗過程的連續(xù)性和完整性，是氣候?qū)嶒炇以囼灡O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要點。保證設(shè)備有序、協(xié)調(diào)一致工作的有效方法是對異構(gòu)的軟件、硬件資源，應(yīng)用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測控總線技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和數(shù)據(jù)共享與管理技術(shù)構(gòu)建通信支持平臺并對其組建綜合試驗開放分布式協(xié)同控制管理系統(tǒng)[4]。因此，筆者沒有采用環(huán)境模擬領(lǐng)域常用的基于專用控制器或通用PLC的集散式結(jié)構(gòu)，而是應(yīng)用基于WinCC的組態(tài)控制監(jiān)控平臺，結(jié)合雙網(wǎng)加環(huán)網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]，本著簡單易操作、運行安全可靠的原則設(shè)計了飛機氣候?qū)嶒炇曳植际骄C合試驗監(jiān)控系統(tǒng)。本文從試驗監(jiān)控任務(wù)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)測試3個方面進行分析論述。

1 需求分析

需求分析是項目開發(fā)的一個關(guān)鍵過程。需要在這一階段確定系統(tǒng)設(shè)計的目的、范圍、定義和功能，只有需求明確后才能夠分析和有的放矢地尋求解決方案。

1.1 試驗監(jiān)控任務(wù)

氣候環(huán)境試驗是在環(huán)境模擬系統(tǒng)生成的各類氣候條件下對試驗件實施的一系列試驗。如圖1所示，試驗包括3個基本要素：試驗件、人工模擬的氣候環(huán)境條件和模擬氣候環(huán)境條件的工藝設(shè)備。相應(yīng)的，氣候環(huán)境試驗也包括3項監(jiān)控任務(wù)：試驗件過程監(jiān)控、氣候環(huán)境模擬過程監(jiān)控和工藝設(shè)備運行監(jiān)控。

① 試驗件過程監(jiān)控任務(wù)包括：獲取試驗全過程中試驗件的響應(yīng)參數(shù)、環(huán)境室環(huán)境參數(shù)和現(xiàn)場視頻監(jiān)控等試驗信息，對試驗程序進行協(xié)調(diào)指揮；

② 氣候環(huán)境模擬過程監(jiān)控任務(wù)為：實時監(jiān)測并接收環(huán)境室內(nèi)各項環(huán)境指標，同時進行決策判斷，向各工藝系統(tǒng)發(fā)出調(diào)度指令；

③ 設(shè)備運行監(jiān)控任務(wù)包括：設(shè)置控制參數(shù)、監(jiān)測各個工藝系統(tǒng)/設(shè)備運行狀態(tài)、接收設(shè)備故障報警信息并發(fā)出處置命令等。

要求試驗件狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)均能夠以表格、曲線、數(shù)值、圖形化/虛擬化的形式呈現(xiàn)。

圖1 飛機氣候?qū)嶒炇噎h(huán)境模擬試驗運行邏輯示意圖

1.2 設(shè)計原則[6-8]

1.2.1 可靠性設(shè)計

在自動化控制系統(tǒng)工程中，控制系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)的生命線。為確保整個系統(tǒng)的可靠性，保證系統(tǒng)中各個部分能夠正常工作、信息通道暢通，在進行系統(tǒng)方案設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到各種可靠性措施。

① 系統(tǒng)整體設(shè)計采用分散式體系結(jié)構(gòu)，將各種控制設(shè)備的監(jiān)控任務(wù)按照一定原則分別由若干個子系統(tǒng)來承擔，使控制風險分散，這樣即使局部出現(xiàn)問題也不會影響整個系統(tǒng)的工作。

② 在設(shè)備選型時充分考慮到系統(tǒng)的可靠性，所采用的產(chǎn)品可以在較惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定可靠地運行。

③ 所有控制設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有隔離、故障自診斷和帶電插拔等功能。

④ 監(jiān)控功能冗余措施：按可靠性理論計算，如果冗余配置的每一單元(光纖、服務(wù)器、操作員站皆可)的失效率為λ，可修復率為ц，則雙冗余配置系統(tǒng)的有效度A=(цλ+ц2 )/(ц2+λц+λ2)。計算可知，雙冗余可將可靠度提高一個數(shù)量級(例如：從99%提高到99.9%)。因此雙冗余措施是綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)最重要的可靠性設(shè)計。

