盾構監控系統人機界面組態開發

譚順輝，孟祥波，徐受天，蒲曉波

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 450016）

盾構監控系統人機界面組態開發

譚順輝，孟祥波，徐受天，蒲曉波

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 450016）

為實現對盾構各系統集中監視、控制、數據存儲、故障報警、界面多語言切換等功能，采用NET框架下C＃自主開發的方式，開發出盾構上位機監控系統。首先簡要介紹系統的開發環境和運行的軟硬件環境，然后按軟件部分系統邏輯分層順序，分別從以下3個方面進行詳細描述：1）底層負責與PLC通訊的OPC協議；2）自定義控件、組合顯示界面、報警界面，曲線圖界面及注漿界面的多語言切換；3）數據存儲格式、海量數據的形象化統計分析。主要研究結論如下：1）系統經過中鐵號百余臺盾構的實際應用證明設計符合盾構監控要求，界面友好、穩定可靠；2）系統雖為盾構量身定做，但其人機界面軟件部分包含了組態軟件的大部分功能，進行功能擴展后可以移植到其他工業控制系統。

盾構；監控系統；人機界面；HMI；組態軟件

0 引言

隨著國內城市地下空間開發的快速發展，大型隧道掘進機（盾構）得到了廣泛的應用。和眾多大型工程機械一樣，盾構運行中存在大量過程控制、運動控制等系統，對這些系統進行方便快捷集中有效地監測控制顯得極其必要。目前，國內外著名的盾構生產商（比如海瑞克、羅威特、小松、羅賓斯、上海隧道等）都有自己的人機界面。文獻［1］代表的上海隧道開發的盾構監控系統，其重點在于用先進控制方法優化施工數據。文獻［2］代表了完全從底層開發的監控系統。盾構是個系統工程，完全從數據采集板卡開發難度較大，也不利于實現盾構所有參數都加入監控系統。文獻［3］代表采用組態軟件開發監控系統，這類系統不利于后期功能擴展，且系統安裝、設置都比較復雜。目前來看，大多數盾構廠商均傾向于直接用成熟組態軟件開發盾構HMI，比如法碼通（NFM）主要使用PcVue，中鐵建主要使用WinCC，上海隧道使用組態王。從以上文獻可以看出，目前使用分布式PLC并用高級語言自主開發人機界面對盾構進行監控的方案在業界還不多見。盾構研發制造是一個長期的過程，且盾構是個龐大的系統工程，需要監測的IO點達5 000～6 000個，花更多的時間和精力開發出具有自己特點、自主知識產權、易于功能擴展的盾構人機界面（HMI系統）十分必要。必要性主要表現在以下方面：1）價格上不受制于組態軟件公司；2）功能可以定制。監控系統由一系列傳感器、控制器等經過一定的網絡協議連接構成。人機界面也包含軟硬件部分。本文主要闡述盾構人機界面的軟件部分，其本質是為盾構定制的簡易組態軟件。下文所提的上位機軟件、人機界面（HMI）、監控系統等均特指盾構監控系統人機界面的軟件部分。

1 總體方案設計

1.1 總體框架設計

應用軟件常采用3層結構，即界面層、邏輯層、數據層。考慮到盾構HMI的主要功能是監測控制盾構參數變化、存儲歷史數據并進行統計分析等，程序的使用不需要遵循特定的業務流程，所以本系統中的上位機軟件沒有邏輯層。由于盾構HMI操作的對象全部直接或間接來自PLC，在數據層底下相當于多出來一個PLC通訊層。盾構HMI系統總體框架如圖1所示。

圖1 盾構HMI系統總體框架Fig.1 Structure of HMI system of shield machine

1）通訊層。主要負責程序與PLC的通訊，通過SIMATIC NET建立OPC服務器，然后建立程序與OPC服務器的連接，并以定時循環和按需2種方式讀寫PLC。

2）數據層。主要負責將從PLC獲取到的實時數據按類型（如實時變量、開關變量、環累計量）、按不同的存儲機制（如按秒存、按環存、高低精度存）等對重要的歷史數據進行存儲。存儲要按照節省空間、硬盤讀寫時間及解析數據時間等原則進行。

3）界面層。主要負責形象化的在屏幕上顯示盾構的實時數據、報警信息、統計分析數據結果（如曲線圖、數據報表、歷史記錄等），必要時還需要實現界面的多語言切換及動畫效果等。軟件日志可以在界面上顯示，也可以直接由文本編輯器直接打開。

