可編程及智能化測控平臺系統的研究

李彩霞，劉龍兵，董超宇，王曦冉，劉 龍，王 興，董增壽

(1.太原科技大學 計算機科學與技術學院；2.太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024)

目前，工業領域中監控軟件大多都是應用于固定的控制系統。傳統的智能工業設備無法滿足日益增長的需求，系統本身的靈活性和可擴展性較低，不具備程序重構的功能。一旦生產工藝發生了改進，修改控制系統需要用腳本語言編寫腳本，使得軟件適用的人群仍然是專業的編程人員，使用門檻較高，周期較長而且較繁瑣。隨著生產工藝改進而導致生產設備的軟件無法正常使用，軟件升級過程期間導致相關設備停產，設備故障無法實時監測及自動排除故障等問題，從而拖慢生產進度，影響生產效率。同樣對于中小型企業來說，組態軟件中諸多功能并沒有使用到，而高昂的費用增加了企業的負擔，為解決這些問題筆者團隊設計了一種可編程及智能化測控平臺系統，降低了系統開發和調試門檻，使得用戶可以隨時根據自身需求來進行編程，同時運用邊緣計算、設備到設備之間通信技術、5G通信技術等實現設備到設備及設備到云端服務之間的數據交互。本文詳細地闡述了該平臺的組成及工作原理、軟硬件組成設計、系統通信和數據交互方式設計、專家控制方式以及云數據庫設計等。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

筆者通過參考多篇有關于組態軟件性能及功能的文獻，研究出一種可編程及智能化測控開發平臺系統。該系統的結構由五層網絡體系組成。具體是由上位機監控平臺、現場測控對象層、下位機控制器、云服務器、外部通信系統以及PC和手機端構成。系統總體框架見圖1。

1.2 系統工作原理

系統開始工作時，用戶根據控制系統的組成制作軟件指令的I/O表，設置基礎的輸入輸出及模擬量等參數，設計一個背景圖，然后導入上位機組態軟件中，根據參數設置測控對象監測點，完整地呈現出監控的畫面。

另外，用戶需要對監控畫面進行完善，可以通過將現場組態監控技術將手機App和PC端實時監控系統相互結合形成雙終端監控狀態，將計算機組態監控配備由手機端進行輔助，可以對現場情況進行實時監控，使得手機組態監控界面效果更清晰、合理、準確。

圖1 系統總體框架

在進入編程模式時，用戶采用一種新型圖形化編程方法，通過使用TGCS平臺，用戶只需根據每個工藝進程，創建各功能指令之間的連線并拖動對應圖形完成，最后將程序放置程序運行處便完成了編程。用戶可以登錄云端平臺進行程序查找，通過控制系統的功能及需求可以從云數據庫上搜索找到功能操作相關的程序下載并導入上位機組態監控軟件中供以后方便調用；若軟件系統中不存在相關指令和程序，則需要用戶依據自身需要進行相應指令的定義和開發，之后用戶可以直接調用相關指令，后期可以對軟件進行動態優化處理，通過結合專家控制算法根據現場測控對象的變化進行在線調整。另外，根據建立的基礎指令集，用戶還可以使用PC端和手機端進行編寫，通過互聯網上傳到上位機監控軟件中，導入完成程序。用戶需要將系統中的測控對象與下位機控制器對應的接口進行連接，上位機與下位機通過串行通信將兩者連接，用戶啟動控制系統開始運行。上位機每次將處理工藝的過程以指令方式傳送到下位機控制器，下位機控制器通過程序執行過程對測控對象發送控制信號，然后測控對象通過將數據實時發送到云端數據庫進行備份的同時運用邊緣計算技術(D2D)對數據進行分析和運算，并將信息反饋到手機監控App或PC端，監控畫面可以實時地反應系統各部分運行情況，如遇突發情況則會調用相關的中斷處理方式處理。手機監控通過網絡與計算機系統實時保持同步，與監控軟件進行實時數據交互。用戶也可以實時監控，排除一切可能出現的突發情況，通過現場組態監控技術控制現場對象運行，與其他外部通信系統進行連接，實現相互通信。

