試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計與開發(fā)

肖 歐

（核工業(yè)理化工程研究院，天津300180）

1 關鍵技術及難點分析

隨著旋轉機械研究的不斷深入，機型不斷擴充，試驗量逐年增加，傳統(tǒng)的試驗信息記錄方式已無法滿足現(xiàn)有需求，同時，大量的試驗信息也無法得到有效管理、利用和深度挖掘，因此，需要建立相應數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，但由于記錄的試驗信息范圍相對較廣，且來自不同采集設備，同時，以往尚無相關設計經驗，因此，該系統(tǒng)設計中遇到一定的難度，主要表現(xiàn)在以下幾點：

（1）如何保證存儲數(shù)據(jù)完整性：轉子信息、裝配信息、監(jiān)測信息都需采集、記錄和保存以供后期查詢和統(tǒng)計分析，所以，這些采集的信息非常重要，如何保證采集的數(shù)據(jù)不會因服務器的突發(fā)故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失成為一個難點。

（2）數(shù)據(jù)通信設計：由于存儲信息采集設備開發(fā)商不同、規(guī)范標準不同，數(shù)據(jù)結構不同會引起軟件之間數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)轉換的問題，如何對軟件數(shù)據(jù)通信進行合理化設計使軟件程序能夠在用戶使用時迅速做出響應，實現(xiàn)不同類型軟件之間的交互和共享成為一大難點。

（3）數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)如何顯示和查詢：存儲數(shù)據(jù)的需通過手動輸入至數(shù)據(jù)庫軟件中，查詢時需通過輸入相應查詢命令獲得數(shù)據(jù)并顯示，這種方式不便于數(shù)據(jù)的存儲、查詢和顯示，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動存儲并能夠直接顯示及按一定條件進行查詢成為一大難點。

2 總體設計方案

2.1 系統(tǒng)方案設計

旋轉機械機電一體化數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用“工控機+PLC+SQL”的組合方式，并采用了雙冗余控制方案，如圖1所示。工控機作為上位機，應用軟件程序開發(fā)、SQL數(shù)據(jù)庫和總線通信技術、基于以太網的OPC通信技術來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的全參數(shù)、多信息的數(shù)據(jù)存儲；在正常情況下，兩臺服務器一臺設置為主服務器，一臺為從服務器，兩臺服務器始終保持并聯(lián)運行，如果一臺服務器發(fā)生故障，第二臺服務器會接替控制整個系統(tǒng)，并且完成所有的信息存檔和過程數(shù)據(jù)存檔，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 旋轉機械機電試驗一體化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)軟硬件選型及簡介

基于現(xiàn)有試驗條件、可靠性、可擴展性、安全性，整個管理系統(tǒng)在硬件設備選型上采用全套的西門子PLC產品。其中，軟件采用西門子帶冗余選件包的Wincc進行人機界面設計，提供與系統(tǒng)操作人員交互的接口，數(shù)據(jù)庫采用Wincc自帶的SQL Server 2005版本，控制及采集裝置采用西門子S7-300系列PLC[1]。

Wincc是西門子公司與微軟共同開發(fā)的系統(tǒng)，它真實地將控制軟件集成到自動化過程中，可以很方便地生成人機界面。S7-300是模塊化的中小型PLC，適合用于中等控制性能的控制要求，當系統(tǒng)規(guī)模擴大和更為復雜時，可以增加模塊，對PLC進行擴展[2]。

3 軟件開發(fā)設計

3.1 軟件架構設計

按照存儲內容和試驗流程要求，試驗人員需將轉子基本信息以及裝配信息手動輸入至Wincc相應界面中，并編輯VB腳本將信息存儲至SQL數(shù)據(jù)庫相應表中；利用PLC采集旋轉機械運行過程中振動、變形、真空、電源等動態(tài)數(shù)據(jù)，并使這些數(shù)據(jù)在Wincc人機界面上實時顯示，同時，將采集的數(shù)據(jù)利用相應控件顯示其變化趨勢并歸檔與SQL數(shù)據(jù)庫中。

結合功能需求及考慮軟件的可維護性、擴展性，將程序劃分為轉子信息記錄模塊、轉子信息查詢模塊、裝配信息記錄模塊、裝配信息查詢模塊、監(jiān)測人機交互界面模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢模塊等6個功能模塊，多個功能模塊獨立開發(fā)，便于后期調試、程序改進、功能增加等，軟件構成如圖2所示。

圖2 試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能模塊劃分

3.2 自定義數(shù)據(jù)庫建立

在西門子組態(tài)軟件Wincc V7.0系統(tǒng)中已經集成了SQL Server2005.Wincc可以利用系統(tǒng)具有的歸檔功能，將數(shù)據(jù)歸檔到Wincc默認的數(shù)據(jù)庫中。但在Wincc默認的數(shù)據(jù)庫中，具有數(shù)據(jù)庫文件格式是Wincc自定義等方面的局限性，因此，需在SQL Server中自定義一個數(shù)據(jù)庫來存儲歷史數(shù)據(jù)，這樣不僅能夠擴大數(shù)據(jù)庫容量使數(shù)據(jù)保存得更加長久，也使后來復雜的綜合查詢問題變得簡單。

3.3 數(shù)據(jù)通信方式設計

試驗數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要反復存儲、讀取大量的試驗數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息通過PLC采集通過OPC與Wincc通信，同時Wincc通過ODBC數(shù)據(jù)源控件將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絊QL數(shù)據(jù)庫中。由于所存儲的數(shù)據(jù)來自不同采集設備開發(fā)商，其規(guī)范標準、數(shù)據(jù)結構均不相同，為了使軟件程序能夠在用戶使用時迅速做出響應，實現(xiàn)不同類型軟件之間的交互和共享，對不同采集設備進行了單獨通信接口設計。