本軟件的最大特點是實現了界面和主程序的分離。界面和界面上控件的綁定關系等由專門的界面生成工具生成為XML文件。主程序通過讀取該XML文件重繪出各個界面。分離的好處有：1）多臺同時發布時，有界面修改不需要重新編譯主程序從而保證版本的穩定性；2）當主程序更改升級時不需要反復做代碼的遷移等，可大大減輕開發人員的工作量，保證程序的穩定。對本軟件進行功能分拆，加上TCP/IP傳輸文件的功能后可以實現互聯網上的遠程集中監控。

1.2 開發環境選擇

盾構HMI屬于數據采集與控制領域，業內普遍的方式是應用組態軟件。采用組態軟件不僅不利于系統功能擴展，且需購買版權等處處受制于人。盾構研發制造是個長期過程，自主開發盾構HMI十分必要。目前軟件業界存在主流面向對象語言有C＋＋、Java和C＃，其中C＃作為新推出的一種編程語言，幾乎集中了所有關于軟件開發和軟件工程研究的最新成果，面向對象、類型安全、組件技術、自動內存管理、跨平臺異常處理、版本控制及代碼安全管理［4］。綜合以上考慮，使用當前普遍采用的快速開發語言C＃。Microsoft.NET Framework是一種在Windows平臺上編程的架構，并具有面向對象、語言無關性、增強的安全性及代碼共享等優點。簡言之，本軟件是在Microsoft.NET Framework平臺下用C＃開發的。

2 通訊原理

2.1 通信方式選擇

通信方式的選擇是確定工控機與PLC之間的通信。盾構屬于大型設備，IO點較多。PLC常選用西門子S7－300或400系列。S7按功能強弱排序，主要提供MPI，Profibus，工業以太網等通訊子網［5］。在這幾種通信方式中，工業以太網具有成本低廉、通用性極好、速度快及可靠等特點。因此，系統的通信采用工業以太網方式［6］。

工業以太網最常用的傳輸介質是RJ45（普通網線），它的最大傳輸距離是100 m［7］。盾構PLC一般位于盾構主控室后方，盾構工控機位于主控室內部正中，二者距離一般不超過10 m，通過工業級交換機直接連接，即可滿足要求。經應用證明，該通訊方式成本低廉、穩定可靠。

2.2 通信協議設計研究

由于西門子S7－400沒有公布通過工業以太網方式連接PC的數據報格式，不能通過編程直接控制PLC。西門子的解決方案是采用其提供的驅動程序，將PC與PLC的通信標準化為OPC。OPC（用于過程控制的OLE）是一種用于自動化領域內被絕大多PLC支持新通訊標準。目前盾構所用到的PLC（如西門子、三菱、施耐德、AB等）都有專門的軟件來實現PLC的OPC接口。因此，用OPC設計出來的人機界面系統可以很輕易地移植到其他盾構或PLC平臺上。

在HMI系統中，上位機程序中加載OPC基金會的組件相當于是OPC客戶端。西門子提供的SIMATIC NET軟件安裝成功后的Station Configuration 是OPC服務器，即OPC的服務器與客戶端都位于盾構監控的工控機上。OPC服務器（SIMATIC NET）是由PLC廠商提供的類似于設備驅動程序的軟件，它通過PLC廠商私有的通信協議讀取PLC中的數據，并將其轉化為與OPC規范兼容的數據結構。HMI系統編寫OPC客戶端讀取OPC服務器中的數據，一方面通過形象化的顯示方式將數據顯示在屏幕，一方面將關鍵數據存儲于數據庫用于事后的故障查詢和統計分析等。C＃與OPC服務器的連接原理如圖2所示。

圖2 C＃連接OPC服務器原理圖Fig.2 Working principle of C＃connecting with OPC server

OPC服務器安裝步驟為：1）在PLC與工控機網絡連接正常的前提下，在工控機上安裝西門子SIMATIC NET。根據PLC通訊模塊的插槽號等信息，按文檔配置并下載OPC服務器，最終配置成功與否可在Station Configuration界面上查看。2）在OPC Scout界面上手動添加PLC變量，亦可編程批量添加。3）上位機軟件中調用OPC基金會組件即可編程查看PLC變量。