⑤ 抗干擾措施：信號所受的各種干擾，特別是電磁干擾，是破壞集成計算機系統(tǒng)可靠運行的主要因素之一。為此需在信號處理過程中采取抗干擾措施。例如：設(shè)備之間較長距離連接線(>100 m)應(yīng)采用光纖連接、信號線嚴格與動力線分開等。

1.2.2 可擴展性設(shè)計

氣候?qū)嶒炇业慕ㄔO(shè)原則是“一次設(shè)計、分批施工”。考慮到自動化工程建設(shè)的特殊性，在軟件體系架構(gòu)、系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)編程上的設(shè)計可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支持所有節(jié)點和I/O點的靈活接入。硬件、軟件、通信、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等遵循相關(guān)標準或國際協(xié)議，使系統(tǒng)具有通用性。

1.2.3 易用性設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)的易用性主要體現(xiàn)在軟件上。用戶界面的易用性是整個系統(tǒng)實施中最重要的也是最基本的目標，在試驗監(jiān)控軟件開發(fā)中應(yīng)重點注意以下內(nèi)容：使用的簡單性，用戶界面中所用術(shù)語的標準化和一致性，用戶界面有較快的響應(yīng)速度，充分滿足用戶操作需求，系統(tǒng)軟件具有錯誤診斷、修正錯誤以及出錯保護的功能。

2 試驗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

通過上述對實驗室氣候試驗過程監(jiān)控任務(wù)和設(shè)計原則兩個方面的分析，提出了下述系統(tǒng)設(shè)計方案。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

在現(xiàn)代測控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)非常普及，網(wǎng)絡(luò)化使得電子測控技術(shù)使用起來更加方便快捷[9]。而利用總線技術(shù)可以在很大程度上簡化測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的可靠性、開放性、兼容性及可維護性[10]。總線式結(jié)構(gòu)模塊性好、容錯能力強、擴展性好。較好的容錯性滿足高可靠性要求，可擴展性使系統(tǒng)可以在總線上靈活地增加和刪除智能節(jié)點，適應(yīng)后期試驗擴展需求[11]。故氣候?qū)嶒炇以囼灡O(jiān)控系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和Profibus總線協(xié)議進行設(shè)計。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[12]

實驗室網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)包括作為接入層的各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和作為核心層的中央管理層網(wǎng)絡(luò)兩層，如圖2所示。中央管理層網(wǎng)絡(luò)采用雙冗余星形千兆以太網(wǎng)，可實現(xiàn)各系統(tǒng)之間大量數(shù)據(jù)的交互。中央管理層網(wǎng)絡(luò)選用兩臺48口交換機作為核心交換機，兩臺交換機之間通過兩根網(wǎng)線連接進行鏈路聚合。連接到中央管理層網(wǎng)絡(luò)的各工作站和服務(wù)器均配置雙Intel網(wǎng)卡(服務(wù)器級)，雙網(wǎng)卡可通過Intel ANS分組軟件進行分組，該機制可實現(xiàn)網(wǎng)卡適配器容錯、交換機容錯和負載平衡等功能，即工作站和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同時經(jīng)過兩個交換機進行數(shù)據(jù)交換，當一臺交換機或工作站上的單個網(wǎng)卡失效時，系統(tǒng)自動切換傳輸路徑。接入層的各子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的情況采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)或星形網(wǎng)絡(luò)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

交換機配置如下：

① 特殊環(huán)模接入網(wǎng)絡(luò)交換機：采用工業(yè)以太網(wǎng)機架式網(wǎng)管型交換機，端口模塊化，14個10/100/1000 Mbit/s RJ45端口，10個100/1000 Mbit/s光纖接口，冗余電源輸入，Profinet I/O設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)管理，可組成冗余環(huán)。

② 中央管理層網(wǎng)絡(luò)包括兩臺核心交換機：具備48個10/100/1000Base-T以太網(wǎng)端口，4個復用的千兆SFPCombo；包轉(zhuǎn)發(fā)率：108 Mpps；交換容量：256 Gbit/s。

