砂桩集成控制系统优化方案的关键技术研究

 文章来源：李靖     马振江（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032） 
摘要：基于砂桩控制系统硬件和程序生成的数据格式，通过研究Access数据库、具有EIA RS-232接口的PLC控制系统、具有TXT数据文件格式的GPS系统和具有TCP/TP通信协议的集中管理系统之间的通信方式，解决不同控制系统之间互通的问题，满足高效开发稳定集成控制系统要求。

            Key technology Research of improving project of the Sand Pile Integration Control System
Abstract: Base on the hardware of the Sand Pile Integration Control System and data format made by the control program, the pattern of data exchange had been successfully developed in the Access Database , PLC control system with the EIA RS-232 protocol, GPS System with the TXT data format and the computer system with the TCP/IP protocol for solving data exchange in control systems with different communication protocols ,which can  contribute to developing efficiently the stable Integration Control System.
Key words:  sand pile control system ;OPC ; automatic control ; PLC communication
 
0．引言
随着通信技术、电子技术、计算机技术的发展，工业过程控制系统框架朝着智能化、数字化、信息化、网络化方向发展；控制系统具有高速、高效、高精度、高可靠性的性质。因此，通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议^【1】。如物理层协议EIA RS-232接口标准、EIA-422接口标准、TCP/IP通信协议、PROFIBUS通信协议、MODBUS RTU通信协议、PPI协议，MPI协议等；由于工业现场设备使用通信协议具有种类繁多、不同设备厂家生产设备具有不同通信标准，对系统开发人员就提出了很高的要求，需要完成软件控制系统开发，不仅需要掌握各种设备通信协议，而当硬件设备驱动改动时，软件开发人员必须修改大量的驱动程序来连接设备，因此，对控制系统开发难度大、通用性差、效率低。为此，需要研究一套高效、快速、稳定的系统通信解决方案，硬件开发人员无需考虑 程序的多种需求和传输协议，软件开发人员也无需了解硬件的实质和操作流程；这样有效提高系统升级的效率、优化控制方案、方便系统维护。砂桩控制系统由不同通信协议的设备组成综合控制系统，下面将对砂桩控制系统优化通信方案进行研究：

1． 砂桩集成控制系统构成
1.2 控制系统硬件构成
砂桩控制系统硬件布置图1-2，1#、2#、3#打设管理计算与PLC控制器组成砂桩控制系统，它们之间采用TCP/TP方式进行通讯，控制系统配置可编程控制器（PLC）采用日本三菱公司生产的Q系列PLC，具有 MC通信协议（MELSEC）的以态网模块QJ71E71，使用该协议外部设备可以通过QJ71E71从PLC CPU读取数据和程序或者将程序写入PLC，QJ71E71还具有固定缓冲存储器通讯（分有顺序控制和无顺序控制）和随机访问缓冲存储器进行通讯^【3】；同时PLC控制系具有串行通信端口。

图1-2 控制系统硬件构成
在砂桩船控制系统中，GPS管理计算机负责对砂桩进行定位并输出砂桩横坐标、纵坐标、实时潮位信息；集中管理计算机发送砂桩施工管理、设备参数等砂桩工艺数据。因此，程序开发过程中会涉及到不同的设备以及不同通信协议。
1.2 控制系统数据类型
在整个砂桩控制系统中，GPS管理系统产生的数据以TXT文件格式保存；PLC控制系统数据是以存储器的方式保存；需要实时与数据库进行数据交换；人机界面数据交互等。于是不同数据存储方式，不同数据格式，开发的控制软件需要确保与其它系统不产生冲突，高效运行。

2． 控制系统通信策略
2.1 GPS系统数据与集中管理数据的处理
GPS系统提供的位置信息是保存在GPS系统的C：/shazhuang/Record.txt文件里面；集中管理计算机与打设管理计算机之间数据交换是通过Pile.txt、PlaceManger.txt、InitializeSetting.txt等文件来实现；如何提取相关信息进行数据交换，对控制系统的改善、优化都需要解决问题。图2-1.1是潮位处理的模型图.
通信处理程序在取得潮位基本信息后，通过计算并同步更新潮位变量,这样通过潮位变量就与文件里面潮位信息对应起来，“潮位变量”就随着Record.txt里面的潮位信息的变化而变化，并提供给系统中使用；同时程序需要检测网络硬件运行情况，网络状态需要在控制程序面板上通过指示灯进行显示，当红灯亮起表明网络故障。

