脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置監(jiān)控軟件系統(tǒng)的研制

施江濤,韓小濤,謝劍峰

(華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心(籌),武漢 430074)

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置監(jiān)控軟件系統(tǒng)的研制

施江濤,韓小濤,謝劍峰

(華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心(籌),武漢 430074)

針對(duì)現(xiàn)有脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的監(jiān)控系統(tǒng)操作繁瑣、交互性差等問(wèn)題,研制了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置監(jiān)控軟件系統(tǒng),從監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)、監(jiān)控內(nèi)部通信采用TCP和UDP混合協(xié)議,控制軟件與裝置的通信采用TCP、OPC技術(shù),界面設(shè)計(jì)采用Flash開發(fā)程序等方面分析關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制功能,應(yīng)用效果良好,為強(qiáng)磁場(chǎng)下的科學(xué)研究提供了良好的操作平臺(tái)。

監(jiān)控軟件;TCP;UDP;Flash;脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)

0 引 言

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置為物理、材料、化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供了重要研究平臺(tái)。武漢強(qiáng)磁場(chǎng)中心目前已建成大型脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置將提供50～80T的長(zhǎng)脈沖、短脈沖、長(zhǎng)短脈沖等各類磁場(chǎng),成為世界上四大脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心之一[1-2]。已有強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)主要采用現(xiàn)場(chǎng)硬件操作,不同的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置不同的控制子系統(tǒng),操作繁瑣,交互性差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)統(tǒng)一的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)既可以保障人員和設(shè)備安全,也可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作,減少人為操作失誤。該文設(shè)計(jì)和研發(fā)了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的監(jiān)控軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電源模塊和所有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一遠(yuǎn)程控制,軟件系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)通信的分布式架構(gòu),實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)視和安全可靠控制。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括本地控制子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件系統(tǒng)、觸發(fā)裝置等。每個(gè)電源模塊/實(shí)驗(yàn)站均根據(jù)功能需求配置一套本地控制子系統(tǒng)。本地控制子系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集控制設(shè)備組成,負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)/模擬量信號(hào)、實(shí)驗(yàn)波形

數(shù)據(jù)等,接收和執(zhí)行監(jiān)控軟件的控制命令,完成控制操作。為了提高系統(tǒng)可靠性,本地控制子系統(tǒng)還需完成一定的控制邏輯,檢測(cè)本單元的故障,以便迅速切除故障,并將信息反饋給監(jiān)控軟件,通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)各模塊之間的連鎖保護(hù)。

監(jiān)控軟件系統(tǒng)布置在中央控制室的計(jì)算機(jī)上,包括服務(wù)器、客戶端、工程師站,是脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的唯一操作平臺(tái),起著至關(guān)重要的作用,它需要給用戶提供一個(gè)友好的操作界面,協(xié)調(diào)好各個(gè)模塊的工作,控制整個(gè)裝置的實(shí)驗(yàn)流程。觸發(fā)裝置接收監(jiān)控軟件的命令產(chǎn)生脈沖時(shí)序,以毫秒級(jí)時(shí)序觸發(fā)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備按設(shè)定的時(shí)序進(jìn)行工作。

2 監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)監(jiān)控軟件系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)選擇以太網(wǎng)。在硬件上,中央控制室與各電源/實(shí)驗(yàn)站之間采用光纖連接,通過(guò)光信號(hào)隔離強(qiáng)電以保障安全。同時(shí)以太網(wǎng)通信技術(shù)為軟件系統(tǒng)的靈活性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),使得軟件系統(tǒng)開發(fā)可以采用更靈活的架構(gòu)、開放式的通信方式。

2.1 監(jiān)控軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)開發(fā),分成三個(gè)部分:配置端、服務(wù)器、客戶端,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。客戶端和服務(wù)器既可以運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上,也可以運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。這種架構(gòu)下,可以配置多個(gè)客戶端,實(shí)現(xiàn)多用戶的操作。

圖1 監(jiān)控軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配置端程序配置系統(tǒng)的各個(gè)硬件設(shè)備信息,設(shè)定各種硬件參數(shù)以及用戶權(quán)限的管理,為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。配置信息包括。

a.完成各類信息的配置,如電源參數(shù)、磁體信息、用戶信息、用戶權(quán)限、監(jiān)控設(shè)備地址等。

b.配置磁體連接關(guān)系,使得磁體可以關(guān)聯(lián)任意磁體間,并接入需要的分接器,完成系統(tǒng)放電電流結(jié)構(gòu)的配置。

