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    砂樁集成控製係統優化方案的關鍵技術研究

    文章作者:李靖,馬振江    時間:2020-02-24 10:55

     

    砂樁集成控製係統優化方案的關鍵技術研究

    —— 係統間通信
     文章來源:李靖     馬振江(中交上海三航科學研究院有限公司,上海 200032) 
    摘要:基於砂樁控製係統硬件和程序生成的數據格式,通過研究Access數據庫、具有EIA RS-232接口的PLC控製係統、具有TXT數據文件格式的GPS係統和具有TCP/TP通信協議的集中管理係統之間的通信方式,解決不同控製係統之間互通的問題,滿足高效開發穩定集成控製係統要求。

                Key technology Research of improving project of the Sand Pile Integration Control System
    Abstract: Base on the hardware of the Sand Pile Integration Control System and data format made by the control program, the pattern of data exchange had been successfully developed in the Access Database , PLC control system with the EIA RS-232 protocol, GPS System with the TXT data format and the computer system with the TCP/IP protocol for solving data exchange in control systems with different communication protocols ,which can  contribute to developing efficiently the stable Integration Control System.
    Key words:  sand pile control system ;OPC ; automatic control ; PLC communication
     
    0.引言
    隨著通信技術、電子技術、計算機技術的發展,工業過程控製係統框架朝著智能化、數字化、信息化、網絡化方向發展;控製係統具有高速、高效、高精度、高可靠性的性質。因此,通過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信係統,要使其能協同工作實現信息交換和資源共享,它們之間必須具有共同的語言。交流什麽、怎樣交流及何時交流,都必須遵循某種互相都能接受的規則。這個規則就是通信協議【1】。如物理層協議EIA RS-232接口標準、EIA-422接口標準、TCP/IP通信協議、PROFIBUS通信協議、MODBUS RTU通信協議、PPI協議,MPI協議等;由於工業現場設備使用通信協議具有種類繁多、不同設備廠家生產設備具有不同通信標準,對係統開發人員就提出了很高的要求,需要完成軟件控製係統開發,不僅需要掌握各種設備通信協議,而當硬件設備驅動改動時,軟件開發人員必須修改大量的驅動程序來連接設備,因此,對控製係統開發難度大、通用性差、效率低。為此,需要研究一套高效、快速、穩定的係統通信解決方案,硬件開發人員無需考慮 程序的多種需求和傳輸協議,軟件開發人員也無需了解硬件的實質和操作流程;這樣有效提高係統升級的效率、優化控製方案、方便係統維護。砂樁控製係統由不同通信協議的設備組成綜合控製係統,下麵將對砂樁控製係統優化通信方案進行研究:

    1. 砂樁集成控製係統構成
    1.2 控製係統硬件構成
    砂樁控製係統硬件布置圖1-2,1#、2#、3#打設管理計算與PLC控製器組成砂樁控製係統,它們之間采用TCP/TP方式進行通訊,控製係統配置可編程控製器(PLC)采用日本三菱公司生產的Q係列PLC,具有 MC通信協議(MELSEC)的以態網模塊QJ71E71,使用該協議外部設備可以通過QJ71E71從PLC CPU讀取數據和程序或者將程序寫入PLC,QJ71E71還具有固定緩衝存儲器通訊(分有順序控製和無順序控製)和隨機訪問緩衝存儲器進行通訊【3】;同時PLC控製係具有串行通信端口。

    圖1-2 控製係統硬件構成
    在砂樁船控製係統中,GPS管理計算機負責對砂樁進行定位並輸出砂樁橫坐標、縱坐標、實時潮位信息;集中管理計算機發送砂樁施工管理、設備參數等砂樁工藝數據。因此,程序開發過程中會涉及到不同的設備以及不同通信協議。
    1.2 控製係統數據類型
    在整個砂樁控製係統中,GPS管理係統產生的數據以TXT文件格式保存;PLC控製係統數據是以存儲器的方式保存;需要實時與數據庫進行數據交換;人機界麵數據交互等。於是不同數據存儲方式,不同數據格式,開發的控製軟件需要確保與其它係統不產生衝突,高效運行。

    2. 控製係統通信策略
    2.1 GPS係統數據與集中管理數據的處理
    GPS係統提供的位置信息是保存在GPS係統的C:/shazhuang/Record.txt文件裏麵;集中管理計算機與打設管理計算機之間數據交換是通過Pile.txt、PlaceManger.txt、InitializeSetting.txt等文件來實現;如何提取相關信息進行數據交換,對控製係統的改善、優化都需要解決問題。圖2-1.1是潮位處理的模型圖.
    通信處理程序在取得潮位基本信息後,通過計算並同步更新潮位變量,這樣通過潮位變量就與文件裏麵潮位信息對應起來,“潮位變量”就隨著Record.txt裏麵的潮位信息的變化而變化,並提供給係統中使用;同時程序需要檢測網絡硬件運行情況,網絡狀態需要在控製程序麵板上通過指示燈進行顯示,當紅燈亮起表明網絡故障。

