连续生产过程集散式监测系统的开发

    摘要：从体系结构、硬件构成、网络结构和软件设计等几个方面介绍了针对复杂施工现场所构造的集散式过程监测系统，并详细阐述了系统软件的开发思想，给出了远程监测的模型。经三峡大坝施工现场的实际应用证实，该系统完全适合这种复杂的作业环境，对促进生产优化调度、保证质量、提高效率具有积极作用。

    关键词：集散式监测系统 过程监测 远程监测

集散控制系统利用计算机技术、网络技术、通信技术等对生产过程进行集中监测和分散控制[1]。它具有通用性强、人机界面友好、运行安全可靠等特点，已广泛应用于各种生产过程中[2～4]。

三峡大坝施工现场与其它工业现场相比，具有以下几个特点：①持续生产；②施工设备数目种类多，总的测点数目达200多个；③测点分布范围广，测点遍及各个车间以及长度超过千米的供料线和高度达148米的塔带机上，范围达数平方公里；④作业环境复杂，电磁干扰强烈，铺设通讯线缆非常困难。开发这种环境下的过程监测系统难度较大。随着现场规模的增大，作业自动化程度的提高，安全隐患越来越多，机械故障、连锁影响造成的损失也越来越大；而且，原有的针对劳动劳动密集型的管理调度方式也不能够满足自动化、大规模生产的要求。针对这种情况，我们开发了应用于大型施工现场的连续生产过程集成散式监测系统，它以模块动画为主，直观、连续、及时地反映了现场主要设备运行状态以及生产过程的关键信息，具有可视化强、组态性好、易扩展、易维护等特点。

1 系统的体系结构

监测系统通常有两种结构形式：集中式和分布式。前者的优点在于结构简单、成本低，但由于信号电缆过长，信号易失真、易受干扰，且由于数据采集通道数和存储量的增加导致监测实时性差，只适用于测点较少且比较集中的场合；后者可靠性高、易于扩展，适用于大规模且测点分散的场合[2][4]。考虑到大型施工现场监测点的分散性和不同级别部分对监测内容的不同需要，我们结合两种结构的优点，采取集散式监测模式，实现监测分散、管理集中的思想。系统结构如图1所示。

从体系结构上，分为三个层次：

（1）数据采集层 主要包括由智能数据采集模块及传感器构成的数据采集前端。

（2）现场监测层 由各个车间的现场监测计算机群组成，主要完成对所有部伯的数据采集、初步处理和现场监测，并将数据传输到监测工作站或者调度机。

（3）管理监测层 主要面向具有管理和调度权限的管理人员，由监测工作站、调度机和服务器以及各个科室的计算机群组成，在此完成集中监测。

2 系统网络结构及实现

监测系统中的通信网络要求实时和可靠。针对恶劣的现场环境，我们提出了一种局域网与现场总线、串口通讯相结合的网络结构，如图2所示。实践证明，这种结构完全适在复杂作业现场中应用。

监测系统的上层网络，即现场监测和调度监测层之间的网络选用标准以太网；而底层，即数据采集层，则选用具有更高可靠性的RS485总线，它可以驱动多达256块智能采集模块，通讯距离达1200米（利用中继器，可以将系统的通讯距离再延长1200米），确保了本系统具有很好的可扩展性。另外，根据现场的实际情况，还采用了RS232与拌和楼监测机连接。这种灵活的搭配在保证系统性能的同时，有效地降低了成本。

3 系统的硬件构成

监测系统的硬件要求必须选择抗干扰能力强、品质优良、性能可靠的设备。

3.1 上位机的选型

现场监测机、监测工作站和调度机的工作环境和条件相对较差，都处在长期连续工作状态下。本系统采用高性能研华工控机，它的整机及接口板都是经过工业化处理的，可靠性较高；选用IBM服务器作为数据库服务器和网络服务器。

3.2 智能采集模块的选择

随着微电子技术、计算机技术、网络技术的高速发展，测量仪表从模拟式、电子式逐步向智能化、微机化方向发展[5]。本系统选用的ADMA-4000系列是紧凑、智能传感器到PC机的远程数据采集模块。它具有内置的微处理器、模拟量I/O和数字量I/O接口，可通过低成本的两线制RS-485通讯网络独立提供智能信号调理，具有传送距离远、抗干扰能力强、使用灵活、维护方便、便于联网和扩展等优点。

3.3. 传感器的选择

对传感器最基本的要求是抗干扰性能强，在一定的范围内线性度好，并输出标准的电流或电压信号，以保证和智能采集模块传感器能很好的配合使用。同时必须具有良好垢密封和保护措施，以适应施工现场多水、多灰尘、多碰砸的情况。

