基于關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的港口控制系統(tǒng)設(shè)計

高小劍

中交機電工程局有限公司

1 引言

港口控制系統(tǒng)設(shè)備類型多、數(shù)量大，控制流程復(fù)雜，一個港口可能包含幾十個甚至上百個控制模式，一個設(shè)備可能參與在幾個甚至幾十個控制模式中。不同的模式下，同一設(shè)備控制邏輯極易交叉。采用完全枚舉法，極少的設(shè)備數(shù)量或控制模式改變，都會引起程序巨大的改變[1]。將關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)引入控制，用關(guān)系型數(shù)據(jù)模式字確認代替模式的解析過程，使模式解析和設(shè)備執(zhí)行分層進行，減少模式之間的邏輯交叉，增強程序的可擴展性和編程靈活性，在復(fù)雜控制系統(tǒng)中具有重要意義。

2 控制系統(tǒng)現(xiàn)場硬件設(shè)計

以港口皮帶機系統(tǒng)控制為例，為確保其有效性和穩(wěn)定性，同時兼顧項目成本投入，控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的分層結(jié)構(gòu)，分為中心級控制和現(xiàn)場級控制(見圖1)。

圖1 港口控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

中心級控制位于整個港口控制系統(tǒng)的核心，負責(zé)整個港口傳輸控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，將控制模式的選擇、執(zhí)行前的判斷、流程的控制命令根據(jù)現(xiàn)場實際連接有序地下發(fā)到各個分站控制器；同時接收各個分站的狀態(tài)信息，并通過與上位軟件的通信，將現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)備的實時狀態(tài)在上位界面上進行呈現(xiàn)[2]。

現(xiàn)場級控制中各分站負責(zé)收集本站周圍的皮帶機系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，接收中控的控制命令，并經(jīng)過邏輯運算，將最終的控制命令下發(fā)到控制區(qū)域內(nèi)的設(shè)備控制器中。在和中心級控制發(fā)生通信故障時，能夠按照預(yù)先設(shè)置好的程序，對區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進行有序的控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控制字的編碼

系統(tǒng)的主控制字用于對控制模式的快速選擇、下發(fā)前的快速的判斷，借助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)場控制單元的控制命令、位置信息、和運行狀態(tài)反饋信息、故障信息以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行編碼。

為了方便介紹，假設(shè)該系統(tǒng)包含8條皮帶機，3個三通，15個控制單體，將所有的設(shè)備按照順序，用1個位(bit)表示1個控制單體，用1個字(Word)型變量表示編碼系統(tǒng)所含設(shè)備的控制信息(見圖2)。

圖2 主控制字編碼示意圖

(1)主控制字(Main Control)編碼。主要負責(zé)將港口皮帶機控制系統(tǒng)所有皮帶機、三通閘門等與流程連鎖控制有關(guān)的控制單體進行編碼。1個控制單體用1個位(bit)編碼，如皮帶機參與該條流程控制，則對應(yīng)位置1。例如Main Control[0]=1，表明該BC01皮帶機參與該條流程的控制，否則，Main Control[0]=0，表明該BC01皮帶機在該條流程中不需要參與控制。

(2)位置字(Remote/Locel)編碼。對所有參與系統(tǒng)流程的單體設(shè)備的遠程或就地位置進行編碼，每個控制單元用1位(bit)表示。位置字為“1”，表示當(dāng)前該控制單元處于遠程狀態(tài)，可以通過上位機控制；否則，表示該控制單元處于就地狀態(tài)，不能參與流程控制。只有當(dāng)所有參與流程控制的單體都處在遠程位置時，該流程才具備執(zhí)行的先決條件。

(3)故障字(Fault)編碼。系統(tǒng)自動控制過程中，為了避免設(shè)備帶故障運行，需要將所有控制單體的綜合故障進行編碼，如果系統(tǒng)中有控制單體處于故障狀態(tài)，則不允許該流程被選中執(zhí)行。這里的故障指綜合故障，是所有能夠引起控制單體停機的故障的綜合體，例如皮帶機的拉繩禁停、重跑偏、撕裂開關(guān)、堵塞故障、開關(guān)柜故障、電機繞組及驅(qū)動軸溫度過高等可能引重大事故或者設(shè)備重大損害的故障。如果控制單體處于故障狀態(tài)，將在故障字中對應(yīng)的位(bit)置0，否則置1。