3 監控系統界面設計

3.1 自定義控件

控件類似組態軟件中的系統自帶的功能，比如顯示數值的Label，寫入數值的Text等。組態軟件一般也都配備有腳本語言供高級應用者自己開發控件。上文1.1已經提到，整個HMI軟件采用界面和主程序分離，所有界面及界面控件的綁定關系等由頁面生成工具生成為XML文件。這個特點導致無論是頁面生成工具還是主程序都無法使用VS開發工具自帶的控件，為此需要在程序中自定義控件。HMI系統中常用且穩定的控件可直接放在程序的Crec.Elements程序集中，主程序通過引用該類庫調用這些控件，可能會修改的控件可以做成插件。插件的好處是比較靈活，修改插件不會影響主程序版本的穩定性。由功能可以看出頁面生成工具側重于外觀顯示；主程序是在XML文檔的基礎上重繪出外觀，同時為控件賦予特定的讀寫PLC的功能。圖3為系統中常用的控件。

圖3 自定義控件列表Fig.3 List of self-defined controls

3.2 組合實時顯示界面

盾構是定制性產品，每2臺盾構界面都是不同的，為便于管理采用了界面和主程序的分離。為了在不重新編譯的情況下修改這些設置，采用配置文件的形式設計。配置文件保存頁面元素屬性、數據綁定關系、報警文本映射表等信息。不同的項目有不同的配置文件，但是卻有相同的主程序。配置文件的好處還在于功能擴展為遠程監控時，可以用來集中監控，通過配置文件的不同來標定不同的盾構。

在寫好自定義控件之后，就會發現組合顯示界面十分簡單，其過程類似用組態軟件配置界面。在頁面生成工具中通過拖放自定義控件、設置控件屬性、設置綁定關系并經過一定的美工處理之后，界面生成成功。將界面上的控件屬性、綁定關系、界面布局等寫入界面XML文檔中。主程序讀取界面XML文件重繪界面，并增加讀寫OPC、定時存儲等功能之后，即可動態實時顯示盾構PLC的參數變化。系統的生成流程：頁面工具中拖放自定義控件，生成開發版界面—生成配置文件—配置文件導入主程序—主程序重繪界面—界面上實時顯示盾構參數。圖4為主程序中顯示的盾構主監控頁。

圖4 HMI主監控頁Fig.4 Main page of HMI system

3.3 報警界面、曲線圖、報表等統計分析界面

報警對于任何一種組態軟件都至關重要。有效的報警信息可以幫助工程施工人員及時地發現系統故障，對于預防危險、安全生產意義重大。最新產生的報警在框架上實時滾動更新，無論切換到哪個界面都能及時看到。圖5為報警界面。

曲線圖界面可直觀顯示數據的實時和歷史趨勢，通過對比分析某些變量的歷史曲線可以顯示施工狀況及分析故障原因等。其他統計分析界面如報表、歷史記錄等在此不再贅述。圖6為曲線圖界面。

3.4 界面的多語言切換

主程序中界面顯示均基于配置文件，可由頁面生成工具分別生成2套語言頁面配置文件，切換多語言顯示時分別讀取不同的配置文件。對于主程序中的錯誤提示語、確認提示語、報警等，需有專門的語言配置文件。圖7為英文版注漿界面。

需要多語言切換的程序代碼的編碼方式不能為默認，否則在語言環境不一致的電腦中不能運行。

4 歷史數據的存儲

鑒于歷史數據的讀寫不會出現多用戶并發、沒有復雜的范式規范，且安裝大規模數據庫軟件耗資源、效率低，所以本軟件沒有采用通用的數據庫存儲。本軟件自定義了一種歷史數據存儲類型，命名為sd文件。sd文件即可按照一定的存儲機制存儲實時數據、開關量數據及環累計數據等。存儲機制是實時數據按照高低精度存儲，即每0.1，1，10，60 s等存儲一次可選，亦可多選進行組合。即對特別重要的數據按0.1 s一次存儲，一般的按1 s一次存儲，不重要數據按60 s一次存儲。這種安排是為了節省磁盤空間和節省磁盤讀寫時間。開關量包括按鈕的寫入顯示信息及報警信息等，開關量在開關狀態變化時存儲。環累計量是環變量的一種，是盾構特有的一種數據形式，其按照一環存儲一次的原則進行保存。各種變量在sd文件中分有不同的區塊，當數據量達到區塊的最大值時，區塊應能自動擴展。歷史數據的存儲機制如圖8所示（高精度存儲是開的專門線程，不再專門列出）。

