基于PAC的油料灌裝自動化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

曹 原，蔣永年

(重慶郵電大學，重慶 400010)

油料灌裝自動化系統(tǒng)是油庫信息化建設的重要內(nèi)容，它完成儲油罐向運油車輸油的任務。隨著計算機、控制與通信技術的發(fā)展，油料罐裝控制系統(tǒng)模式從集中測控發(fā)展為分布式測控，分布式控制已經(jīng)成為油料灌裝自動化系統(tǒng)的主流模式。在這種模式下，測控的任務已經(jīng)下放到現(xiàn)場鶴位，管理功能也不斷地下放到鶴位，鶴位成了有獨立測控、管理能力的分布式節(jié)點。常規(guī)的基于PLC的設計方案由于管理能力薄弱，已經(jīng)難以滿足任務需要；而工控界比較熱門的嵌入式系統(tǒng)設計則存在開發(fā)時間長、可靠性和穩(wěn)定性差等方面的問題，也難以滿足需要。近年來發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制器——可編程自動控制器 PAC(Programmable Automation Controller)則結(jié)合了PLC的穩(wěn)定性、可靠性和PC的靈活性、多功能的特點，為油料灌裝自動化系統(tǒng)設計提供了一種新的選擇。

PAC具備以下優(yōu)秀性能：

(1)多重領域的應用功能，即在單一平臺里包含邏輯、運動、驅(qū)動和過程控制等至少兩種以上的功能；

(2)單一開發(fā)平臺上整合多規(guī)程的軟件功能(如HMI軟邏輯)，使用通用標簽和單一的數(shù)據(jù)庫來訪問所有的參數(shù)和功能；

(3)軟件工具所設計出的處理流程能跨越多臺機器和過程控制處理單元，實現(xiàn)包含運動控制和過程控制的處理程序；

(4)開放式、模塊化構(gòu)架，能涵蓋工業(yè)應用中從工廠的機器設備到過程控制的操作單元的需求；

(5)采用公認的網(wǎng)絡接口標準及語言，允許不同供應商的設備能在網(wǎng)絡上交換資料。

因此，基于PAC的灌裝自動化系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強的控制能力，同時PAC所具有的豐富流行的開發(fā)語言、標準的網(wǎng)絡接口以及協(xié)議也能較好地實現(xiàn)灌裝自動化系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的整合。

本文以此為出發(fā)點，設計并實現(xiàn)了基于PAC的油料灌裝自動化系統(tǒng)的實驗原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)普通灌裝自動化系統(tǒng)的基本功能，還具備實時遠程監(jiān)測、遠程控制、即時通信、遠程診斷維護、計量精確、操作簡單和界面友好等特點。

1 基于PAC的灌裝自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)模式

基于PAC的灌裝自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用“功能分散、負荷分散、危險分散和管理集中”的分布式設計思想，每個鶴位配置一個基于PAC的灌裝裝置。該裝置能自主完成信息采集、分析處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和控制輸出等功能。各灌裝裝置與監(jiān)控主機的信息交換采用無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、資源共享、即時通信、診斷與維護等功能，構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)模式。

圖1 基于PAC的灌裝自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于PAC的灌裝自動化系統(tǒng)設計

2.1 灌裝裝置功能

基于PAC的灌裝裝置主要功能包括：

(1)數(shù)據(jù)采集。采集管道上各種傳感器(如溫度、壓力、流速、流量、密度等)的輸出信號，并對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、標度變換等預處理。

(2)數(shù)據(jù)計算。根據(jù)計量分析算法，完成間接參數(shù)(如體積、質(zhì)量等)的計算及數(shù)據(jù)的自動存儲。

(3)數(shù)據(jù)管理。包括灌裝裝置信息的存儲管理、查詢、統(tǒng)計、分析、現(xiàn)場顯示及人機交互。

(4)自動定量發(fā)油控制。實時分析系統(tǒng)狀態(tài)、監(jiān)測實時發(fā)油量，采用控制算法對相關的執(zhí)行機構(gòu)進行控制操作。