在執(zhí)行過程中，將設(shè)備的Remote/Local、Fault狀態(tài)時刻進行掃描，將設(shè)備反饋狀態(tài)實時的寫入Remote/Local、Fault狀態(tài)字，以上狀態(tài)字的編碼，可為流程下發(fā)執(zhí)行前的判斷做好準備。

3.2 輔助控制字的編碼

流程輔助控制字(Auxiliary)格式見圖3。根據(jù)主控制的排列順序，對每個控制可能具有的控制命令進行編碼，如BC01皮帶機有正轉(zhuǎn)控制、反轉(zhuǎn)控制、停止控制，則由輔助控制字Auxiliary[1]的第0、1、2共3個(bit)表示，“001、010、100”分別表示BC01正轉(zhuǎn)控制、反轉(zhuǎn)控制、停止控制3個控制命令。同理，電動三通ST01有2個導(dǎo)通方向，由輔助控制字Auxiliary[2]的第2、3共2個位(bit)表示，“01、10、00”分別表示ST01 A向?qū)ā⒎崔D(zhuǎn)控制、無需控制。這樣把所有控制單體按照主控制字的順序依次在Auxiliary[1]、Auxiliary[2]中排列編碼。某一條控制流程所包含控制單體的控制命令都存儲在Auxiliary[1]、Auxiliary[2]2個輔助字中。如果設(shè)備較多，可以多設(shè)置幾個字節(jié)，增加設(shè)備時，僅需將設(shè)備的控制特性排列在Spare區(qū)域即可，不需改變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和后續(xù)已有控制單體的執(zhí)行程序。

圖3 流程輔助控制字結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)字Running與Auxiliary相對應(yīng)，每一位為對應(yīng)設(shè)備的運行狀態(tài)，如BC01正轉(zhuǎn)運行時，將Running[1].0置1，這樣流程的執(zhí)行結(jié)果，均可以通過輔助控制字和執(zhí)行狀態(tài)字相同的邏輯表達實現(xiàn)，極大地降低了控制算法工作量，增加了程序的通用性和擴展性。

3.3 流程控制表的編制

流程控制表包含3個部分，流程索檢表、主控制字表、輔助控制字表。1組主控制字和輔助控制字組成1個流程的控制字組，稱為1條記錄，系統(tǒng)有多少控制流程就有多少條記錄。

根據(jù)工藝提供的要求，首先對所有流程進行編號，并將編號按照順序錄入控制程序的存儲區(qū)中，形成模式檢索表(見圖4)。為了增加控制系統(tǒng)的擴展性，在編制索檢表時要做好足夠的備用空間，在備用的區(qū)域Mode Num設(shè)為0，工藝增加控制流程時，只需將實際流程編號寫入對應(yīng)的索檢表中Mode Num值中即可。

圖4 模式檢索表

主控制字、輔助控制字與索檢表相對應(yīng)，在程序控制區(qū)中，分別為一個N×n1、N×n2矩陣，其中N為索檢表中記錄的個數(shù)，n1為每個主控制字中所占的字節(jié)數(shù)，n2為每個輔助控制字中所占的字節(jié)數(shù)。程序可以根據(jù)流程的索檢編號Index，根據(jù)線性對應(yīng)關(guān)系快速定位到流程主控制字和輔助控制字的開始地址，將主控制字和輔助控制字搜索出來。

需增加模式時，只用在流程索檢表加入流程編號，主控制字表、輔助控制字表中將對應(yīng)流程控制單體的編碼值填入即可，而不用修改具體設(shè)備的執(zhí)行程序，使得流程的增減及擴展更加靈活，增加了程序的擴展性和移植性。

3.4 流程執(zhí)行控制

系統(tǒng)的流程執(zhí)行控制流程見圖5。

圖5 系統(tǒng)流程執(zhí)行控制流程圖

3.4.1 流程下發(fā)前的判斷

以下判斷過程，對主控制字、遠程就地位置字、故障字的邏輯過程均以字為單位進行，實際流程占用幾個字節(jié)，就進行幾次判斷。為了說明的簡潔性，所有的判斷過程均按占用1個字節(jié)為例說明。

