摘? 要: 從體系結(jié)構(gòu)、硬件構(gòu)成,、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計等幾個方面介紹了針對復雜施工現(xiàn)場" title="施工現(xiàn)場">施工現(xiàn)場所構(gòu)造的集散式" title="集散式">集散式過程監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng),并詳細闡述了系統(tǒng)軟件的開發(fā)思想,給出了遠程監(jiān)測" title="遠程監(jiān)測">遠程監(jiān)測的模型,。經(jīng)三峽大壩施工現(xiàn)場的實際應用證實，該系統(tǒng)完全適合這種復雜的作業(yè)環(huán)境,對促進生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度,、保證質(zhì)量,、提高效率具有積極作用。

　　關(guān)鍵詞: 集散式監(jiān)測系統(tǒng)? 過程監(jiān)測? 遠程監(jiān)測

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　　集散控制系統(tǒng)利用計算機技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、通信技術(shù)等對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)測和分散控制^[1]。它具有通用性強,、人機界面友好,、運行安全可靠等特點，已廣泛應用于各種生產(chǎn)過程中^[2～4],。

　　三峽大壩施工現(xiàn)場與其它工業(yè)現(xiàn)場相比,具有以下幾個特點:①持續(xù)生產(chǎn);②施工設(shè)備數(shù)目種類多,，總的測點數(shù)目達200多個； ③測點分布范圍廣,測點遍及各個車間以及長度超過千米的供料線和高度達148米的塔帶機上,范圍達數(shù)平方公里,；④作業(yè)環(huán)境復雜,電磁干擾強烈,鋪設(shè)通訊線纜非常困難,。開發(fā)這種環(huán)境下的過程監(jiān)測系統(tǒng)難度較大。隨著現(xiàn)場規(guī)模的增大,作業(yè)自動化程度的提高,安全隱患越來越多,機械故障,、連鎖影響造成的損失也越來越大;而且,原有的針對勞動密集型的管理調(diào)度方式也不能夠滿足自動化,、大規(guī)模生產(chǎn)的要求。針對這種情況,我們開發(fā)了應用于大型施工現(xiàn)場的連續(xù)生產(chǎn)過程集散式監(jiān)測系統(tǒng),它以模擬動畫為主,直觀,、連續(xù),、及時地反映了現(xiàn)場主要設(shè)備的運行狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的關(guān)鍵信息,具有可視化強、組態(tài)性好,、易擴展,、易維護等特點。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測系統(tǒng)通常有兩種結(jié)構(gòu)形式:集中式和分布式,。前者的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單,、成本低,但由于信號電纜過長,信號易失真、易受干擾,，且由于數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集通道數(shù)和存儲量的增加導致監(jiān)測實時性差,只適用于測點較少且比較集中的場合;后者可靠性高,、易于擴展,適用于大規(guī)模且測點分散的場合^[2][4]?？紤]到大型施工現(xiàn)場監(jiān)測點的分散性和不同級別部門對監(jiān)測內(nèi)容的不同需要,我們結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,采取集散式監(jiān)測模式,實現(xiàn)監(jiān)測分散,、管理集中的思想。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

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　　從體系結(jié)構(gòu)上,分為三個層次:

　　(1)數(shù)據(jù)采集層 主要包括由智能數(shù)據(jù)采集模塊及傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集前端,。

　　(2)現(xiàn)場監(jiān)測層 由各個車間的現(xiàn)場監(jiān)測計算機群組成,主要完成對所在部位的數(shù)據(jù)采集,、初步處理和現(xiàn)場監(jiān)測,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測工作站或者調(diào)度機。

　　(3)管理監(jiān)測層 主要面向具有管理和調(diào)度權(quán)限的管理人員,由監(jiān)測工作站,、調(diào)度機和服務器以及各個科室的計算機群組成,在此完成集中監(jiān)測,。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

　　監(jiān)測系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)要求實時和可靠。針對惡劣的現(xiàn)場環(huán)境,我們提出了一種局域網(wǎng)與現(xiàn)場總線,、串口通訊相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖2所示,。實踐證明,這種結(jié)構(gòu)完全適合在復雜作業(yè)現(xiàn)場中應用。

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　　監(jiān)測系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò),即現(xiàn)場監(jiān)測層和調(diào)度監(jiān)測層之間的網(wǎng)絡(luò)選用標準以太網(wǎng);而底層,即數(shù)據(jù)采集層,則選用具有更高可靠性的RS485總線,它可以驅(qū)動多達256塊智能采集模塊,通訊距離達1200米(利用中繼器,可以將系統(tǒng)的通訊距離再延長1200米),確保了本系統(tǒng)具有很好的可擴展性,。另外,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,還采用了RS232與拌和樓監(jiān)測機連接,。這種靈活的搭配在保證系統(tǒng)性能的同時,有效地降低了成本。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　監(jiān)測系統(tǒng)的硬件要求必須選擇抗干擾能力強,、品質(zhì)優(yōu)良,、性能可靠的設(shè)備。