    圖2-1.1 潮位信息處理流程
    對於外接端口多,需要與外設進行大量數據交換的係統,采用傳統高級語言進行編程,必將產生大量的代碼,耗時相當長,開發效率低,於是需要尋找一種合適高級語言開發“通信處理程序”,NI LabVIEW圖形語言以框圖的形式編寫程序,其表現形式和功能類似於實際的儀器,它是一種帶有圖形控製結構的數據流模式(Data Flow Mode),這種方式確保了隻有獲得它的全部數據後才能被執行。這種數據流程序中,程序執行是由數據驅動的;同時具有功能強大的集成開發環境,完整地集成了與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和內插式數據采集卡等硬件的通訊功能,具有內置式程序庫,提供了大量的連接機製,通過DLLs、共享庫、OLE等途徑實現與外部程序代碼或軟件係統的連接【2】
    NI LabVIEW還能創建獨立的可執行程序,能夠脫離開發環境而單獨運行,特別適合在測試、控製、設計領域的運用。具有程序開發速度快,與外部設備通信能力強,人機交互界麵友好等優點。
    圖2-1.2為潮位數據處理程序,通過打開端口、讀取文件、格式轉換、關閉端口及簡單數據轉換就取得了潮位信息,對比到 VC、VB、C#開發的程序需要產生大量的代碼,程序更加簡單,開發效率更高。
     
     
    圖2-1.2 潮位數據處理程序

    2.2 PLC控製係統和數據庫數據交互
    工業控製和生產自動化領域中有各種智能設備,可編程控製器(PLC)是核心部件,並種類繁多,並通信標準不統一;儀表多采用采用RS232或RS485傳輸標準,儀表與計算機之間的往來通訊都以ASCⅡ碼實現;數據庫數據交換標準;傳感器有采用Modbus總線通信協議等其它一些通信標準和協議。不同通信協議的係統或者設備之間進行信息互換對於大型係統集成必須得解決。因此,需要有一種技術來處理不同標準的設備及通信協議間數據通信。

                                        圖2-2.1  數據通信模型
    OPC(OLE Process Control )技術是OPC基金會組織倡導的工業控製和生產自動化領域中使用的硬件和軟件的接口標準,以便有效地在應用和過程控製設備之間讀寫數據;OPC技術具有開放性(Openness)、產業性(Productivity)和“即插即用”的互聯性(Connectivity);主要由OPC接口、OPC服務器、I/O驅動組成,因此,對於係統集成來說,工程師不需要更多的關心外設的情況,將更多時關注於係統集成及產品本身工藝。
    在砂樁控製係統中,采用NI OPC Server與PLC控製係統進行通信,Lab編程軟件通過變量與OPC Server
    進行數據交換。圖2-2.2 PLC數據處理流程,“Lab變量表”中的變量與PLC的存儲器相對應。

    圖2-2.2  PLC數據處理流程
        對於程序開發者來說,隻需要關心“Lab變量表”中項目的物理意義及本身的工藝流程,對於I/O驅動不需要進行考慮,它由OPC Server 來完成。如表中 “GLdata”對應於PLC存儲器“D11014” ,PLC係統通過自動掃描並更新存儲器“D11014”數據;由於使用了OPC技術,變量“GLdata”將安照一定的時間間隔進行更新;砂樁控製係統中與數據庫的通信采用同樣OPC技術。

    3. 工程運用情況
    采用以上通信方案開發的砂樁控製軟件,已經在港珠澳大橋海上橋隧轉換人工島中得以運用。圖3.1為程序界麵,顯示相關參數及設備狀態;圖3.2 為數據處理程序通過對保存在數據庫中數據進行操作可以查詢打樁過程中有關參數變化情況。

    圖3.1 程序界麵

    砂樁控製程序已經安裝在三航砂樁6號和三航砂樁7號船上的打設管理計算機上運行,打砂樁長度達到30M(樁長)*8000(根)=240000米,使用砂量30萬立方米多。使用過程中,程序穩定、靠性運行,並達到了高效開發控製係統的目的。

    圖3.2 數據庫數據瀏覽

    4.結束語
    采用OPC技術及以上控製係統通信方案,解決工業現場TCP/IP協議、PLC控製器MC通信協議(MELSEC)、Access數據庫、TXT文本之間數據交換問題;開發了砂樁控製係統,在實際項目中運用,驗證了這種通信方法的可靠性、穩定性;同時提高集成控製係統的開發效率,縮短集成係統開發時間,節約係統開發成本,尤其對於控製係統集成和機電設備的開發具有積極的參考價值。  
     
     
    參考文獻:
      [1]  楊明福,計算機網絡技術【M】.北京.2005年9期
     [2]  徐小東等,LabVIEW 8.5 常用功能與編程實例精講【M】.北京. 2009
     [3]  廖常初  S7-300/400 PLC應用技術【M】.北京,2006年4
     
    [作者簡介]  李靖(1975-),1975年出生,男,重慶人,機械製造及自動化專業,現工作於中交三航科學研究院有限公司工藝自動化設計研究所。從事港口機電設備自動化技術研究。
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