大規模運行試驗監控系統研制

戴思丹，劉 彬，孫 睿，李 蕃

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

0 引言

新型設備的研制需要開展整機的運行測試試驗，用于設備的指標考核、性能驗證。就大規模的設備運行測試系統而言，涉及的運行設備多、結構復雜，被考核設備發生指標異常時，需要記錄故障數據、并對整個測試系統做出調整。監控系統作為試驗的重要組成部分，對于獲取寶貴數據，保障被考核設備的長期穩定運行起到至關重要的作用，需要具備極高的準確度和響應速度，同時，長期地不間斷運行對于監控系統的穩定性、可靠性亦有極高的要求。文章就某設備試驗監控系統的實際研制情況，從總體架構、軟硬件設計、數據接口設計、數據分析及存儲設計、人機交互等方面進行了闡述。整個監控系統基于Rockwell自動化產品研制，上層管理層采用CS架構設計，現場站控制層由工控一體機和PLC組成，底層設備層由各檢測裝置、儀表、執行部件組成。監控系統具備較強的穩定性、可靠性。

1 系統總體結構設計

大規模設備運行試驗監控系統結構如圖1所示。整個監控系統的主體網絡架構基于光纖以太環網構建，下設數條CAN總線和485串行總線，局部控制室采用標準以太網與光纖以太環網進行數據交換。監控系統按照功能劃分為上層管理層、現場站控制層和底層設備層。其中上層管理層由構建系統整體工程的冗余畫面服務器，用于存儲數據的冗余數據服務器，多臺人機交互客戶端，報表輸出打印機，報警信息輸出打印機，負責整個監控系統的狀態顯示、數據存儲、報警輸出、人機交互等，采用CS架構實現。在服務器中部署基于FactoryTalk View SE研發的監控軟件和FactoryTalk Historian數據庫。

圖1 監控系統結構圖

現場站控制層，由工控一體機和PLC組成，與底層設備層之間通過CAN總線、RS485總線、干節點信號、模擬量信號等方式連接。負責采集各子系統的各項運行參數，經過分析運算后，控制子系統內的被控設備。根據系統規模不同可設立多套現場站。現場站之間通過工業以太網通信。該系統共設置了9套現場站。

底層設備層負責各項運行參數的檢測，各種泵體、閥門、供電電源的直接控制等。包括用于檢測設備運轉頻率的專用檢測裝置，壓力、溫度、流量等參數檢測儀表，閥門控制器，泵體控制器，供電電源等。其中專用檢測裝置將檢測的運行參數數據通過CAN總線的方式傳輸到現場站控制層中的工控一體機，泵體、閥門通過繼電器輸出和485總線控制兩種方式分別接入現場站控制層中的PLC和工控一體機。

2 系統構建及關鍵技術

2.1 系統工程構建

整個監控系統主體基于Rockwell自動化產品進行構建，由PLC完成常規工藝參數的采集和控制，軟件部分包括系統工程軟件FactoryTalk View SE，數據庫軟件FactoryTalk Historian。PLC設備采用RSlogix 5000系列的CPU和各種輸入輸出模塊，大規模設備的運行參數由非標的專用檢測裝置實現，數據接口由自研的OPC服務器程序來完成[1-6]。

整個監控系統的軟件工程結構如圖2所示。上層管理層環節，在數據服務器1和數據服務器2中部署FactoryTalk Historian，構建冗余數據庫，用以數據的存儲。在畫面服務器1和畫面服務器2中部署FactoryTalk View SE，分別作100畫面的工程授權，建立Network系統工程，并配置冗余。設立一臺客戶端作為目錄服務器，用于區分指向網絡中的Network系統工程。在客戶端中配置FactoryTalk View SE Client通過目錄服務器的指向信息，運行Network系統。

圖2 軟件工程結構圖

現場站控制層環節，在現場站的工控一體機上部署FactoryTalk View SE，作本地的15畫面授權，建立本地軟件工程，對就地的PLC實現參數采集和設備控制。部署開發的OPC接口程序，用以實現對專用檢測裝置和部分閥門儀表的讀寫控制。

整個監控系統工程的構建思路是上層的管理層，由服務器和客戶端組成，具有所有設備、參數的遠程監視及控制權限，各客戶端監測控制功能一致，但可顯示不同的監測參數界面。現場站則是具備本工作區域內設備參數的監測和控制，可在現場站進行就地和遠程的控制模式切換，就地控制模式優先級最高。

2.2 專用檢測裝置研制

監控系統中被考核設備的核心運行參數檢測需要一種非標的專用檢測裝置，采用分布式的形式部署在設備運行現場，以總線的方式進行串聯。每臺專用檢測裝置可以完成多臺被考核設備的頻率和幅值參數檢測，并通過CAN總線的方式進行數據上傳。檢測裝置的研制關鍵是確保參數測量準確、快速，數據傳輸穩定。

檢測裝置整體的硬件如圖3所示。采用DSP作為核心處理單元，通過外擴高速AD采集芯片實現信號的采集，輸入信號依次通過模擬開關、量程變換送至A/D，DSP對采集的數據進行頻譜分析以及一系列計算得出頻率、幅值參數。這些數據通過CAN通訊傳輸到遠程上位機進行進一步的顯示、分析及存檔。

