基于工控組態技術的隧道綜合監控系統的實現

楊湛瑩

（上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海200023）

近年來，隨著中國城市隧道交通的高速發展以及計算機、通訊等技術的不斷進步，隧道綜合監控系統也在不斷更新完善，作為城市隧道智能化管理的技術手段之一，隧道綜合監控系統呈現出智能化、網絡化、綜合化、集成化等發展趨勢，隧道綜合監控系統的集成運用日益重要[1]。

工控組態軟件作為一種編程工具，具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大，隨著它的不斷發展，對人機圖形界面、控制操作和運行監視、實時數據庫、歷史數據庫、通信及聯網、開放數據接口、I／O設備的廣泛支持已經成為它的主要功能。工控組態軟件在有效、快速地進行隧道綜合監控系統的開發和實現方面有著極大的優勢，可縮短項目的開發周期，提高系統集成的成功率和可靠性，降低項目實施和運行周期維護的費用。

隨著工業組態軟件技術的發展，大量的最新計算技術、通訊技術、多媒體技術被用來提高其性能，擴充其功能。工業組態軟件更加注重效率，用戶通過模板快速生成自己的項目應用，圖形模板、數據庫模板、設備模板可以讓用戶以“復制”方式快速生成目標程序[2]。

本文將以英維思公司的工控組態軟件系統Wonderware Industrial Application Server（Wonderware IAS）為例，對利用組態軟件為開發平臺進行隧道綜合監控系統的程序開發和實現進行了一些分析。

1 隧道綜合監控系統的需求分析

隧道綜合監控系統集通信技術、計算機技術、自動控制技術于一體，為隧道管理人員提供完整和清晰的隧道運行狀況。

通常情況下，隧道綜合監控系統主要分為交通監控系統、設備監控系統、電力監控和綜合供配電系統、通信管理系統4個部分，其中交通監控系統具有交通數據采集、交通事件監測、交通信號控制、交通信息發布等功能；設備監控系統包括隧道環境監測、通風設備監控、排水設備監控、照明設備監控、火災報警監控等子系統；電力監控系統具有電氣參數監測、電力設備監控、監控系統和其他弱電系統的內、外場設備供電和保護監控等功能；通信管理系統包含視頻監控系統、緊急電話系統、廣播系統等。

系統主要有如下功能和特點：① 必須保證中心監控系統對設備操控的高度實時性、準確性與可靠性，對設備的操作須有嚴格的權限限制；② 對現場各種系統設備的數據實現動態采集，保證系統的穩定性，數據的完整性和準確性；③ 數據處理和數據命令輸出、信息顯示發布、應急聯動，數據展示應具有豐富的動態圖形、趨勢、報表等多種可視化途徑，將實時采集數據和報警信息集成在同一畫面顯示；④ 隧道監控系統中，機電設備種類較多，數據采集接口種類繁多，兼容各種不同廠家種類的硬件設備，將方便系統改造升級，充分保護用戶初期投資并給用戶設備選型提供便利；⑤ 實現數據存儲、查詢、分析、統計計算，所存儲歷史數據能夠滿足設備管理、工藝分析、成本分析、績效管理等需求，支持多客戶端訪問數據，數據檢索快速響應。

2 隧道綜合監控系統使用工控組態軟件的解決方案

2.1 系統整體架構

整個系統由數據庫服務器、通信服務器、工作站、打印機、千兆以太網核心交換機、通信、計算機網絡、電源線纜及連接器等組成。隧道綜合監控系統結構系統圖如圖1所示。

整個系統設置多臺具有設備監控、交通監控、電力監控、閉路電視（CCTV）監視、火災報警等功能的工作站，并支持多媒體大屏幕綜合顯示；基于以太局域網實現多工作站分功能、分級別網上資源共享、網絡協調運作功能（采用TCP／IP通信協議）；基于Client／Server主客體系建立統一的信息數據庫，實現隧道與相接交通線路或管理部門網絡上的通信，能接收上級部門的指令和建議，輔以協調、管理；通過I／O服務器設備，獲得設備監控、交通監控和火災報警等系統的下層設備所需的隧道中的各種信息，由本系統指揮和協調數據的流向，由各工作站讀取且分別處理、運算后，向上、向下發布指令，并存入統一的數據庫中，供值班人員隨時調用、顯示、打印。

2.2 軟件結構

工控組態軟件通過通信模塊驅動從現場設備獲取實時數據，對數據進行必要的加工后，一方面以圖形圖表的方式直觀地顯示在人機界面上，另一方面通過人工操作或聯動控制將控制數據傳送給現場設備，對執行機構實施控制或調整控制參數，并按照需要將歷史數據存儲。

圖1 隧道綜合監控系統結構系統圖

為實現了系統數據存儲、處理和應用的分離，整個綜合監控系統軟件采用3層軟件結構，詳見圖2。通過3層軟件結構，在模塊化開發的基礎上使得軟件具有了可擴展性、設備無關性和系統無關性，使得本系統在以后增加設備和接口的情況下不需要對軟件結構本身做出修改。