最后，用戶可將運行成功后的程序上傳至云數據庫，這樣其他用戶在開發時便可以直接訪問云端搜索下載程序并使用，使得云端數據庫不斷發展完善。系統工作原理見圖2。

圖2 系統工作原理

2 軟件設計

2.1 軟件指令集

指令在系統中充當“血液”，系統所有的操作都將轉換為一條條指令在期望的時間、對應的模塊進行執行。制定一套較為完整的指令集才能更好地讓人與機器、機器與機器之間的信息交換變得更加清晰。

2.1.1 指令設計。本系統設計了報警指令、控制指令、I/O指令、程序執行指令、設備動作指令等一系列系統指令。例如"000? IO.0=1":判斷IO.0所輸入的是否為高電平；"005Load_Name"：執行名為Name的程序；"101?temp.1 = Value"：判斷溫度傳感器temp.1的溫度是否等于Value。

表1 系統部分指令

上位機中保存的指令為系統內部指令，給用戶提供了循環指令、判斷指令、I/O指令、設備監控指令等，方便用戶根據自身工業流程調用相關指令來控制下位機PLC。但是不同的工業領域有不同的工業流程，本系統還支持用戶根據自身需要設置私有的指令集，所設置的私有指令集與系統內部公有指令集具有相同的優先級，對下位機PLC的訪問及控制具有相同的權限。

2.1.2 圖形化指令處理方式。通過使用TGCS平臺可以令用戶不需要自己編寫完整的執行程序，只需要調用系統指令庫中的相關指令，或者根據自身實際需要，通過簡單設計和編寫自己的私有指令并調用，創建功能間的各端點的連線設置運行的先后次序等，拖動指令所對應的圖形進行組合，完成控制系統設計。上位機依據用戶調用相關的一系列指令生成程序后線性執行，依據相關指令，控制對應部件執行相應操作。

2.2 云端數據庫構建

根據工業生產中控制層設備與測控對象數量、通信密集度安全需要采用不同數據庫，云端數據庫對比本地數據庫有低成本、輕松部署、高可靠的優勢。云端數據庫構建可選用阿里云數據庫RDS MySQL版，云端數據庫存儲有控制功能的程序源代碼，存儲監控畫面與用戶的接收端交互，方便用戶觀察與控制測控對象的運行，存儲測控對象工作狀態、運行時間、溫度等參數，控制層監控軟件和控制器的源代碼、通信指令集和專家控制規則，支持用戶將自己開發的程序上傳至數據庫。見圖3。

圖3 云端數據庫框圖

2.3 軟件動態優化處理

云數據庫是該系統數據運算中心的核心，因此根據云環境中的動態特性調用計算機資源將其內部任務分配開，任務分配器需要通過總端點將各個小任務傳送到多個支端點上，使得任務在多個支端點上的操作單元進行操作，最大限度地利用資源，提高空間利用效率。如果操作的任務相同便可以在執行同樣任務的操作單元循環進行，使其計算效率提高。同樣，可以在各個支點進行更精細地劃分，可以采用螢火蟲遺傳算法將單元中所有動作進行細分，并限定在一定時間和空間內進行操作，它可處理相對復雜、隨機的算法函數，且生成對系統更好的功能算法，進行相對平衡地發展，優化分配資源可相對減少總計算任務的操作時間，系統總的運行方面的消耗會大大降低。

另外，為降低傳統云數據庫中心工作流的能耗問題，可采用新的優化調度算法以滿足用戶在約束時間內給出使用最少的完成工作的調度方案。在云數據庫中心上構建雙層虛擬化云架構，采用時間利用率最大化調度(TUMS)和運行時間壓縮(RTC)兩個階段實現調度算法，TUMS在給定時間內選擇使用最少且合適的處理器及虛擬機數量在準備階段，下一步RTC找到可運行的設備，通過縮短工作時間提高服務器工作效率。同時可以采取軟件定義時間觸發以太網作為優化系統中消息調度的一種新型模式，可在消息調度算法之上采用MAV調度算法，能更加保證消息傳輸的實時性。

