試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

肖 歐

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

1 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)分析

隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械研究的不斷深入，機(jī)型不斷擴(kuò)充，試驗(yàn)量逐年增加，傳統(tǒng)的試驗(yàn)信息記錄方式已無法滿足現(xiàn)有需求，同時(shí)，大量的試驗(yàn)信息也無法得到有效管理、利用和深度挖掘，因此，需要建立相應(yīng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，但由于記錄的試驗(yàn)信息范圍相對(duì)較廣，且來自不同采集設(shè)備，同時(shí)，以往尚無相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到一定的難度，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）如何保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完整性：轉(zhuǎn)子信息、裝配信息、監(jiān)測(cè)信息都需采集、記錄和保存以供后期查詢和統(tǒng)計(jì)分析，所以，這些采集的信息非常重要，如何保證采集的數(shù)據(jù)不會(huì)因服務(wù)器的突發(fā)故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失成為一個(gè)難點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)：由于存儲(chǔ)信息采集設(shè)備開發(fā)商不同、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同會(huì)引起軟件之間數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題，如何對(duì)軟件數(shù)據(jù)通信進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)使軟件程序能夠在用戶使用時(shí)迅速做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)不同類型軟件之間的交互和共享成為一大難點(diǎn)。

（3）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)如何顯示和查詢：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需通過手動(dòng)輸入至數(shù)據(jù)庫軟件中，查詢時(shí)需通過輸入相應(yīng)查詢命令獲得數(shù)據(jù)并顯示，這種方式不便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和顯示，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)并能夠直接顯示及按一定條件進(jìn)行查詢成為一大難點(diǎn)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械機(jī)電一體化數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用“工控機(jī)+PLC+SQL”的組合方式，并采用了雙冗余控制方案，如圖1所示。工控機(jī)作為上位機(jī)，應(yīng)用軟件程序開發(fā)、SQL數(shù)據(jù)庫和總線通信技術(shù)、基于以太網(wǎng)的OPC通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全參數(shù)、多信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；在正常情況下，兩臺(tái)服務(wù)器一臺(tái)設(shè)置為主服務(wù)器，一臺(tái)為從服務(wù)器，兩臺(tái)服務(wù)器始終保持并聯(lián)運(yùn)行，如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，第二臺(tái)服務(wù)器會(huì)接替控制整個(gè)系統(tǒng)，并且完成所有的信息存檔和過程數(shù)據(jù)存檔，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械機(jī)電試驗(yàn)一體化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)軟硬件選型及簡介

基于現(xiàn)有試驗(yàn)條件、可靠性、可擴(kuò)展性、安全性，整個(gè)管理系統(tǒng)在硬件設(shè)備選型上采用全套的西門子PLC產(chǎn)品。其中，軟件采用西門子帶冗余選件包的Wincc進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，提供與系統(tǒng)操作人員交互的接口，數(shù)據(jù)庫采用Wincc自帶的SQL Server 2005版本，控制及采集裝置采用西門子S7-300系列PLC[1]。

Wincc是西門子公司與微軟共同開發(fā)的系統(tǒng)，它真實(shí)地將控制軟件集成到自動(dòng)化過程中，可以很方便地生成人機(jī)界面。S7-300是模塊化的中小型PLC，適合用于中等控制性能的控制要求，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜時(shí)，可以增加模塊，對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展[2]。

3 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照存儲(chǔ)內(nèi)容和試驗(yàn)流程要求，試驗(yàn)人員需將轉(zhuǎn)子基本信息以及裝配信息手動(dòng)輸入至Wincc相應(yīng)界面中，并編輯VB腳本將信息存儲(chǔ)至SQL數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表中；利用PLC采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中振動(dòng)、變形、真空、電源等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并使這些數(shù)據(jù)在Wincc人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)利用相應(yīng)控件顯示其變化趨勢(shì)并歸檔與SQL數(shù)據(jù)庫中。

結(jié)合功能需求及考慮軟件的可維護(hù)性、擴(kuò)展性，將程序劃分為轉(zhuǎn)子信息記錄模塊、轉(zhuǎn)子信息查詢模塊、裝配信息記錄模塊、裝配信息查詢模塊、監(jiān)測(cè)人機(jī)交互界面模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)模塊等6個(gè)功能模塊，多個(gè)功能模塊獨(dú)立開發(fā)，便于后期調(diào)試、程序改進(jìn)、功能增加等，軟件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能模塊劃分

3.2 自定義數(shù)據(jù)庫建立

在西門子組態(tài)軟件Wincc V7.0系統(tǒng)中已經(jīng)集成了SQL Server2005.Wincc可以利用系統(tǒng)具有的歸檔功能，將數(shù)據(jù)歸檔到Wincc默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫中。但在Wincc默認(rèn)的數(shù)據(jù)庫中，具有數(shù)據(jù)庫文件格式是Wincc自定義等方面的局限性，因此，需在SQL Server中自定義一個(gè)數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，這樣不僅能夠擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫容量使數(shù)據(jù)保存得更加長久，也使后來復(fù)雜的綜合查詢問題變得簡單。

3.3 數(shù)據(jù)通信方式設(shè)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要反復(fù)存儲(chǔ)、讀取大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息通過PLC采集通過OPC與Wincc通信，同時(shí)Wincc通過ODBC數(shù)據(jù)源控件將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絊QL數(shù)據(jù)庫中。由于所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來自不同采集設(shè)備開發(fā)商，其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均不相同，為了使軟件程序能夠在用戶使用時(shí)迅速做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)不同類型軟件之間的交互和共享，對(duì)不同采集設(shè)備進(jìn)行了單獨(dú)通信接口設(shè)計(jì)。