2.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實驗室氣候試驗控制包括試驗過程控制和各環(huán)模子系統(tǒng)控制兩級，每個環(huán)模子系統(tǒng)均設(shè)有相對獨立的PLC和工作站，由試驗監(jiān)控上位機軟件集中管理。試驗監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為中央管理層、現(xiàn)場控制層、現(xiàn)場設(shè)備層三級，如圖3所示。試驗監(jiān)控工作站與各環(huán)模子系統(tǒng)之間通過環(huán)形Profinet工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，支持OPC通信機制，物理傳輸介質(zhì)采用雙絞線光纖，采取訪問控制安全隔離措施，原則上不與外系統(tǒng)直接交互關(guān)聯(lián)，以提高數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和可靠性。各個環(huán)模系統(tǒng)PLC控制器及遠程I/O模塊之間采用Profibus-DP總線連接，遠程I/O模塊和現(xiàn)場設(shè)備(傳感器/執(zhí)行器)之間采用一對一的電纜連接[4，13]。

測控間設(shè)置兩臺工作站作為試驗監(jiān)控主機，分別為工程師工作站和操作員工作站，它們擁有相同的過程數(shù)據(jù)庫，同時從PLC控制器獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，互為熱備份。兩臺工作站既作為C/S結(jié)構(gòu)中的SCADA服務(wù)器也作為客戶端。SCADA服務(wù)器的過程數(shù)據(jù)庫直接獲取底層I/O的標簽數(shù)據(jù)，送給客戶端的畫面進行顯示。

圖3 試驗監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場智能控制器直接與區(qū)域或有緊密閉環(huán)關(guān)聯(lián)的傳感器、調(diào)控器、監(jiān)控器等儀表連接。這種結(jié)構(gòu)充分滿足自動控制系統(tǒng)集中管理多級分布控制的設(shè)計要求，也滿足系統(tǒng)設(shè)計可擴展性、靈活結(jié)構(gòu)調(diào)整及模塊化開發(fā)應(yīng)用的設(shè)計要求，同時對提高系統(tǒng)可靠性、可維護性給予很好的支持和滿足，能夠?qū)崿F(xiàn)本地控制和遠程控制的相互切換，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，各工作站仍能實現(xiàn)本地控制，不影響試驗進行。

2.2 軟件設(shè)計

試驗監(jiān)控軟件是基于工業(yè)自動化組態(tài)軟件WinCC V7.3 65536開發(fā)的過程控制軟件，支持Windows XP/7/8/10操作系統(tǒng)和SQLServer 2008R2數(shù)據(jù)庫。該軟件從各環(huán)模分系統(tǒng)的控制器獲得底層設(shè)備I/O數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)獲取環(huán)境室狀態(tài)信息參數(shù)，進行集中展示，操作人員通過軟件界面直接向各環(huán)模系統(tǒng)PLC控制器發(fā)送設(shè)置參數(shù)和指令，控制試驗進程[14]。圖4給出了試驗監(jiān)控軟件內(nèi)容。

(1) 試驗過程監(jiān)控：包括試驗件過程監(jiān)控和氣候環(huán)境模擬過程監(jiān)控兩個方面。重點面向各試驗項目進行過程，完成各個單項試驗和復合試驗的參數(shù)配置與數(shù)據(jù)存儲，向各環(huán)模系統(tǒng)發(fā)送試驗指令。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取并上傳試驗件實時響應(yīng)參數(shù)和溫度、濕度、壓力、風速、太陽輻照強度等環(huán)境參數(shù)，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得試驗現(xiàn)場狀態(tài)，為操作員提供完整的試驗項過程信息，完成試驗過程的閉環(huán)控制。

圖4 試驗監(jiān)控軟件框圖

(2) 工藝設(shè)備集成監(jiān)控：主要為操作員提供集中的面向?qū)嶒炇宜协h(huán)模系統(tǒng)的人機界面，能夠?qū)崟r監(jiān)測參與試驗的各個工藝系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的運行狀態(tài)。并通過協(xié)調(diào)各個環(huán)境模擬系統(tǒng)的運行，協(xié)助完成各工藝設(shè)備的閉環(huán)監(jiān)控。

2.2.1 試驗過程監(jiān)控軟件

試驗過程監(jiān)控軟件包括試驗任務(wù)配置、環(huán)境室狀態(tài)參數(shù)監(jiān)視、試驗件狀態(tài)監(jiān)控、參與系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控(試驗控制)和操作記錄查詢4個功能模塊，對于試驗監(jiān)控軟件的畫面組態(tài)配置，在WinCC工程師站的配置環(huán)境中完成，主要包括：畫面組態(tài)、I/O組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、回路組態(tài)、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理(存儲、查詢)等。其畫面設(shè)計按照功能組成劃分為：試驗流程、系統(tǒng)監(jiān)控、報警一覽、趨勢曲線、記錄查詢、幫助信息等，如圖5所示。完成氣候環(huán)境試驗的控制，包括設(shè)置實驗參數(shù)(控制期望值、PID參數(shù)、傳感器參數(shù)、報警值等)、下發(fā)控制指令，并通過交互式的圖形化界面，顯示環(huán)境參數(shù)、設(shè)備故障報警信息。

