砂樁集成控制系統優化(huà)方案的(de)關鍵技術研究

 文章(zhāng)來(lái)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：基于砂樁控制系統硬件和(hé)程序生成的(de)數據格式，通(tōng)過研究Access數據庫、具有EIA RS-232接口的(de)PLC控制系統、具有TXT數據文件格式的(de)GPS系統和(hé)具有TCP/TP通(tōng)信協議(yì)的(de)集中管理(lǐ)系統之間的(de)通(tōng)信方式，解決不同控制系統之間互通(tōng)的(de)問題，滿足高(gāo)效開發穩定集成控制系統要求。

            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
随著(zhe)通(tōng)信技術、電子技術、計算(suàn)機技術的(de)發展，工業過程控制系統框架朝著(zhe)智能化(huà)、數字化(huà)、信息化(huà)、網絡化(huà)方向發展；控制系統具有高(gāo)速、高(gāo)效、高(gāo)精度、高(gāo)可(kě)靠性的(de)性質。因此，通(tōng)過通(tōng)信信道和(hé)設備互連起來(lái)的(de)多(duō)個(gè)不同地理(lǐ)位置的(de)數據通(tōng)信系統，要使其能協同工作實現信息交換和(hé)資源共享，它們之間必須具有共同的(de)語言。交流什(shén)麽、怎樣交流及何時(shí)交流，都必須遵循某種互相都能接受的(de)規則。這(zhè)個(gè)規則就是通(tōng)信協議(yì)^【1】。如物(wù)理(lǐ)層協議(yì)EIA RS-232接口标準、EIA-422接口标準、TCP/IP通(tōng)信協議(yì)、PROFIBUS通(tōng)信協議(yì)、MODBUS RTU通(tōng)信協議(yì)、PPI協議(yì)，MPI協議(yì)等；由于工業現場(chǎng)設備使用(yòng)通(tōng)信協議(yì)具有種類繁多(duō)、不同設備廠家生産設備具有不同通(tōng)信标準，對(duì)系統開發人(rén)員(yuán)就提出了(le)很高(gāo)的(de)要求，需要完成軟件控制系統開發，不僅需要掌握各種設備通(tōng)信協議(yì)，而當硬件設備驅動改動時(shí)，軟件開發人(rén)員(yuán)必須修改大(dà)量的(de)驅動程序來(lái)連接設備，因此，對(duì)控制系統開發難度大(dà)、通(tōng)用(yòng)性差、效率低。爲此，需要研究一套高(gāo)效、快(kuài)速、穩定的(de)系統通(tōng)信解決方案，硬件開發人(rén)員(yuán)無需考慮 程序的(de)多(duō)種需求和(hé)傳輸協議(yì)，軟件開發人(rén)員(yuán)也(yě)無需了(le)解硬件的(de)實質和(hé)操作流程；這(zhè)樣有效提高(gāo)系統升級的(de)效率、優化(huà)控制方案、方便系統維護。砂樁控制系統由不同通(tōng)信協議(yì)的(de)設備組成綜合控制系統，下(xià)面将對(duì)砂樁控制系統優化(huà)通(tōng)信方案進行研究：

1． 砂樁集成控制系統構成
1.2 控制系統硬件構成
砂樁控制系統硬件布置圖1-2，1#、2#、3#打設管理(lǐ)計算(suàn)與PLC控制器組成砂樁控制系統，它們之間采用(yòng)TCP/TP方式進行通(tōng)訊，控制系統配置可(kě)編程控制器（PLC）采用(yòng)日本三菱公司生産的(de)Q系列PLC，具有 MC通(tōng)信協議(yì)（MELSEC）的(de)以态網模塊QJ71E71，使用(yòng)該協議(yì)外部設備可(kě)以通(tōng)過QJ71E71從PLC CPU讀取數據和(hé)程序或者将程序寫入PLC，QJ71E71還(hái)具有固定緩沖存儲器通(tōng)訊（分(fēn)有順序控制和(hé)無順序控制）和(hé)随機訪問緩沖存儲器進行通(tōng)訊^【3】；同時(shí)PLC控制系具有串行通(tōng)信端口。