3.3.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)通信方式設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速信號(hào)采用理化院自研的集成監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行采集，其數(shù)據(jù)和命令是通過CAN總線與服務(wù)器（研華工控機(jī)安裝華控CAN通信卡）相連。服務(wù)器中裝有編寫的OPC Server For CAN30B程序，其基本功能是通過華控HKCAN3.0B CAN通信卡與裝置通信，提取數(shù)據(jù)，發(fā)布測(cè)量命令。然后是具備OPCServer功能，與本系統(tǒng)中作為OPC Client的組態(tài)軟件工程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而完成裝置與PLC的信息交換。

3.3.2 監(jiān)測(cè)信號(hào)通信方式設(shè)計(jì)

機(jī)電試驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行監(jiān)測(cè)信號(hào)通過自編的LabVIEW程序以及NI高速采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用基于以太網(wǎng)的OPC通信技術(shù)使用NI OPC SEVRER作為OPC服務(wù)器，連接S7-300 PLC，組建工控機(jī)與PLC的通信。

3.3.3 電源參數(shù)通訊方式設(shè)計(jì)

電源參數(shù)是通過WT230功率計(jì)進(jìn)行參數(shù)采集，其WT230功率計(jì)與Wincc通信是利用以太網(wǎng)通信方式和OPC通信技術(shù)。通過串口通信線將WT230功率計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，自編的OPC通信程序?qū)T230功率計(jì)作為OPC Server，將組態(tài)軟件工程作為OPCClient進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信。

3.3.4 Wincc與SQL數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何將Wincc界面中轉(zhuǎn)子信息、裝配信息、監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，并可在數(shù)據(jù)庫中查詢顯示與Wincc查詢界面呢成為關(guān)鍵。該數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過使用Miscrosoft ADO Data Control，version 6.0（OLEDB）控件，實(shí)現(xiàn)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)與SQL Server數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 系統(tǒng)各功能模塊界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各功能模塊界面設(shè)計(jì)主要包括：登錄界面設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子信息記錄界面設(shè)計(jì)、裝配信息記錄界面設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)，以登錄界面設(shè)計(jì)為例，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登錄界面

4 實(shí)施效果

對(duì)研制的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在試驗(yàn)室進(jìn)行各項(xiàng)功能測(cè)試，首先是結(jié)合監(jiān)控界面對(duì)轉(zhuǎn)子信息、裝配信息和監(jiān)測(cè)信息的采集功能進(jìn)行測(cè)試，逐個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量顯示，并與在用SKF、NI信號(hào)采集儀器顯示相印證。

所有的監(jiān)測(cè)參數(shù)均可實(shí)時(shí)顯示，并通過歷史查詢界面可以準(zhǔn)確地查詢到所需參數(shù)設(shè)定時(shí)間內(nèi)的數(shù)值。系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)、查詢和顯示功能均正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

為防止人員出現(xiàn)誤操作，系統(tǒng)嚴(yán)格限制使用人員對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)操作權(quán)限，無權(quán)限者不能進(jìn)入該系統(tǒng)進(jìn)行操作。具體為設(shè)置了系統(tǒng)登錄界面，如果沒有相應(yīng)的密碼，操作人員無法進(jìn)入該系統(tǒng)，無法將界面最小化和關(guān)閉監(jiān)控界面。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試則是讓系統(tǒng)在正常狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行10小時(shí)并在期間不定期進(jìn)行各種操作，觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況。測(cè)試結(jié)果表明，在系統(tǒng)長時(shí)間都能穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)功能均正常使用。

經(jīng)測(cè)試，研制的監(jiān)控系統(tǒng)功能滿足設(shè)計(jì)要求：

（1）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息、裝機(jī)信息、測(cè)試信息等多種數(shù)據(jù)的詳細(xì)無紙化記錄功能。

（2）通過建立數(shù)據(jù)文件和日志文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫修改記錄，自動(dòng)管理事物處理的記錄，以便出現(xiàn)異常故障可有效恢復(fù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、以及高效查詢等功能，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份和還原操作，隨著數(shù)據(jù)庫不斷完善還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)分析等功能。

（4）數(shù)據(jù)庫的建立可為轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、故障分析提供詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且隨著系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的不斷積累和完備，可以發(fā)揮正向的指導(dǎo)和促進(jìn)設(shè)計(jì)作用。

（5）通過大量歷史數(shù)據(jù)的積累，可以為查詢故障原因和機(jī)理，輔助進(jìn)行故障原因分析。

5 結(jié)語

本文綜合利用plc技術(shù)、Wincc軟件、SQL Server數(shù)據(jù)庫、編程語言C#、VBS以通信模塊等軟硬件技術(shù)，通過“工控機(jī)+PLC+SQL”的組合方式，以及雙冗余控制設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化測(cè)試系統(tǒng)、結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAN和以太網(wǎng)通信技術(shù)、OPC通信技術(shù)，構(gòu)建了集采集、顯示、存儲(chǔ)、查詢等功能為一體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)架構(gòu)較為靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，避開了自帶歸檔記錄，通過自建SQL數(shù)據(jù)庫、封裝腳本形成標(biāo)準(zhǔn)接口，可提供或接受第三方數(shù)據(jù)，為后期通過其他軟件做數(shù)據(jù)分析計(jì)算提供了基礎(chǔ)，同時(shí)，具備安全性、保密性，經(jīng)多次低周、高周試驗(yàn)調(diào)試及驗(yàn)證，該系統(tǒng)已具備轉(zhuǎn)子信息、裝配信息以及監(jiān)測(cè)信息的記錄和存儲(chǔ)且能夠?qū)崿F(xiàn)全部參數(shù)及單一參數(shù)數(shù)據(jù)歸檔和歷史趨勢(shì)顯示功能，其系統(tǒng)性能指標(biāo)能夠滿足試驗(yàn)現(xiàn)有要求，初步實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。