圖5 試驗過程監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

2.2.2 工藝設(shè)備集成監(jiān)控軟件

工藝設(shè)備集成監(jiān)控軟件可以對各獨立運行的環(huán)境模擬系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)管。平臺軟件通過SCADA Server發(fā)布各系統(tǒng)的監(jiān)控信息，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)庫。在實驗室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點計算機都可根據(jù)其密級登錄試驗監(jiān)控軟件，按照密級規(guī)定的權(quán)限獲得相應(yīng)的監(jiān)控信息。通過工藝設(shè)備集成監(jiān)控軟件將各個環(huán)境模擬子系統(tǒng)的信息集成處理，實現(xiàn)環(huán)境模擬數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，通過信息的綜合利用，增強環(huán)境模擬的管理效率。

工藝設(shè)備集成監(jiān)控模塊每個子系統(tǒng)主要包括工藝流程、系統(tǒng)監(jiān)控、報警一覽、趨勢曲線、記錄查詢、幫助信息、注銷等功能模塊，對于工藝設(shè)備監(jiān)控軟件的畫面組態(tài)配置，在WinCC工程師站的配置環(huán)境中完成，主要包括：畫面組態(tài)、I/O組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、回路組態(tài)、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理(存儲、查詢)等[15]。

其中，工藝流程功能模塊部分以標準的工藝流程圖方式顯示環(huán)境實驗室的總體工藝管網(wǎng)布局，包括工藝管線的連接、工藝設(shè)備的工作狀態(tài)、運行參數(shù)、傳感器測量數(shù)據(jù)監(jiān)測。工藝流程各個流程窗體中能夠顯示生產(chǎn)工藝信息，如變量值、設(shè)定值、輸出值、控制方式(MAN/AUTO/CASC)和高低報警(無報警時不出現(xiàn))等。

3 系統(tǒng)調(diào)試

飛機氣候?qū)嶒炇疑婕暗脑囼灩r多達10余種，本文僅以濕熱試驗調(diào)試為例，對系統(tǒng)應(yīng)用過程進行說明。

依據(jù)預先設(shè)定的濕熱試驗控制流程(見圖6)，在試驗監(jiān)控系統(tǒng)上位機進行試驗任務(wù)配置(見圖7)，將配置好的試驗任務(wù)，包括試驗指令和試驗目標值通過監(jiān)控軟件下發(fā)到各個工藝系統(tǒng)/設(shè)備。試驗開始后，各個工藝系統(tǒng)/設(shè)備按照預設(shè)指令協(xié)同運行，在監(jiān)控系統(tǒng)上位機實現(xiàn)對實驗室溫度、濕度、壓力等環(huán)境參數(shù)和工藝系統(tǒng)主要狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)控(見圖8、圖9)以及趨勢曲線的跟蹤顯示(見圖10)。另外，監(jiān)控軟件可監(jiān)視影響環(huán)境參數(shù)控制的關(guān)鍵變量，當出現(xiàn)超限報警或異常開關(guān)量時，會提示操作人員對相關(guān)子系統(tǒng)進行異常情況處理，以保證實驗室環(huán)境參數(shù)滿足試驗需求。

圖6 濕熱試驗流程

圖7 任務(wù)配置

圖8 試驗流程監(jiān)控界面

圖9 基礎(chǔ)環(huán)模系統(tǒng)工藝流程圖界面

圖10 環(huán)境場實時趨勢曲線

4 結(jié)束語

氣候?qū)嶒炇以囼灡O(jiān)控系統(tǒng)作為氣候試驗的綜合化總控中心，利用工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件搭建自動化試驗平臺，提供了與運行操作有關(guān)的人機界面接口。綜合考慮實驗室氣候試驗流程、氣候試驗實施過程以及工藝系統(tǒng)組成和部署位置，按照“集中管理、分散控制”的原則進行設(shè)計，可完成試驗準備、試驗執(zhí)行和試驗監(jiān)視等任務(wù)，實現(xiàn)對氣候試驗的過程管理與協(xié)調(diào)控制，具有較高的實時性、可靠性和可擴展性，簡單易操作。