圖1-2 控制系統硬件構成
在砂樁船控制系統中，GPS管理(lǐ)計算(suàn)機負責對(duì)砂樁進行定位并輸出砂樁橫坐(zuò)标、縱坐(zuò)标、實時(shí)潮位信息；集中管理(lǐ)計算(suàn)機發送砂樁施工管理(lǐ)、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(de)設備以及不同通(tōng)信協議(yì)。
1.2 控制系統數據類型
在整個(gè)砂樁控制系統中，GPS管理(lǐ)系統産生的(de)數據以TXT文件格式保存；PLC控制系統數據是以存儲器的(de)方式保存；需要實時(shí)與數據庫進行數據交換；人(rén)機界面數據交互等。于是不同數據存儲方式，不同數據格式，開發的(de)控制軟件需要确保與其它系統不産生沖突，高(gāo)效運行。

2． 控制系統通(tōng)信策略
2.1 GPS系統數據與集中管理(lǐ)數據的(de)處理(lǐ)
GPS系統提供的(de)位置信息是保存在GPS系統的(de)C：/shazhuang/Record.txt文件裏面；集中管理(lǐ)計算(suàn)機與打設管理(lǐ)計算(suàn)機之間數據交換是通(tōng)過Pile.txt、PlaceManger.txt、InitializeSetting.txt等文件來(lái)實現；如何提取相關信息進行數據交換，對(duì)控制系統的(de)改善、優化(huà)都需要解決問題。圖2-1.1是潮位處理(lǐ)的(de)模型圖.
通(tōng)信處理(lǐ)程序在取得(de)潮位基本信息後，通(tōng)過計算(suàn)并同步更新潮位變量,這(zhè)樣通(tōng)過潮位變量就與文件裏面潮位信息對(duì)應起來(lái)，“潮位變量”就随著(zhe)Record.txt裏面的(de)潮位信息的(de)變化(huà)而變化(huà)，并提供給系統中使用(yòng)；同時(shí)程序需要檢測網絡硬件運行情況，網絡狀态需要在控制程序面闆上通(tōng)過指示燈進行顯示，當紅燈亮起表明(míng)網絡故障。

圖2-1.1 潮位信息處理(lǐ)流程
對(duì)于外接端口多(duō)，需要與外設進行大(dà)量數據交換的(de)系統，采用(yòng)傳統高(gāo)級語言進行編程，必将産生大(dà)量的(de)代碼，耗時(shí)相當長(cháng)，開發效率低，于是需要尋找一種合适高(gāo)級語言開發“通(tōng)信處理(lǐ)程序”，NI LabVIEW圖形語言以框圖的(de)形式編寫程序,其表現形式和(hé)功能類似于實際的(de)儀器，它是一種帶有圖形控制結構的(de)數據流模式(Data Flow Mode)，這(zhè)種方式确保了(le)隻有獲得(de)它的(de)全部數據後才能被執行。這(zhè)種數據流程序中，程序執行是由數據驅動的(de)；同時(shí)具有功能強大(dà)的(de)集成開發環境，完整地集成了(le)與GPIB、VXI、RS-232、RS-485和(hé)内插式數據采集卡等硬件的(de)通(tōng)訊功能，具有内置式程序庫，提供了(le)大(dà)量的(de)連接機制，通(tōng)過DLLs、共享庫、OLE等途徑實現與外部程序代碼或軟件系統的(de)連接^【2】。
NI LabVIEW還(hái)能創建獨立的(de)可(kě)執行程序，能夠脫離開發環境而單獨運行，特别适合在測試、控制、設計領域的(de)運用(yòng)。具有程序開發速度快(kuài)，與外部設備通(tōng)信能力強，人(rén)機交互界面友好等優點。
圖2-1.2爲潮位數據處理(lǐ)程序，通(tōng)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(de)了(le)潮位信息，對(duì)比到 VC、VB、C#開發的(de)程序需要産生大(dà)量的(de)代碼，程序更加簡單，開發效率更高(gāo)。
 