(5)應急開關。設計手動應急開關，以便在軟件系統(tǒng)故障和緊急情況下進行人工干預。

(6)網(wǎng)絡通信。采用無線通信技術，實時將該裝置的系統(tǒng)狀態(tài)和主要參數(shù)上傳到監(jiān)控主機，實現(xiàn)分布式遠程監(jiān)控。

2.2 硬件設計與實現(xiàn)

灌裝裝置采用以PAC為主體的組合式模塊，主要包括CPU模塊和I/O模塊兩部分。

PAC的核心——CPU模塊選用泓格科技WinCon-8337，它采用Intel Strong ARM 206 MHz CPU，存儲器為工業(yè)級512 M CF卡，提供1個以太網(wǎng)接口、1個RS232 接口、1個 RS485接口、1個 USB接口、2個 PS/2接口和3個I/O擴展槽。

PAC的I/O模塊選用8路模擬量采集模塊I-87017和8路通用開關量模塊I-8063。其主要硬件選型如表1所示。

表1 主要硬件選型表

實驗原型系統(tǒng)控制柜構(gòu)架圖如圖2所示。

圖2 實驗原型系統(tǒng)控制柜構(gòu)架圖

實驗原型裝置外觀如圖3所示。

圖3 實驗原型裝置外觀

2.3 灌裝裝置軟件設計與實現(xiàn)

本裝置選用的WinCon-8000系列PAC產(chǎn)品采用Windows CE.NET作為操作系統(tǒng)，該產(chǎn)品提供了多種API接口函數(shù)，如I/O模塊訪問 API、iPush組件、Modbus API等，利用這些動態(tài)鏈接庫 (DLL)可以方便地在VisualBasic.Net中開發(fā)應用程序。通過應用Wincon.DLL中提供的I/O函數(shù)，完成對模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊的數(shù)據(jù)采集。

根據(jù) I/O模塊的插槽號(Slot)、通道號(Channel)，調(diào)用相應的I/O庫函數(shù)來讀取壓力、溫度、流速等參數(shù)以及控制輸出。

主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序的流程圖

啟停程序流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖6所示。

圖5 啟停程序流程圖

圖6 數(shù)據(jù)接收程序流程圖

灌裝裝置上的用戶界面如圖7所示。

2.4 通信程序設計

灌裝裝置采用了網(wǎng)絡開銷小、無需建立連接的UDP通信傳輸協(xié)議進行通信程序設計，能通過無線網(wǎng)絡以0.1 s為間隔向監(jiān)控主機傳輸實時數(shù)據(jù)。

圖7 灌裝裝置上的用戶界面

由于雙向均采用UDP報文傳輸，灌裝裝置和監(jiān)控主機都必須有通信服務器。監(jiān)控主機端可以直接使用WinSock控件進行設計。在WinCE.NET操作系統(tǒng)下不能直接使用VB.NET的WinSock控件，因此，灌裝裝置端使用Socket套接字進行接收和發(fā)送程序設計。通信構(gòu)架如圖8所示。

圖8 通信構(gòu)架

灌裝裝置端的主要通信代碼如下：

2.5 監(jiān)控程序設計

系統(tǒng)的監(jiān)控主機端采用了MCGS組態(tài)軟件進行監(jiān)控程序開發(fā)。后臺通信程序收集灌裝裝置上傳的實時信息，存放于實時數(shù)據(jù)庫中，由組態(tài)軟件表現(xiàn)出來，反映到組態(tài)界面上。該組態(tài)軟件具有遠程監(jiān)測、遠程控制、即時通信、動態(tài)顯示等功能。

監(jiān)控程序的軟件構(gòu)架如圖9所示。

圖9 監(jiān)控程序的軟件構(gòu)架

圖10所示為遠程監(jiān)控主機MCGS監(jiān)控界面。

圖10 遠程監(jiān)控主機MCGS監(jiān)控界面

本文設計的基于PAC的灌裝裝置自動化系統(tǒng)的實驗原型系統(tǒng)已經(jīng)在某部隊組織的演練中投入使用。從實際運行情況看，采用PAC的灌裝自動化系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、可靠性高、穩(wěn)定性好、與其他系統(tǒng)兼容性強等優(yōu)點，是新一代油料灌裝自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

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