下位機控制器也要根據手機以及現場終端的空閑時間和網絡資源的分配合理實時在指定時間進行發送，實現網絡調整。

3 硬件設計

PLC可編程邏輯控制器的輸入電路所適用的電源范圍較寬，為加強抗干擾效果，加裝了電源凈化器件(電源濾波器等)，其帶動負載(例如按鈕等輸入裝置)時需注意采用合適容量，同時在電路上加裝熔斷器以保護電路。PLC控制系統的輸出電路中所連接的各種指示燈、變頻器/調速器的啟動/停止應采用晶體管的方式輸出，它適合高頻時段，響應時間段。若頻率較低首先選用繼電器輸出的方式，抗干擾以及帶負載能力強。

PLC工作方式就是根據上位機發出到下位機的命令，再解釋為相應的時序信號控制設備，同時下位機也要實時讀取設備的狀態信息將其轉化為數字信號傳送到上位機。下位機擁有獨立和更可靠的通信協議，通過使用專用接口，確保程序以及指令操作的正確性。PLC首先對控制器內部進行檢測和處理，然后再檢測外部通信模塊，之后與上位機及服務器進行數據交互，下載程序后，對PLC程序進行處理采集信息，確定輸入寄存器信息符合，按下按鈕。每個按鈕都有相對應的與測控對象連接的電機，模擬量輸入，程序執行，從而電機輸出邏輯狀態，不斷通過輸出寄存器狀態變化產生高低電位，驅動其外部負載，最后讀取寄存器內的信息便可以實時獲取整個系統的工作狀態。另一種方式是通過將工控觸屏、PLC和物聯網模塊組合在同一網絡時段，各模塊有獨立的通信地址，需要用戶使用專有的信息登錄物聯網模塊配置軟件，向其中添加相應的設備地址及連接方式，再由系統進行檢查，無誤后方可以開始下位機遠程控制。用戶可以使用觸摸屏進行在線監控調試，以及程序下載及應用。

4 軟硬件通信及數據交互設計

4.1 基于5G的邊緣計算技術的應用

在5G技術的支持下，邊緣計算技術將得到有效的發展。邊緣計算技術是在物聯網、高帶寬背景下發展起來的新興技術,其核心在于靠近用戶設備的邊緣側對數據進行分析和計算，目的是提高數據交互的實時性和準確性。中國邊緣計算技術聯盟(ECC)將其定義為包含設備、網絡、數據、應用4個方面。

邊緣計算技術使用了更加靠近應用程序和測控設備側的可信結點，為用戶提供更加快速、準確的數據計算與分析，提高了工業控制領域數據交互的實時性，同時解決了數據傳輸過程中的流量壓力和云端數據庫數據處理壓力。運用該技術進行數據分析和計算的同時還可以對數據進行加密操作，保證了在數據傳輸過程中的安全性。

4.2 基于CAN總線實現硬件之間的交互

CAN總線是一種支持分布式控制的通信總線。它可以實現對連接在其通信接口上的設備進行智能控制，并實現數據的接收和發送，而且當一個工作單元出現故障時不會影響其他工作單元的正常工作，將其融合在工業自動化控制系統中可以實現對相關操作指令的精確實現，同時保證了數據傳輸的準確性和及時性。本系統使用CAN總線實現硬件設備之間的數據交互，使得控制信息可以及時地反饋到每個設備和上位機檢測系統。通過預先植入下位機中的程序指令，由各設備自主決定下一步所要進行的操作，實現智能化工業控制。

5 結束語

大多工業領域的監控系統都是在固定模式下進行操作，為此，筆者提了這種圖形化低代碼平臺以及智能測控一體系統，對工業測控系統進行全面構建，提高智能化程度的同時還具備程序重構功能，利用多種軟件優化調度算法和專家控制方法實現了工業中控制程序的高效開發和準確測控，加快了工業的開發速度，改變了傳統過程設備控制程序的固化模式。大量的實驗結果證明了此系統可移植性高于傳統的工業測控系統，可用于多種不同的工業領域，實現了編程圖形化和測控智能化，很大程度上提高了工業智能化測控的實時性和準確性。