 
圖2-1.2 潮位數據處理(lǐ)程序

2.2 PLC控制系統和(hé)數據庫數據交互
工業控制和(hé)生産自動化(huà)領域中有各種智能設備，可(kě)編程控制器（PLC）是核心部件，并種類繁多(duō)，并通(tōng)信标準不統一；儀表多(duō)采用(yòng)采用(yòng)RS232或RS485傳輸标準，儀表與計算(suàn)機之間的(de)往來(lái)通(tōng)訊都以ASCⅡ碼實現；數據庫數據交換标準；傳感器有采用(yòng)Modbus總線通(tōng)信協議(yì)等其它一些通(tōng)信标準和(hé)協議(yì)。不同通(tōng)信協議(yì)的(de)系統或者設備之間進行信息互換對(duì)于大(dà)型系統集成必須得(de)解決。因此，需要有一種技術來(lái)處理(lǐ)不同标準的(de)設備及通(tōng)信協議(yì)間數據通(tōng)信。

                                    圖2-2.1  數據通(tōng)信模型
OPC（OLE Process Control ）技術是OPC基金會組織倡導的(de)工業控制和(hé)生産自動化(huà)領域中使用(yòng)的(de)硬件和(hé)軟件的(de)接口标準，以便有效地在應用(yòng)和(hé)過程控制設備之間讀寫數據；OPC技術具有開放性（Openness）、産業性（Productivity）和(hé)“即插即用(yòng)”的(de)互聯性（Connectivity）；主要由OPC接口、OPC服務器、I/O驅動組成，因此，對(duì)于系統集成來(lái)說，工程師不需要更多(duō)的(de)關心外設的(de)情況，将更多(duō)時(shí)關注于系統集成及産品本身工藝。
在砂樁控制系統中，采用(yòng)NI OPC Server與PLC控制系統進行通(tōng)信，Lab編程軟件通(tōng)過變量與OPC Server
進行數據交換。圖2-2.2 PLC數據處理(lǐ)流程，“Lab變量表”中的(de)變量與PLC的(de)存儲器相對(duì)應。

圖2-2.2  PLC數據處理(lǐ)流程
    對(duì)于程序開發者來(lái)說，隻需要關心“Lab變量表”中項目的(de)物(wù)理(lǐ)意義及本身的(de)工藝流程，對(duì)于I/O驅動不需要進行考慮，它由OPC Server 來(lái)完成。如表中 “GLdata”對(duì)應于PLC存儲器“D11014” ，PLC系統通(tōng)過自動掃描并更新存儲器“D11014”數據；由于使用(yòng)了(le)OPC技術，變量“GLdata”将安照(zhào)一定的(de)時(shí)間間隔進行更新；砂樁控制系統中與數據庫的(de)通(tōng)信采用(yòng)同樣OPC技術。

3． 工程運用(yòng)情況
采用(yòng)以上通(tōng)信方案開發的(de)砂樁控制軟件，已經在港珠澳大(dà)橋海上橋隧轉換人(rén)工島中得(de)以運用(yòng)。圖3.1爲程序界面，顯示相關參數及設備狀态；圖3.2 爲數據處理(lǐ)程序通(tōng)過對(duì)保存在數據庫中數據進行操作可(kě)以查詢打樁過程中有關參數變化(huà)情況。

圖3.1 程序界面

砂樁控制程序已經安裝在三航砂樁6号和(hé)三航砂樁7号船上的(de)打設管理(lǐ)計算(suàn)機上運行，打砂樁長(cháng)度達到30M（樁長(cháng)）*8000（根）=240000米，使用(yòng)砂量30萬立方米多(duō)。使用(yòng)過程中，程序穩定、靠性運行，并達到了(le)高(gāo)效開發控制系統的(de)目的(de)。

圖3.2 數據庫數據浏覽

4．結束語
采用(yòng)OPC技術及以上控制系統通(tōng)信方案，解決工業現場(chǎng)TCP/IP協議(yì)、PLC控制器MC通(tōng)信協議(yì)（MELSEC）、Access數據庫、TXT文本之間數據交換問題；開發了(le)砂樁控制系統，在實際項目中運用(yòng)，驗證了(le)這(zhè)種通(tōng)信方法的(de)可(kě)靠性、穩定性；同時(shí)提高(gāo)集成控制系統的(de)開發效率，縮短集成系統開發時(shí)間，節約系統開發成本，尤其對(duì)于控制系統集成和(hé)機電設備的(de)開發具有積極的(de)參考價值。　　
 
 
參考文獻：
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