在本系统中，对于静止物料的温度，采用标准铂电阻测量；流动物料的温度采用美国Raytek公司红外测温仪测量；料位信号采用超声波料位计测量；速度信号采用磁电式传感器配合脉冲盘的方式进行测量；转角、位移信号采用欧姆伦高精度绝对或相对式编码器监测。

系统投入运行后表明，以上的选型完全满足生产实际的需要，实现了系统设计的功能。

4 系统的软件设计和开发

由于集散式监测系统的使用，使得管理和操作人员在劳动强度减轻的同时，所要监视的范围也更宽了。传统的监测系统，信息的主要表现方式是文本以及一些简单的开关状态的显示，这很难适应现场化企业及时，准确地进行优化控制、优化管理的要求。

二十世纪80年代开始，出现了多媒体技术，其信息媒体多样性、交互性和集成性，使用户能够更有效地控制和使用信息[6]。在监测系统中引入多媒体技术，将大大提高生产的自动化水平。

4.1 组态软件简介

开发包含多媒体技术的监测系统，必然要涉及对很多不同类别设备的驱动、数据采集和传输控制、多种媒体信息的处理和集成等。如果采用传统的从最低层编程的方式，必然耗费大量的人力物力，并且需要很长的开发周期。

二十世纪80年代中期在国外开始出现的组态软件，是专用于数据采集和过程控制的、开发监控系统的软件平台和开发环境[7]。我们选用在国内使用比较广泛的组态王（Kingview）作为开发平台，它具有很好的图形功能、动画控制功能以及强大的硬件驱动能力，支持RS232、RS485、RS422以及TCP/IP通讯协议，完全适合于搭建这样一个集期式的监测系统。操作系统选用比较稳定的WindowsNT4.0。

4.2 系统软件的开发

本监测系统由数据采集、预处理及传输模块、设备运行状态可视化监测模块、生产过程可视化监测模块、温度一条龙监测模块、监测数据库等五个功能模块组成。系统软件结构示意力图3所示。

采用面向对象的模块化开发方法，以现场监测层的各个监测节点作为基本对象，在分别完成对各个监测节点的组态编程后，利用组态王提供的工程合并功能，在管理监测层进行系统集成。在开发过程中也使用了系统化方法：

（1）测点的系统编码：对所有的测点和设备的所有可能的故障和状态进行系统化编码，最终存入数据库中的也是各种编码，既减少了数据存储器，又可以更加高效快速地进行查询，保证了系统的实时性。

（2）变量的系统描述：组态王的变量可以中文命名，对有所变量采用系统化的命名方法，名称中包含其所对应的测点的位置、测点的类型、测点的编号等信息。这样不但有利于系统的协同开发，而且增加了软件的可维护性。

5 远程监测的实现

本监测系统采取的是现场在线监测方式。虽然我们已经实现了通过调制解调器和电话电缆，利用系统的远程访问功能，使数据在两个生产系统之间以及生产系统与后方管理层之间的共享；也实现了对于局域网或企业Intranet网中的任何一台计算机，只要安装了监测软件，就可以远程实时监测生产过程的功能，但这种远程监测依然具有很大地域局限性和较高的实现成本，它需要在每一台客户机上安装组态监控软件，并根据用户不同要求对程序作出大量的调整。

随着Internet技术的迅速发展，均建一种不限时间、不限地域的真正的远程监测系统已经成为现实。基于Internet的远程测系统的结构如图4所示。它采用新型的客户/服务器体系结构，服务器端由Web服务器及数据两层结构组成，客户端以通用的浏览器（IE）为基础。现场设备和下位机将采集到的数据传送到服务器中，服务器安装了服务器版本监控软件，不同的用户可以使用标准浏览器，通过企业内部局域网或Internet实现各种工程曲线、报表、数据浏览、动画显示、远程实时监控等功能。

由于只需在服务器上安装一套WWW服务器版本监控软件，而不必在每一个监视和控制点都安装一套组态软件，大大节省了用户的开支；而且由于系统中的主要环节都集中在服务器上，大大简化了培训学习过程和对系统的维护管理过程。

以上介绍的适用于复杂环境的监测系统，主要解决了如下几个问题：

（1）采用集散式监测模式解决了集中管理和分布监测问题；

（2）提出了适合复杂作业环境的网络结构，既保证了监测数据的高可靠性，又便于数据共享；

（3）采用组态技术和多媒体技术实现了生产过程实时动画模拟显示和监测；

（4）实现局域网内远程实时监测和数据共享，并提出了基于Internet的远程监测的模型。

经三峡大坝施工现场的实现应用，证实该系统完全适合这种复杂的作业环境，对促进生产优化调度、保证质量、提高效率具有积极作用。本系统的构建思想也适用于开发其它复杂工业环境下的监测系统。