3.1 上位機的選型

　　現(xiàn)場監(jiān)測機,、監(jiān)測工作站和調(diào)度機的工作環(huán)境和條件相對較差,都處在長期連續(xù)工作狀態(tài)下,。本系統(tǒng)采用高性能研華工控機,它的整機及接口板都是經(jīng)過工業(yè)化處理的,可靠性較高;選用IBM服務器作為數(shù)據(jù)庫服務器和網(wǎng)絡(luò)服務器。

3.2 智能采集模塊的選擇

????隨著微電子技術(shù),、計算機技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,測量儀表從模擬式,、電子式逐步向智能化,、微機化方向發(fā)展^[5]。本系統(tǒng)選用的ADAM-4000系列是緊湊,、智能傳感器到PC機的遠程數(shù)據(jù)采集模塊,。它具有內(nèi)置的微處理器、模擬量I/O和數(shù)字量I/O接口,可通過低成本的兩線制RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)獨立提供智能信號調(diào)理,具有傳送距離遠,、抗干擾能力強,、使用靈活、維護方便,、便于聯(lián)網(wǎng)和擴展等優(yōu)點,。

3.3 傳感器的選擇

　　對傳感器最基本的要求是抗干擾性能強，在一定的范圍內(nèi)線性度好,，并輸出標準的電流或電壓信號,以保證和智能采集模塊傳感器能很好地配合使用,。同時必須具有良好的密封和保護措施,以適應施工現(xiàn)場多水、多灰塵,、多碰砸的情況,。

在本系統(tǒng)中,對于靜止物料的溫度,采用標準鉑電阻測量;流動物料的溫度采用美國Raytek公司紅外測溫儀測量;料位信號采用超聲波料位計測量;速度信號采用磁電式傳感器配合脈沖盤的方式進行測量;轉(zhuǎn)角、位移信號采用歐姆倫高精度絕對或相對式編碼器監(jiān)測,。

　　系統(tǒng)投入運行后表明,以上的選型完全滿足生產(chǎn)實際的需要,， 實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的功能,。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計和開發(fā)

　　由于集散式監(jiān)測系統(tǒng)的使用，使得管理和操作人員在勞動強度減輕的同時,，所要監(jiān)視的范圍也更寬了,。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng),信息的主要表現(xiàn)方式是文本以及一些簡單的開關(guān)狀態(tài)的顯示,這很難適應現(xiàn)代化企業(yè)及時、準確地進行優(yōu)化控制,、優(yōu)化管理的要求,。

　　二十世紀80年代開始,出現(xiàn)了多媒體技術(shù),其信息媒體的多樣性、交互性和集成性,，使用戶能夠更有效地控制和使用信息^[6],。在監(jiān)測系統(tǒng)中引入多媒體技術(shù),將大大提高生產(chǎn)的自動化水平。

4.1 組態(tài)軟件簡介

　　開發(fā)包含多媒體技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng),必然要涉及對很多不同類別設(shè)備的驅(qū)動,、數(shù)據(jù)采集和傳輸控制,、多種媒體信息的處理和集成等。如果采用傳統(tǒng)的從最低層編程的方式,必然耗費大量的人力物力,并且需要很長的開發(fā)周期,。

　　二十世紀80年代中期在國外開始出現(xiàn)的組態(tài)軟件,是專用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的,、開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境^[7]。我們選用在國內(nèi)使用比較廣泛的組態(tài)王(Kingview)作為開發(fā)平臺,，它具有很好的圖形功能,、動畫控制功能以及強大的硬件驅(qū)動能力,支持RS232、RS485,、RS422以及TCP/IP通訊協(xié)議,完全適合于搭建這樣一個集散式的監(jiān)測系統(tǒng),。操作系統(tǒng)選用比較穩(wěn)定的WindowsNT4.0。

4.2 系統(tǒng)軟件的開發(fā)

　　本監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集,、預處理及傳輸模塊,、設(shè)備運行狀態(tài)可視化監(jiān)測模塊、生產(chǎn)過程可視化監(jiān)測模塊,、溫度一條龍監(jiān)測模塊,、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等五個功能模塊組成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,。