3.3.1 轉速信號通信方式設計

轉速信號采用理化院自研的集成監(jiān)測裝置進行采集，其數(shù)據(jù)和命令是通過CAN總線與服務器（研華工控機安裝華控CAN通信卡）相連。服務器中裝有編寫的OPC Server For CAN30B程序，其基本功能是通過華控HKCAN3.0B CAN通信卡與裝置通信，提取數(shù)據(jù)，發(fā)布測量命令。然后是具備OPCServer功能，與本系統(tǒng)中作為OPC Client的組態(tài)軟件工程進行數(shù)據(jù)交換，從而完成裝置與PLC的信息交換。

3.3.2 監(jiān)測信號通信方式設計

機電試驗中旋轉機械運行監(jiān)測信號通過自編的LabVIEW程序以及NI高速采集板卡進行數(shù)據(jù)采集，采用基于以太網的OPC通信技術使用NI OPC SEVRER作為OPC服務器，連接S7-300 PLC，組建工控機與PLC的通信。

3.3.3 電源參數(shù)通訊方式設計

電源參數(shù)是通過WT230功率計進行參數(shù)采集，其WT230功率計與Wincc通信是利用以太網通信方式和OPC通信技術。通過串口通信線將WT230功率計的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，自編的OPC通信程序將WT230功率計作為OPC Server，將組態(tài)軟件工程作為OPCClient進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信。

3.3.4 Wincc與SQL數(shù)據(jù)通信設計

數(shù)據(jù)交換設計是本文的重點和難點，如何將Wincc界面中轉子信息、裝配信息、監(jiān)測信息數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，并可在數(shù)據(jù)庫中查詢顯示與Wincc查詢界面呢成為關鍵。該數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過使用Miscrosoft ADO Data Control，version 6.0（OLEDB）控件，實現(xiàn)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)與SQL Server數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 系統(tǒng)各功能模塊界面設計

系統(tǒng)各功能模塊界面設計主要包括：登錄界面設計、轉子信息記錄界面設計、裝配信息記錄界面設計、監(jiān)測界面設計，以登錄界面設計為例，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登錄界面

4 實施效果

對研制的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在試驗室進行各項功能測試，首先是結合監(jiān)控界面對轉子信息、裝配信息和監(jiān)測信息的采集功能進行測試，逐個點進行測量顯示，并與在用SKF、NI信號采集儀器顯示相印證。

所有的監(jiān)測參數(shù)均可實時顯示，并通過歷史查詢界面可以準確地查詢到所需參數(shù)設定時間內的數(shù)值。系統(tǒng)參數(shù)存儲、查詢和顯示功能均正常，滿足設計要求。

為防止人員出現(xiàn)誤操作，系統(tǒng)嚴格限制使用人員對監(jiān)控系統(tǒng)操作權限，無權限者不能進入該系統(tǒng)進行操作。具體為設置了系統(tǒng)登錄界面，如果沒有相應的密碼，操作人員無法進入該系統(tǒng)，無法將界面最小化和關閉監(jiān)控界面。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試則是讓系統(tǒng)在正常狀態(tài)下連續(xù)運行10小時并在期間不定期進行各種操作，觀察系統(tǒng)運行情況。測試結果表明，在系統(tǒng)長時間都能穩(wěn)定運行，各項功能均正常使用。

經測試，研制的監(jiān)控系統(tǒng)功能滿足設計要求：

（1）實現(xiàn)轉子信息、裝機信息、測試信息等多種數(shù)據(jù)的詳細無紙化記錄功能。

（2）通過建立數(shù)據(jù)文件和日志文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫修改記錄，自動管理事物處理的記錄，以便出現(xiàn)異常故障可有效恢復數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

（3）實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動記錄、存儲、以及高效查詢等功能，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份和還原操作，隨著數(shù)據(jù)庫不斷完善還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)歷史趨勢分析等功能。

（4）數(shù)據(jù)庫的建立可為轉子設計、故障分析提供詳細試驗數(shù)據(jù)，而且隨著系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的不斷積累和完備，可以發(fā)揮正向的指導和促進設計作用。

（5）通過大量歷史數(shù)據(jù)的積累，可以為查詢故障原因和機理，輔助進行故障原因分析。

5 結語

本文綜合利用plc技術、Wincc軟件、SQL Server數(shù)據(jù)庫、編程語言C#、VBS以通信模塊等軟硬件技術，通過“工控機+PLC+SQL”的組合方式，以及雙冗余控制設計、機電一體化測試系統(tǒng)、結合計算機技術、CAN和以太網通信技術、OPC通信技術，構建了集采集、顯示、存儲、查詢等功能為一體的試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)架構較為靈活，擴展性強，避開了自帶歸檔記錄，通過自建SQL數(shù)據(jù)庫、封裝腳本形成標準接口，可提供或接受第三方數(shù)據(jù)，為后期通過其他軟件做數(shù)據(jù)分析計算提供了基礎，同時，具備安全性、保密性，經多次低周、高周試驗調試及驗證，該系統(tǒng)已具備轉子信息、裝配信息以及監(jiān)測信息的記錄和存儲且能夠實現(xiàn)全部參數(shù)及單一參數(shù)數(shù)據(jù)歸檔和歷史趨勢顯示功能，其系統(tǒng)性能指標能夠滿足試驗現(xiàn)有要求，初步實現(xiàn)了設計目標。