當(dāng)系統(tǒng)下發(fā)模式時，首先判斷當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，如果上一個模式還在執(zhí)行過程中，模式執(zhí)行標志位為1，則不能將新的模式下發(fā)，能夠避免2個模式存在設(shè)備交叉，要求設(shè)備執(zhí)行相反操作，給設(shè)備帶來巨大沖擊，以保護設(shè)備安全，提高設(shè)備使用壽命。

模式執(zhí)行中標志位為0且下發(fā)模式不等于已執(zhí)行成功的模式時，允許程序掃描檢索表，找到程序下發(fā)的模式，根據(jù)索引值Index在主控制表中檢索出下發(fā)模式的主控制字和輔助控制字，并在下發(fā)前完成以下判斷。

(1)判斷流程所包含的設(shè)備是否均處于遠程狀態(tài)，判斷方式見式(1)：

A=Main Control & Remote⊕Main Control

(1)

首先，對Main Control和Remote狀態(tài)字進行邏輯“與”操作，排除本流程外控制單體狀態(tài)對于本流程判斷的干擾，與本流程無關(guān)的控制單體將不會參與到后序邏輯運算。然后，將邏輯運算結(jié)果與Main Control控制字進行邏輯“異或”運算，如果A≠0，則說明本流程中至少有一個設(shè)備處于就地位置，不能遠程完成控制單元的控制，該流程不能執(zhí)行成功，程序拒絕流程下發(fā)執(zhí)行，同時會在上位機上顯示該流程無法下發(fā)，本流程中有控制單體未處于遠程狀態(tài)；如果計算結(jié)果A=0，則說明參與本流程執(zhí)行的所有設(shè)備均處在遠程位置，可以遠程啟動或者停止流程中所有控制單體。

(2)判斷模式中所選中的設(shè)備是否有的處于故障狀態(tài)，將Main Control和Fault狀態(tài)字進行邏輯“與”操作,見式(2)，排除與本條流程外的控制單體，如果流程包含的控制單體均正常，則B=0，可以下發(fā)該流程。

B=Main Control & Fault⊕Main Control

(2)

3.4.2 模式設(shè)備的執(zhí)行

經(jīng)過判斷，流程所涉及的控制單體均能遠程控制、狀態(tài)良好，且沒有被占用，符合流程下發(fā)的條件。程序根據(jù)索檢編號Index流程記錄的線性對應(yīng)關(guān)系。快速定位到流程主控制及輔助控制字的開始地址，把主控字和輔助控制字搜索出來下發(fā)到程序的執(zhí)行區(qū)中，同時將選中設(shè)備的執(zhí)行結(jié)果實時更新到運行狀態(tài)字Running中，參與模式執(zhí)行結(jié)果的判斷。

3.5 模式執(zhí)行成功與否判斷

根據(jù)流程輔助控制字中的控制目標狀態(tài)和運行狀態(tài)字的實際執(zhí)行結(jié)果，通過式(3)邏輯運算，判斷模式執(zhí)行成功與否。

C=Auxiliary & Running⊕Auxiliary

(3)

在設(shè)定的流程執(zhí)行時間內(nèi)，C=0，則該模式包含的全部設(shè)備均達到了流程期望達到的狀態(tài)，模式執(zhí)行成功；否則，超出了模式執(zhí)行時間，或者有控制單體沒有達到預(yù)定的動作，程序判斷流程執(zhí)行失敗。

4 結(jié)語

將關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)引入港口復(fù)雜的流程控制中，用流程記錄代替?zhèn)鹘y(tǒng)完全枚舉法執(zhí)行過程的復(fù)雜邏輯關(guān)系，實現(xiàn)流程解析和設(shè)備運行的分層和相對獨立控制，減少程序控制過程中的邏輯交叉，使程序控制變的簡單，實現(xiàn)過程更加靈活，易于擴展和移植。此方案已在多個工程實踐中使用，操作簡單，運行穩(wěn)定可靠，具有一定的推廣價值。