圖5 HMI系統報警界面Fig.5 Alarming page of HMI system

圖6 HMI系統曲線圖界面Fig.6 Curve page of HMI system

圖7 HMI系統英文注漿界面Fig.7 Grouting page of HMI system in English version

圖8 歷史數據的定時循環存儲機制Fig.8 Storage mechanism of historical data in timing loop

5 結論與討論

盾構HMI上位機軟件簡單實現了組態軟件的通用功能，用該軟件進行簡單組態后可實現監測控制盾構的主驅動、螺機、泡沫、注漿等各個系統。經過中鐵裝備百余臺盾構應用的驗證，各項功能如實時界面顯示、歷史數據存儲、數據統計分析等都滿足設計要求。由于該系統專注但不局限于盾構的數據監測和管理，經過適當修改可適用于其他基于PLC的控制系統，具有很好的推廣價值。

本系統是為了避免功能和價格上受制于成熟組態軟件而獨立開發的，故部分功能十分契合盾構監控要求。比如環累計量的顯示存儲等是盾構獨有的存儲方式。系統內部的控制模型、各種能形象化顯示的控件等較少，且部分功能為盾構定制，故通用性不夠，且存在以下問題：1）部分插件或者動畫效果未考慮工控機的實際情況，導致CPU或內存占用過高，縮短了工控機使用壽命，應進一步優化。2）對于盾構人機交互軟件的設計比較偏重功能實用性，對于界面美工部分稍有欠缺，還可根據需要進一步形象化處理。

（References）：

［1］ 周文波，胡珉.盾構隧道信息化施工智能管理系統設計及應用［J］.巖石力學與工程學報，2004（S2）：5122－5127.（ZHOUWenbo，HUMin.Designandapplicationof intelligent management system of digitalized construction in a shield-driven tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004（S2）：5122－5127.（in Chinese））

［2］ 沈立新.盾構實時遠程監控系統技術［J］.鐵道建筑技術，2010（8）：34－38.（SHEN Lixin.A real time vision system used for shield machine［J］.Railway Construction Technology，2010（8）：34－38.（in Chinese））

［3］ 高勇.基于WinCC盾構刀盤遠程監控系統設計［J］.計算機工程應用技術，2011（18）：4462－4464.（GAO Yong.Remote monitoring system designs based on the WinCC shield cutter［J］.Computer Knowledge and Technology，2011（18）：4462－4464.（in Chinese））

［4］ 李海濤，史愛松，孫更新.C＃3.0從基礎到項目實戰［M］.北京：化學出版社，2010：11－12.

［5］ 徐受天，蒲曉波.基于OPC的盾構地面數據采集和監視系統設計［J］.隧道建設，2009，29（6）：674－677.（XU Shoutian，PUXiaobo.Designofdataacquisitionand visualization system of shield machine based on OPC［J］.Tunnel Construction，2009，29（6）：674－677.（in Chinese））

［6］ 蒲曉波.西門子PLC在盾構控制系統檢測試驗臺的應用［J］.隧道建設，2009，29（1）：127－129.（PU Xiaobo.Application of Siemens PLC in test-bed for shield machine control system［J］.Tunnel Construction，2009，29（1）：127－129.（in Chinese））

［7］ 張學武.對盾構法地鐵隧道施工引起的地表變形探討［J］.建材與裝飾：下旬刊，2008（6）：307－309.

Development of HMI Configuration of Monitoring System of Shield Machine

TAN Shunhui，MENG Xiangbo，XU Shoutian，PU Xiaobo
（China Railway Engineering Equipment Co.，Ltd.，Zhengzhou 450016，Henan，China）

A kind of shield monitoring system is developed on basis of C＃self-developing mode under.NET framework，so as to realize the centralized monitoring，control，data storage，fault alarm，and multi-language interchange of each system of shield machine.In this article，the developing environment and the operating software and hardware environment of the monitoring system is presented briefly；then the monitoring system is discussed in respect of the OPC agreement between the bottom level and PLC，the multi-language interchange of the self-defined control，composite page，alarming page，curve page and grouting page，and data storage mode and visualized statistical analysis of the mass data.Conclusions drawn are as follows：1）It is demonstrated that the monitoring system developed is interface-friendly，stable and reliable and can meet the requirements of the shield machines；2）The Supervisory Control and Data Acquisition（Scada）used in the Human-Machine Interface（HMI）of the monitoring system of shield machines can be used in other industrial control systems after function developing.

shield machine；monitoring system；Human-Machine Interface（HMI）；Supervisory Control and Data Acquisition（Scada）

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.015

U 45

A

1672－741X（2014）04－0380－07

2013－09－06；

2013－11－10

譚順輝（1969—），男，廣西桂林人，1991年畢業于華東交通大學，設備工程與管理專業，本科，高級工程師，主要從事隧道設備設計及生產管理工作。