服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的核心,與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)通信,獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài);接收客戶端的控制命令,對(duì)命令進(jìn)行校驗(yàn)并下發(fā)到監(jiān)控設(shè)備,從而完成實(shí)驗(yàn)流程控制;協(xié)調(diào)不同客戶端實(shí)驗(yàn)時(shí)的資源互鎖。監(jiān)控服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取系統(tǒng)配置信息,并將系統(tǒng)運(yùn)行記錄保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4) 為保障施工質(zhì)量和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，確保鋼拱架受壓變形可控，還需進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，施工監(jiān)測(cè)每天不得少于1次，在拱架變形嚴(yán)重、圍巖過(guò)渡段、注漿前后等特殊時(shí)期每日檢測(cè)不得少于2次。

客戶端程序是功能實(shí)現(xiàn)的主要載體,為客戶提供友好的用戶接口和操作平臺(tái),完成實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的管理、根據(jù)用戶的需求完成實(shí)驗(yàn)方案的制定、設(shè)備調(diào)試、以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢顯示。用戶的操作請(qǐng)求被客戶端發(fā)送到服務(wù)器,服務(wù)器經(jīng)過(guò)處理后將處理結(jié)果送回客戶端。為了簡(jiǎn)化服務(wù)器的處理,客戶端直接從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器獲取系統(tǒng)配置信息和統(tǒng)計(jì)查詢數(shù)據(jù)。

2.2 基于TCP和UDP混合協(xié)議的監(jiān)控內(nèi)部通信

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的客戶端和服務(wù)器之間的通信數(shù)據(jù)可以大致分為廣播數(shù)據(jù)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù),根據(jù)不同數(shù)據(jù)對(duì)可靠性的要求,文中所設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用TCP和UDP結(jié)合的混合通信協(xié)議,既可減少系統(tǒng)資源消耗,又可保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

a.廣播數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)主要是實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),比如現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)/繼電器的位置、電容器當(dāng)前電壓值、控制設(shè)備的故障狀態(tài)等,此類信息需要發(fā)送給所有客戶端,用于刷新用戶界面,進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,一般由服務(wù)器以0.5s為周期循環(huán)向所有客戶端發(fā)送,客戶端不需要應(yīng)答,只需單向通信。對(duì)于廣播數(shù)據(jù),采用UDP協(xié)議,只使用一個(gè)端口進(jìn)行廣播或者組播發(fā)送,不用針對(duì)每個(gè)客戶端建立獨(dú)立的連接,可以減少系統(tǒng)資源消耗。盡管UDP不是可靠連接,有丟包的可能性,但目前以太網(wǎng)設(shè)備處理能力越來(lái)越強(qiáng),丟包的概率很小。即使丟包,也只是客戶端延遲一個(gè)周期接收到數(shù)據(jù)。

b.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)。主要是操作命令及響應(yīng)數(shù)據(jù),比如客戶端發(fā)出調(diào)試命令、實(shí)驗(yàn)操作命令以及服務(wù)器處理客戶端命令后的響應(yīng)報(bào)文,以及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中產(chǎn)生的各類實(shí)驗(yàn)消息記錄、實(shí)驗(yàn)波形。這些數(shù)據(jù)在當(dāng)前操作客戶端和服務(wù)器之間進(jìn)行傳輸,而與其他客戶端無(wú)關(guān)。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù),必須可靠傳輸并且響應(yīng)速度快,如果數(shù)據(jù)丟

失,客戶端的操作應(yīng)答沒(méi)有響應(yīng),可能導(dǎo)致客戶端無(wú)法進(jìn)行后續(xù)操作。所以采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信,服務(wù)器程序作為TCP的服務(wù)端,開啟TCP連接偵聽,客戶端程序啟動(dòng)后進(jìn)行TCP連接,在客戶端運(yùn)行過(guò)程中一直保持連接狀態(tài)。