圖2 軟件結構圖

2.3 軟件系統部署

Wonderware IAS的系統部署是面向計算機的軟件分配，依據整個系統整體架構和軟件結構，整個隧道綜合監控系統基于Wonderware IAS的系統部署采用了C／S結構，軟件系統部署詳見圖3。服務端主要負責數據的采集、存儲與分析，硬件指令的收發，客戶端主要提供了簡潔直觀、快捷方便的人機界面，接受用戶指令下發至服務端，同時從服務端接收經過分析的數據信息和報警信息并提供給用戶。

圖3 Wonderware IAS軟件系統部署圖

綜合監控系統主要分為如下幾個類型的節點：① 系統配置服務器（Galaxy Repository，GR），系統平臺中的配置信息數據庫，存儲和更新整個項目的配置信息；② 自動化對象服務器（Automation Obje－ct Server Node，AOS），提供了自動化對象的操作資源，利用DA Server連接的控制過程和外部設備，在AOS中以過程對象的方式進行描述，完成數據處理分析、數據存儲及報警管理，并以統一的命名空間展現給客戶端；③ 集成開發環境（Integrated Development Environment，IDE），為基于IAS的系統提供了配置、編輯和維護所有特定應用組件的能力，可以同時安裝人機界面設計軟件Intouch Windows Maker，作為整個系統的工程師站使用；④ 數據訪問服務器（DA Server Node），用來連接現場設備，如PLC、電力繼電保護等，完成實時數據的交互；⑤ 人機界面工作站（Intouch HMI），提供可視化人機界面，用于對整個隧道交通控制和設備的監控和操作?？砂幢O控對象的不同，分為交通監控工作站、設備監控工作站、電力監控工作站等。在隧道群監控系統中，也可按照監控隧道劃分工作站。

3 解決方案分析

3.1 面向對象的工程開發技術

Wonderware IAS是一個嵌入面向對象技術的工控組態軟件平臺，與傳統的基于標記名開發的工控組態軟件不同，它的數據訪問、報警、歷史數據分析及監控畫面開發不是圍繞標記名的[3]。傳統的設計方法是面向功能，集中在監控系統的局部，圍繞某個功能實現，而采用面向對象思想設計整個監控系統，將充分發揮面向對象技術的封裝性、繼承性的優勢，同時采用抽象對象的方法看待整個監控系統的組成。

在建立隧道綜合監控系統的過程中，利用IAS的特性，收集設備對象和功能需求，建立適合于隧道的工程模型，建立常見設備的標準模板，再由模板生成具體設備對象實例，從而實現代碼的復用[4]。

3.1.1 收集設備對象和功能需求

在采用面向對象的系統設計中，要了解系統中的設備對象以及相關的功能需求，便于系統總體模板的設計。例如設備監控分系統的通風設備監控對隧道內的射流風機、混流風機、風閥進行實時監控，這些設備往往具備多個輸入／輸出點，如表1所示，以及數據處理、顯示、存儲等功能需求，如表2所示，這些都是要收集的數據。同時注意將其中屬性、功能完全一致的歸納成一種設備，如電動防火閥和電動排煙閥可歸為風閥。

表1 設備的輸入輸出數據

表2 設備的功能需求

3.1.2 建立模型和實例化對象

對于現場設備，如風機、車道燈、水泵、情報板、電話、廣播等等，需要根據對應于這些設備的輸入、輸出、反饋信號、報警、邏輯腳本、操作權限等建立一個通用的設備模板，進而實現代碼和對象的復用。

通過對設備對象和功能需求的分析，找出同類型設備的共同屬性和相同的功能，就可以抽象出系統的部分應用模版。這些應用模版可以利用面向對象的繼承性特點，從基礎模板派生出來，根據對象的屬性特點來設計對象的層次。

如圖4所示，建立1個對應車道燈的基礎對象模板——＄車道燈，在該模板中建立5個I／O設備點及4個內部點，以及兩個事件腳本（script）。

圖4 對象模板＄車道燈

車道燈還需進一步區分，例如所處隧道名不同，有的還有黃燈指示燈?？捎蓪ο竽０濉畿嚨罒衾^承而派生出4個對象模板：＄車道燈＿zs，＄車道燈＿銀東，＄車道燈dx，＄車道燈xd，各模板不僅包括基礎對象模板＄車道燈的數據點和腳本等，還根據其各自不同要求，增加特殊的數據點和腳本，圖5所示為其中1個派生模板——＄車道燈＿zs。

圖5 對象模板＄車道燈＿zs

模板建立之后，根據不同設備對象生成相對應的實例，并且將其分配到相應的系統模型中，如根據車道燈的數量將上述模板進行實例化，實例對象如圖6所示。

圖6 車道燈對象CD01

3.1.3 定義區域模型

在完成監控系統所涉及的應用模板設計及生成實例（Instance）后，可根據實際系統需要設計系統的區域模型。區域模型是應用的邏輯組合，表明系統的實際層次結構。在隧道監控系統中可按專業系統劃分成交通信號模塊、通風監控模塊、電話監控模塊等13個區域。在開發及維護階段，這樣的設計可以使軟件設計人員快速定位所關心的專業和對象，層次更明晰。