圖3 裝置的整體的硬件框圖

為了提高頻率的測量精度，檢測裝置另外添加了用于測量頻率的電路。信號通過模擬開關之后，會同時傳送給分支電路，該電路利用比較器將信號轉換為同頻率的方波，送至DSP的ECAP端口，直接測量其頻率，結合150 MHz主頻的DSP，保證了被測參數的測量精度，高速的CAN總線保證了整個監控系統關鍵參數1 s的數據刷新周期。

2.3 現場站數據接口設計

現場站控制層與下層設備層的數據接口由兩部分構成，一部分是通過以太網與PLC直連進行數據交互，以此檢測控制泵體閥門等設備；一部分是通過OPC服務器同非標的專用檢測裝置以及標準的485總線接口的閥門控制器等進行數據交互[7-10]。現場站工控一體機中的CAN通訊卡負責接收該機組中數十個專用檢測裝置的數據，485串口卡負責485總線設備。然后通過OPC服務器將數據發送到本地軟件工程和上層管理層。

OPC是一種基于微軟的com/dcom技術來達成自動化控制的協定，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業自動化系統。作為一種軟件之間交換數據的標準，OPC為不同測控系統間建立了數據交換的橋梁。現場站數據接口如圖4所示。

圖4 現場站數據接口示意圖

OPC服務器是數據的提供方，負責為客戶端提供所需的數據；OPC客戶端是數據的使用方，負責從OPC服務器獲取數據并進行處理。OPC服務器的設計采用OPC開發包進行開發，節省時間且開發較為容易。程序采用C#編寫，采用多線程設計，同時優化了命令的發送方式，解決了項目開發過程中遇到的延時、占用系統資源的問題。

圖5為OPC服務器軟件的基本流程圖，OPC服務器首先創建一個將要使用的目錄并為此服務器進行注冊，在注冊的過程中，OPC服務器將自身注冊到組件目錄管理器中，這樣OPC客戶通過查詢組件目錄管理器，來獲取已注冊的OPC服務器的CLSID。注冊完成后，啟動OPC服務器，并添加OPC變量，包括寫入變量、讀取變量。OPC服務器包含讀/寫操作兩部分，寫操作將統一為標準OPC格式的檢測數據共享給SE客戶端，用于顯示、存儲和查詢使用，并刷新變量保證數據的實時性；讀操作接收SE的按鈕指令，用以觸發給下位檢測裝置和閥門的參數測量、開關等命令。

圖5 OPC服務器軟件流程圖

2.4 數據存儲與查詢設計

運行試驗開展過程中，分析各項參數的變化情況對于判定被考核設備的運行狀態以及故障模式具有重要意義，尤其在發生異常時，對于歷史數據的追溯尤為重要。因此監控系統設計過程中就更加注重數據存儲的可靠性、穩定性，以及數據查詢的交互友好性。

監控系統采用建立冗余數據庫的方式進行設計，配置Raid模式的兩臺服務器數據庫的硬件載體，數據庫軟件采用Historian，各現場站工控一體機作為信號的輸入源和Historian的節點。數據的流向是Historian的節點將數據采集到，再同時將數據傳到服務器間的Historian的主從服務器中。當主服務器發生故障時，從服務器開始工作。當服務器發生故障時，節點處會將服務器無法接收的數據進行緩存，待服務器恢復正常后，緩存的數據會立刻被該服務器接收，從而保障數據的連續性。

為保證數據存儲的詳盡程度，采用3 s的存儲周期，存儲數據過濾斜率為0，即無數據過濾存儲。

數據查詢設計過程中，AB提供了原有的數據查詢客戶端軟件，但所有操作針對于變量名，無法做到分類分間隔，數據導出的格式也需要重新整理，交互友好程度較差，不能滿足系統快速、分類的查詢要求。因此設計了調用查詢程序，定制開發分類檢索功能，直接對數據庫數據進行操作。程序采用VB編程的方式實現，以腳本的形式嵌入到SE工程中，通過按鈕調用。操作人員通過按鈕選定要查詢的參數和時間段后，點擊查詢按鈕可進行歷史數據顯示，然后通過Excel輸出按鈕可實現被查數據到Excel的輸出。

以下為使用VB腳本連接AB數據庫的程序代碼，其中servername為數據庫建立時的名字。

Set CN = CreateObject(”ADODB.Connection”)

Strcn =”Provider = PIOLEDB.1; Data Soure = servername; Integrated Security = SSPI”

CN.ConnectionString = strcn

CN.Open

建立數據庫的連接后，需要在腳本中添加所有需要查詢的變量名稱，并通過語句建立變量名稱通數據庫中變量名稱的關聯。此時可以根據變量的類型在查詢界面的設計過程中進行分類處理，提升查詢功能的友好性。