图2-1.1 潮位信息处理流程
对于外接端口多，需要与外设进行大量数据交换的系统，采用传统高级语言进行编程，必将产生大量的代码，耗时相当长，开发效率低，于是需要寻找一种合适高级语言开发“通信处理程序”，NI LabVIEW图形语言以框图的形式编写程序,其表现形式和功能类似于实际的仪器，它是一种带有图形控制结构的数据流模式(Data Flow Mode)，这种方式确保了只有获得它的全部数据后才能被执行。这种数据流程序中，程序执行是由数据驱动的；同时具有功能强大的集成开发环境，完整地集成了与GPIB、VXI、RS-232、RS-485和内插式数据采集卡等硬件的通讯功能，具有内置式程序库，提供了大量的连接机制，通过DLLs、共享库、OLE等途径实现与外部程序代码或软件系统的连接^【2】。
NI LabVIEW还能创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行，特别适合在测试、控制、设计领域的运用。具有程序开发速度快，与外部设备通信能力强，人机交互界面友好等优点。
图2-1.2为潮位数据处理程序，通过打开端口、读取文件、格式转换、关闭端口及简单数据转换就取得了潮位信息，对比到 VC、VB、C#开发的程序需要产生大量的代码，程序更加简单，开发效率更高。
 
 
图2-1.2 潮位数据处理程序

2.2 PLC控制系统和数据库数据交互
工业控制和生产自动化领域中有各种智能设备，可编程控制器（PLC）是核心部件，并种类繁多，并通信标准不统一；仪表多采用采用RS232或RS485传输标准，仪表与计算机之间的往来通讯都以ASCⅡ码实现；数据库数据交换标准；传感器有采用Modbus总线通信协议等其它一些通信标准和协议。不同通信协议的系统或者设备之间进行信息互换对于大型系统集成必须得解决。因此，需要有一种技术来处理不同标准的设备及通信协议间数据通信。

                                    图2-2.1  数据通信模型
OPC（OLE Process Control ）技术是OPC基金会组织倡导的工业控制和生产自动化领域中使用的硬件和软件的接口标准，以便有效地在应用和过程控制设备之间读写数据；OPC技术具有开放性（Openness）、产业性（Productivity）和“即插即用”的互联性（Connectivity）；主要由OPC接口、OPC服务器、I/O驱动组成，因此，对于系统集成来说，工程师不需要更多的关心外设的情况，将更多时关注于系统集成及产品本身工艺。
在砂桩控制系统中，采用NI OPC Server与PLC控制系统进行通信，Lab编程软件通过变量与OPC Server
进行数据交换。图2-2.2 PLC数据处理流程，“Lab变量表”中的变量与PLC的存储器相对应。

图2-2.2  PLC数据处理流程
    对于程序开发者来说，只需要关心“Lab变量表”中项目的物理意义及本身的工艺流程，对于I/O驱动不需要进行考虑，它由OPC Server 来完成。如表中 “GLdata”对应于PLC存储器“D11014” ，PLC系统通过自动扫描并更新存储器“D11014”数据；由于使用了OPC技术，变量“GLdata”将安照一定的时间间隔进行更新；砂桩控制系统中与数据库的通信采用同样OPC技术。

3． 工程运用情况
采用以上通信方案开发的砂桩控制软件，已经在港珠澳大桥海上桥隧转换人工岛中得以运用。图3.1为程序界面，显示相关参数及设备状态；图3.2 为数据处理程序通过对保存在数据库中数据进行操作可以查询打桩过程中有关参数变化情况。

图3.1 程序界面

砂桩控制程序已经安装在三航砂桩6号和三航砂桩7号船上的打设管理计算机上运行，打砂桩长度达到30M（桩长）*8000（根）=240000米，使用砂量30万立方米多。使用过程中，程序稳定、靠性运行，并达到了高效开发控制系统的目的。

图3.2 数据库数据浏览

4．结束语
采用OPC技术及以上控制系统通信方案，解决工业现场TCP/IP协议、PLC控制器MC通信协议（MELSEC）、Access数据库、TXT文本之间数据交换问题；开发了砂桩控制系统，在实际项目中运用，验证了这种通信方法的可靠性、稳定性；同时提高集成控制系统的开发效率，缩短集成系统开发时间，节约系统开发成本，尤其对于控制系统集成和机电设备的开发具有积极的参考价值。　　
 
 
参考文献：
  [1]  杨明福，计算机网络技术【M】．北京.2005年9期
 [2]  徐小东等，LabVIEW 8.5 常用功能与编程实例精讲【M】．北京. 2009
 [3]  廖常初  S7-300/400 PLC应用技术【M】．北京,2006年4