2.3 控制軟件與裝置的通信設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制設(shè)備均用以太網(wǎng)方式接入監(jiān)控軟件系統(tǒng),但系統(tǒng)中存在3類不同的設(shè)備,不同的設(shè)備采用不同的方式接入監(jiān)控軟件系統(tǒng):

b.只有串口的自制設(shè)備,采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再接入以太網(wǎng);

c.自帶網(wǎng)口的西門子S7-300系列PLC設(shè)備。

針對(duì)前2種設(shè)備,制定了“一問(wèn)一答”的應(yīng)用層通信協(xié)議,然后經(jīng)TCP協(xié)議封裝后進(jìn)行通信。監(jiān)控程序只需利用Socket編程即可實(shí)現(xiàn)與這些設(shè)備的通信,這樣既利用了網(wǎng)絡(luò)通信的開放性,又可保證采用串口通信的設(shè)備通信可靠性[3]。

西門子S7-300系列PLC設(shè)備被用于電源模塊的本地監(jiān)控單元。采用PLC的好處是可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、功能強(qiáng),而且編程方便靈活,可以大大提高開發(fā)速度。監(jiān)控軟件并不直接和PLC通信,而是通過(guò)OPC接口訪問(wèn)PLC的數(shù)據(jù)[4]。監(jiān)控程序通過(guò)OPC接口函數(shù)Read讀取OPC服務(wù)器上的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)刷新;通過(guò)Write函數(shù)寫OPC服務(wù)器上的數(shù)據(jù)向PLC發(fā)送控制指令,PLC接收到指令后則通過(guò)邏輯處理實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合控制、實(shí)驗(yàn)流程控制等功能。

2.4 控制軟件的界面設(shè)計(jì)

在監(jiān)控軟件系統(tǒng)中,系統(tǒng)狀態(tài)圖、電源模塊狀態(tài)圖、實(shí)驗(yàn)步驟狀態(tài)圖、實(shí)驗(yàn)室布局圖等均采用Flash動(dòng)畫進(jìn)行顯示。每個(gè)Flash動(dòng)畫中包含一些基本的元件,用來(lái)表示一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。每個(gè)元件通常包含多個(gè)幀,每幀顯示設(shè)備的一種狀態(tài)。如開關(guān)元件用于顯示開關(guān)的狀態(tài),該元件內(nèi)包含3個(gè)幀,分別對(duì)應(yīng)開關(guān)的斷開、閉合和異常狀態(tài),在Flash中只需切換幀的顯示即可顯示開關(guān)的不同狀態(tài)。Flash主畫面通常只有一幀,用ActionS-cript3.0語(yǔ)言編寫對(duì)外訪問(wèn)接口。如:提供接口SwitchSts實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)顯示。若被外部程序調(diào)用,接口函數(shù)首先須在初始化腳本中調(diào)用ExternalInterface.addCallback進(jìn)行注冊(cè)。

監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用VC#開發(fā),可以和Flash實(shí)現(xiàn)雙向交互,其交互原理如圖2所示:

圖2 VC#和Flash交互原理

通過(guò)VC#控制Flash,首先需在VC#工程中添加動(dòng)態(tài)庫(kù)的引用,將AxShockwaveFlash控件添加到界面上,該控件作為容器顯示Flash動(dòng)畫,然后通過(guò)調(diào)用控件的LoadMovie和Play函數(shù)加載Flash文件并播放動(dòng)畫。對(duì)于Flash中的接口函數(shù),VC#通過(guò)Flash.External.ExternalInterfaceProxy類作為代理并通過(guò)call函數(shù)進(jìn)行訪問(wèn),以達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示的效果。

在Flash動(dòng)畫中也可以觸發(fā)VC#的事件實(shí)現(xiàn)雙向交互。當(dāng)Flash中調(diào)用ExternalInterface. call時(shí),可以觸發(fā)VC#中Flash控件產(chǎn)生事件; VC#中則通過(guò)為AxShockwaveFlash控件添加ExternalInterfaceCall事件處理函數(shù)響應(yīng)Flash中用戶的指令。利用Flash技術(shù)設(shè)計(jì)的客戶端主界面如圖3所示,圖中電源結(jié)構(gòu)圖①、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖②和實(shí)驗(yàn)流程狀態(tài)指示圖③均用Flash開發(fā),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能顯示開關(guān)狀態(tài)、電壓值的變化,以信號(hào)燈的形式顯示實(shí)驗(yàn)的當(dāng)前狀態(tài)。