2.5 數據統計計算

監控系統中需要涉及成千上萬個變量的報警分析和統計計算，常規的監控系統設計方案是將這些參數計算放到SE的系統工程中，利用腳本程序實現，采用該方案的實際測試結果并不理想，表現在腳本程序的運行嚴重影響界面數據的實時刷新速度，造成了界面切換卡頓、報警遲滯。腳本程序雖然處理靈活，但在執行效率上存在先天的短板。

為了解決該問題，在監控系統設計過程中，將這些大數據量的計算分析放在了PLC中進行。SE本身具有一項“衍生TAG”的功能，可以把上層的SE功能獲取的各種數據，通過軟件底層數據傳遞功能塊傳遞給到指定變量，實現數據的衍生。在現場站的SE工程中啟動衍生TAG功能，將通過OPC服務器數據接口上傳的需要計算的數據，衍生下發到本現場站的PLC中，在PLC中進行數據的報警屏蔽執行、分析計算等處理。上層SE功能直接調取處理結果。這種處理方式利用了PLC運算速度快、穩定的特點，不僅有效避免了腳本運行由于效率低占用大量時間，而且由于現場站中OPC服務器不再需要向這個網絡上的其他OPC Client提供數據，減小了環網中的數據吞吐量，從而降低了網絡通訊負擔，提高了整體監控系統的運行實時性和可靠性。

圖6為運行數據的中轉流程示意圖。多臺參數檢測裝置中的數據通過OPC Server和FactoryTalk View SE兩層中轉，傳遞到PLC的CPU中。該數據處理的方式保證了監控系統整體數據刷新周期1 s，報警時延低于2 s。

圖6 運行數據中轉流程示意圖

2.6 系統報表功能設計

試驗過程中，為了掌握某一時刻整個試驗系統的運行狀態，會將某些特定的重要參數和分析結果匯總到一張或數張表格上，形成運行狀態報表。監控系統設計了定時打印輸出和人工打印輸出兩種操作方式，在打印輸出的同時增加了電子表格的存儲功能，以Excel表格的形式按照日期命名規則進行存儲。報表的實現采用在SE工程中繪制報表參數界面，以打印當前屏幕畫面的指令實現打印。電子報表的實現，通過繪制Excel的報表固定格式，在點擊打印報表按鈕的同時執行數據寫入Excel指令，并按照日期命名規則給當前文件命名存儲[11]。

定時打印的實現通過編寫腳本程序完成，檢測系統時間滿足特定條件后，給中間變量賦值，執行打印報表指令。

3 實驗結果分析

3.1 實驗步驟及方法

監控系統涉及的點數規模大，反映到界面、報警、報表、數據統計、報表存儲、報警打印、數據變換等各個環節中的變量數量會十幾倍增加，為了驗證監控系統的各項功能及技術指標，需要開展一系列的實驗測試驗證。監控系統的準確穩定是開展整個新型設備運行系統啟動運行工作的必要前提。實驗測試步驟及方法如下：

1)開展監控系統靜態環境實驗測試，內容包括系統功能測試、安全性測試、穩定性測試。

(1)系統功能測試，包括參數顯示功能(數據準確度、重復度、穩定性)、系統報警功能(聲光報警輸出、上下限調整、參數報警屏蔽、報警記錄、報警查詢)、閥門連鎖控制功能(開關動作、開關精度、連鎖保護、遠程本地權限)、數據記錄功能(存儲周期、存儲準確度、存儲連續性、數據量大寫)、數據查詢功能(準確度、查詢時間長短、響應時間)、報表功能(數據準確度、紙質與電子版一致性、表格內容格式)、中控客戶端與現場站功能一致性等內容。使用過程信號校驗儀、函數信號發生器等A類檢測設備進行逐點效驗，確保監控系統的每一點的檢測準確度。

(2)安全性測試，針對操作人員權限、系統外設管理等內容進行測試。測試各操作許可、密碼權限、外設接口密碼、操作系統安全配置是否功能正常。

(3)穩定性測試，針對監控系統的長期運行情況進行測試，包括系統運行狀態和數據傳輸穩定性。在監控系統正常狀態下連續運行168 h，并在期間不定期進行全功能操作，觀察系統運行情況，監測各總線上的丟幀率，每條CAN總線上的丟幀率應為0。

2)開展被測設備運行系統整體的試啟動運行測試實驗。各子系統按正式工況運行，被測設備無負載運行，測試監控系統各功能指標。

3.2 實驗結果

經過兩輪測試，監控系統各功能指標和技術指標正常穩定，報警延時1 s，數據刷新周期1 s，數據存儲間隔3 s，數據庫每24小時產生700 M數據，各閥門控制及連鎖功能正常穩定，CAN總線丟幀率為0，現場站與上層客戶端數據刷新無延時，滿足啟動運行條件。

4 結束語

文章通過對某設備運行試驗監控系統的架構設計、專用檢測裝置研制、數據接口設計、數據存儲與查詢設計等內容的闡述，介紹了基于Rockwell自動化產品構建大規模考核試驗監控系統的關鍵技術，該監控系統除了實現顯示、控制、分析、報警、存儲、查詢等功能外，實時性、穩定性好，人機交互友好程度高，為新型設備的研制及試驗提供了可靠保障。同時也為其它大規模運行監測系統的設計提供了借鑒。