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　　采用面向?qū)ο蟮哪K化開發(fā)方法,以現(xiàn)場監(jiān)測層的各個監(jiān)測節(jié)點作為基本對象,在分別完成對各個監(jiān)測節(jié)點的組態(tài)編程后,利用組態(tài)王提供的工程合并功能,在管理監(jiān)測層進行系統(tǒng)集成,。在開發(fā)過程中也使用了系統(tǒng)化方法:

　　(1)測點的系統(tǒng)編碼:對所有的測點和設(shè)備的所有可能的故障和狀態(tài)進行系統(tǒng)化編碼,最終存入數(shù)據(jù)庫中的也是各種編碼，既減少了數(shù)據(jù)存儲量,又可以更加高效快速地進行查詢,保證了系統(tǒng)的實時性,。

　　(2)變量的系統(tǒng)描述:組態(tài)王的變量可以中文命名,對所有變量采用系統(tǒng)化的命名方法,名稱中包含其所對應的測點的位置,、測點的類型、測點的編號等信息,。這樣不但有利于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā),而且增加了軟件的可維護性,。

5 遠程監(jiān)測的實現(xiàn)

　　本監(jiān)測系統(tǒng)采取的是現(xiàn)場在線監(jiān)測方式。雖然我們已經(jīng)實現(xiàn)了通過調(diào)制解調(diào)器和電話電纜,利用系統(tǒng)的遠程訪問功能,使數(shù)據(jù)在兩個生產(chǎn)系統(tǒng)之間以及生產(chǎn)系統(tǒng)與后方管理層之間的共享;也實現(xiàn)了對于局域網(wǎng)或企業(yè)Intranet網(wǎng)中的任何一臺計算機,只要安裝了監(jiān)測軟件,就可以遠程實時監(jiān)測生產(chǎn)過程的功能,但這種遠程監(jiān)測依然具有很大地域局限性和較高的實現(xiàn)成本,它需要在每一臺客戶機上安裝組態(tài)監(jiān)控軟件,并根據(jù)用戶不同要求對程序作出大量的調(diào)整,。

　　隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,，如何實現(xiàn)更廣范圍的資源共享以及遠程監(jiān)測是進一步研究的方向[5],。另一方面，通過對關(guān)鍵設(shè)備增加信號采集分析設(shè)備,可以把功能單一的生產(chǎn)過程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)擴展為同時具有設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),。在這種情況下,遠程監(jiān)測具有更重要的意義,在設(shè)備發(fā)生故障時,可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的異地協(xié)同診斷,使得多個診斷系統(tǒng)服務于同一臺設(shè)備,多臺設(shè)備共享同一診斷系統(tǒng),，提高故障診斷的可靠性和智能化水平。

　　隨著Internet技術(shù)的迅速發(fā)展,構(gòu)建一種不限時間,、不限地域的真正的遠程監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)實,。基于Internet的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示,。它采用新型的客戶/服務器體系結(jié)構(gòu),服務器端由Web服務器及數(shù)據(jù)庫兩層結(jié)構(gòu)組成,客戶端以通用的瀏覽器(IE)為基礎(chǔ)?，F(xiàn)場設(shè)備和下位機將采集到的數(shù)據(jù)傳送到服務器中,服務器安裝了服務器版本監(jiān)控軟件,不同的用戶可以使用標準瀏覽器,通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)或Internet實現(xiàn)各種工程曲線、報表,、數(shù)據(jù)瀏覽,、動畫顯示、遠程實時監(jiān)控等功能,。

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　　由于只需在服務器上安裝一套WWW服務器版本監(jiān)控軟件,，而不必在每一個監(jiān)視和控制點都安裝一套組態(tài)軟件,大大節(jié)省了用戶的開支;而且由于系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)都集中在服務器上,大大簡化了培訓學習過程和對系統(tǒng)的維護管理過程。

　　以上介紹的適用于復雜環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng),主要解決了如下幾個問題:

　　(1)采用集散式監(jiān)測模式解決了集中管理和分布監(jiān)測問題;

　　(2)提出了適合復雜作業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),既保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高可靠性,又便于數(shù)據(jù)共享;

　　(3)采用組態(tài)技術(shù)和多媒體技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程實時動畫模擬顯示和監(jiān)測;

　　(4)實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)遠程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享,并提出了基于Internet的遠程監(jiān)測的模型,。

　　經(jīng)三峽大壩施工現(xiàn)場的實際應用,證實該系統(tǒng)完全適合這種復雜的作業(yè)環(huán)境,對促進生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度,、保證質(zhì)量、提高效率具有積極作用,。本系統(tǒng)的構(gòu)建思想也適用于開發(fā)其它復雜工業(yè)環(huán)境下的監(jiān)測系統(tǒng),。

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