圖3 監(jiān)控軟件客戶端主界面

3 應(yīng)用情況及效果

以上所研制的監(jiān)控軟件系統(tǒng)已經(jīng)于2014年正式投入使用,在中央控制室部署了1臺(tái)服務(wù)器,4臺(tái)客戶端,1個(gè)工程師站。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)13套電容器電源模塊、8個(gè)實(shí)驗(yàn)站子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制,主要包括以下功能:

a.狀態(tài)監(jiān)視:實(shí)時(shí)監(jiān)視開關(guān)的狀態(tài)、測(cè)量值、現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)刷新頻率為1s;

b.實(shí)驗(yàn)方案管理:操作人員可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要預(yù)先配置使用的實(shí)驗(yàn)站、電源模塊以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)等,形成實(shí)驗(yàn)方案,方便多次實(shí)驗(yàn)時(shí)使用;

c.實(shí)驗(yàn)流程控制:實(shí)現(xiàn)充電、放電、泄能、急停等實(shí)驗(yàn)操作功能,系統(tǒng)自動(dòng)順序完成各操作功能的內(nèi)部流程;

d.調(diào)試功能:提供對(duì)各類開關(guān)、觸發(fā)信號(hào)、警示信號(hào)等等的調(diào)試手段;

e.安全閉鎖功能:實(shí)現(xiàn)多種安全手段和閉鎖功能,保障設(shè)備和人員安全,例如設(shè)備不正常閉鎖實(shí)驗(yàn)、前置操作不完成不允許后續(xù)操作、多用戶實(shí)驗(yàn)互鎖等。

該系統(tǒng)還記錄了詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù),具有完善的統(tǒng)計(jì)查詢功能,可以按時(shí)間、操作人、狀態(tài)、電壓等級(jí)等條件查詢實(shí)驗(yàn)信息、電源和磁體的使用情況,同時(shí)可以按不同的條件進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。截止2015年12月,利用該監(jiān)控軟件系統(tǒng),進(jìn)行各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)18 950次,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用了C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)分布式處理和多用戶操作,使用靈活。在通信方式的選擇上,采用TCP和UDP結(jié)合的混合通信協(xié)議,該方式保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?同時(shí)降低了系統(tǒng)資源的消耗。系統(tǒng)界面采用Flash技術(shù),實(shí)現(xiàn)了操作界面的矢量化顯示,有效提高了人機(jī)交互性。通過(guò)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)監(jiān)控軟件的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)視和安全可靠控制,為強(qiáng)磁場(chǎng)下的科學(xué)研究提供了良好的操作平臺(tái)。

[1] Li Liang,Peng Tao,Han Xiaotao,et al.Magnet development program at the WHMFC[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.,2012,22(3):4300304

[2] Li Liang,Lv Yiliang,Ding Hongfa,et al.Short and long pulse high magnetic field facility at the Wuhan National High Magnetic Field Center[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.,2014,24(3):9500404

[3] 施江濤,黃瀾濤,謝劍鋒,等.脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(7):49 51,61.

[4] 韓小濤,孫文文,謝劍鋒,等.基于OPC技術(shù)的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010 (6):97-100.

本文責(zé)任編輯:谷麗娜

Design and Realization of Control and Monitoring Software of Pulsed High Magnetic Field Facility

Shi Jiangtao,Han Xiaotao,Xie Jianfeng
(Wuhan National High Magnetic Field Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In the traditional control systems for the pulsed high magnetic field facility,the operation is complicated and the user needs to operate in field.To approve the convenience of the operation,a control and monitoring software system was designed and developed for the pulsed high magnetic field facility.The system is based on Client/Server architecture.The combination of TCP and UDP is applied in the communication between the different parts of the system,and such open communication technologies as TCP and OPC are used in the communications between the system and the field devices.The user interface is developed base on Flash.The control and monitoring software system implements remote monitoring and control to pulsed high magnetic field facility and has been put into use.It works well and provides a good operation platform for the scientific research under the pulsed magnetic field.

control and monitoring software;TCP;UDP;Flash;pulsed high magnetic field

TM83

B

1001-9898(2016)04-0018-03

2016-03-01

施江濤(1975-),男,工程師,主要從事電磁測(cè)量及檢測(cè)技術(shù)、電力系統(tǒng)信息及其自動(dòng)化技術(shù)的研究。