3.2 數據采集處理與上位監控系統的獨立

本系統的DA Server Node、AOS及Intouch HMI工作站均是相互獨立的軟件系統，將數據采集與上位監控分離，實時數據的采集和傳輸與歷史數據的采集與傳輸進行剝離，其中任何一個出現異常都不會影響其他系統的正常運行。

例如，AOS系統出現問題，數據采集并不會受到影響，不會出現數據丟失的現象，Intouch HMI工作站的人機界面雖然不能獲得實時數據，但其他如歷史查詢、畫面切換等操作仍能正常進行。

3.3 軟件系統部署的靈活性

作為一個全分布式的系統，軟件系統部署的方式是靈活的。通過分析對象的負荷狀況及數據流向，每個節點可設置多臺計算機，也可將幾個節點集中在1臺計算機上，從而實現整個系統的負載均衡分配，使計算機資源得到有效合理的使用。例如當同時監控多條隧道的，數據采集的物理鏈路往往是按隧道劃分的，數據流向分散，這樣便可以將采集軟件分散分配在不同的I／O服務器，這種方式在系統擴展時將不會影響軟件結構本身。

3.4 畫面展示和監控

人機界面設計軟件Intouch Windows Maker采用標準Windows GUI作為自己的圖形設計界面，而且它的外觀按照微軟.Net的標準設計，這樣可以不用專門進行學習就可以熟悉它的環境。

人機界面設計軟件Intouch Windows Maker的圖庫圖形豐富多彩，支持從畫面到畫面包含對象的顏色漸變，具有自己的內部函數，支持ActiveX、OLE插入，.Net庫的引入和調用，畫面設計更易獲得生動的界面效果，具有完美的圖形動畫展示功能，能夠將模擬動畫展示給用戶，使用戶在計算機前就可以對現場任何設備和工藝流程一目了然，例如圖7所示的通風系統界面。

圖7 通風系統界面

4 結 語

作為目前軟件開發方法的主流之一，面向對象設計是開發健壯的可復用軟件時最常用的技術[5]，面向對象的軟件設計也是工控組態技術的一種發展趨勢[2]，Wonderware IAS工控組態軟件平臺將面向對象技術和思想引入到隧道綜合監控系統的整體設計中。傳統的基于標記名開發的工控組態軟件數據結構是扁平的，沒有嚴格的標準化要求，而Wonderware IAS的數據結構是多層次的對象模塊化設計，從對象模板的派生實現應用的修改，用對象表示物理設備數據，整個系統開發的標準化更為嚴格[3]。

基于Wonderware IAS開發隧道綜合監控系統，利用面向對象技術中的封裝性、繼承性的特點，將數據點、事件和函數及圖元開發等緊密地連結在一起，方便地擴展現有對象的功能，減少冗余的代碼，減低了出錯概率、數據。強大的圖形用戶界面設計開發工具有利于快速開發出滿意的圖形人機界面。數據采集、數據處理、數據存儲與上位監控系統相互獨立的模塊化結構在系統出現故障時可以縮小影響的范圍。

在上海外灘隧道改建工程監控系統工程、上海人民路新建路越江隧道工程監控系統等工程中，筆者采用本文所討論的技術，大大節省了隧道綜合監控系統的開發研制時間，加快了整個系統的投入運行的時間。

對于系統后期的維護工作，該技術具有極大的便利性。首先，監控系統模板中所有的設備模板和實例對象均集中在IDE集成開發環境下進行修改；其次，對象模板的修改將會自動反映到其各個實例上，并不需要對每一個實例逐一進行修改；最后，對修改后的對象進行一次在線更新部署，從而不會影響整個隧道綜合監控系統的實際運行，極大地降低了維護的工作量，延長了系統的生命周期。

不過由于隧道綜合監控系統所涉及的接口眾多，往往會有些系統的通訊協議特殊，工控組態軟件的驅動程序并不支持。雖然可以通過OPC Server，DDE Server等方式接入，或者利用驅動開發包開發驅動，但編制這些與組態軟件接口程序會額外開銷。而工業組態軟件作為商用軟件，也需要一定的采購費用，一般來說系統的集成規模越大，使用工控組態軟件的優勢越明顯；因此，在項目方案確定時，這些費用也是需要考量的。

[1] 鐘 珞，戴 遠.城市隧道監控系統的集成設計[J].武漢理工大學學報，2010，32（15）：119－122.

[2] 馬國華.監控組態軟件的相關技術發展趨勢[J].自動化博覽，2009（2）：16－19.

[3] Invensys Systems，Inc..Training manual system platform－Part1[R].USA：Invensys Systems Inc.，2009：1／33－1／35.

[4] Invensys Systems，Inc..Wonderware?application server user's guide[R].Revision B.USA：Invensys Systems Inc.，2008：35－128.

[5] Deitel P J，Deitel H M.Visual.Csharp.2008大學教程[M].3版.劉文紅，譯.北京：電子工業出版社，2009：7－8.