基于Cimplicity HMI平臺(tái)的隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

裴軍明，郭敬軍

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)是集通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)于一體，為隧道管理人員提供完整和清晰的隧道運(yùn)行狀況。整個(gè)系統(tǒng)主要分為交通監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控和綜合供配電系統(tǒng)以及通信管理系統(tǒng)四部分，其中交通監(jiān)控系統(tǒng)具有交通數(shù)據(jù)采集、交通事件監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)控制、交通信息發(fā)布等功能;設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)包括隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)、通風(fēng)設(shè)備監(jiān)控、排水設(shè)備監(jiān)控、照明設(shè)備監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控等子系統(tǒng);電力監(jiān)控系統(tǒng)具有電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)、電力設(shè)備監(jiān)控、監(jiān)控系統(tǒng)和其他弱電系統(tǒng)的內(nèi)、外場(chǎng)設(shè)備供電和保護(hù)監(jiān)控等功能;通信管理系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等[1－2]。

隨著工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)的發(fā)展，大量的最新計(jì)算技術(shù)、通訊技術(shù)、多媒體技術(shù)被用來提高其性能，擴(kuò)充其功能;工業(yè)組態(tài)軟件更加注重效率，用戶通過模板快速生成自己的項(xiàng)目應(yīng)用，圖形模板、數(shù)據(jù)庫模板、設(shè)備模板可以讓用戶以“復(fù)制”方式快速生成目標(biāo)程序[3]。

本文將基于通用公司的組態(tài)軟件平臺(tái) Cimplicity HMI，對(duì)草海隧道崗頭山隧道工程隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的程序開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的進(jìn)行一些分析。

1 CIMPLICITY HMI軟件的功能分析

CIMPLICITY HMI軟件系統(tǒng)是模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，它由軟件核心，基本系統(tǒng)，可選模塊和設(shè)備通訊組件等組成，能夠支持多種硬件和軟件平臺(tái)，是一個(gè)基于客戶服務(wù)器的結(jié)構(gòu)[4]。其主要功能和特點(diǎn)如下:

(1)強(qiáng)大的圖形用戶界面設(shè)計(jì)開發(fā)工具及應(yīng)用程序開發(fā)模塊。CIMPLICITY采用標(biāo)準(zhǔn)Windows GUI作為自己的圖形用戶界面，而且它的外觀完全按照 Microsoft Office的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，這樣用戶可以不用專門進(jìn)行學(xué)習(xí)就可以熟悉它的環(huán)境，圖庫圖形豐富多彩，支持從畫面到畫面包含對(duì)象的顏色漸變，內(nèi)嵌VBA，具有自己的內(nèi)部函數(shù)，支持ActiveX、OLE插入。

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和分析功能。能形成可視化的圖表或曲線及報(bào)警管理。在CIMPLICITY中能夠處理的數(shù)據(jù)類型有數(shù)字量、模擬量、整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串、數(shù)組和結(jié)構(gòu)等，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)可以指定采集方式。

(3)能進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)讀寫及存盤備份功能。支持與多種ODBC關(guān)系數(shù)據(jù)庫的連接;利用微軟的開放數(shù)據(jù)庫互連標(biāo)準(zhǔn)(ODBC)來提供給用戶記錄報(bào)警，事件和點(diǎn)值到一個(gè)ODBC數(shù)據(jù)庫的能力[5]。

(4)網(wǎng)絡(luò)功能。CIMPLICITY將系統(tǒng)分成服務(wù)器和瀏覽站兩種軟件系統(tǒng)形式，CIMPLICITY服務(wù)器軟件可以安裝在計(jì)算機(jī)中并通過通訊鏈路采集控制器中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)放在服務(wù)器的共享數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)服務(wù)器還具備人機(jī)界面和監(jiān)控的各種功能。CIMPLICITY瀏覽站軟件同樣可以安裝在計(jì)算機(jī)中并具備人機(jī)界面和監(jiān)控的各種功能，但是它不能直接與控制器相連采集過程數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)都是來自于服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的共享數(shù)據(jù)庫的。服務(wù)器和瀏覽站同時(shí)連接到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交換，

(5)同時(shí)還能提供給開發(fā)人員自外掛程序模塊的接口。CIMPLICITY系統(tǒng)中提供了一組系統(tǒng)開發(fā)軟件工具，這組工具包括:點(diǎn)管理應(yīng)用程序界面、報(bào)警管理應(yīng)用程序界面和設(shè)備通訊開發(fā)工具箱。這是應(yīng)用程序界面(API)的集合，當(dāng)你開發(fā)你自己的程序系統(tǒng)時(shí)，可以調(diào)用它們實(shí)現(xiàn)與CIMPLICITY系統(tǒng)之間的通訊和資源共享。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器、工作站及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置多臺(tái)具有設(shè)備監(jiān)控、交通監(jiān)控、電力監(jiān)控、閉路電視(CCTV)監(jiān)視、火災(zāi)報(bào)警等功能的工作站，并支持多媒體大屏幕綜合顯示;基于以太局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多工作站分功能、分級(jí)別網(wǎng)上資源共享、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)運(yùn)作功能(采用TCP/IP通信協(xié)議);基于Client/Server主客體系上建立統(tǒng)一的信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)隧道與相接交通線路或管理部門網(wǎng)絡(luò)上的通信，能接收上級(jí)部門的指令和建議，輔以協(xié)調(diào)、管理;通過I/O服務(wù)器設(shè)備，獲得設(shè)備監(jiān)控、交通監(jiān)控和火災(zāi)報(bào)警等系統(tǒng)的下層設(shè)備所需的隧道中的各種信息，由本系統(tǒng)指揮和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的流向，由各工作站讀取且分別處理、運(yùn)算后，向上、向下發(fā)布指令，并存入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，供值班人員隨時(shí)調(diào)用、顯示、打印。

整個(gè)隧道監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺(tái)采用C/S結(jié)構(gòu)，服務(wù)端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)與分析，硬件指令的收發(fā)，客戶端主要提供了簡潔直觀、快捷方便的人機(jī)界面，接受用戶指令下發(fā)至服務(wù)端，同時(shí)從服務(wù)端接收經(jīng)過分析的數(shù)據(jù)信息，和報(bào)警信息提供給用戶。

3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)豐富的彩色圖形顯示制作和動(dòng)畫顯示，將系統(tǒng)過程真實(shí)地可視化地反映給操作者。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、車道燈、水泵、情報(bào)板、電話、廣播、等等，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)于這些設(shè)備的輸入、輸出、反饋信號(hào)、報(bào)警、邏輯腳本、操作權(quán)限等建立一個(gè)通用的設(shè)備模板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)代碼和對(duì)象的復(fù)用。

3.1 收集設(shè)備對(duì)象和功能需求

設(shè)計(jì)模板必須首先了解和收集系統(tǒng)中的設(shè)備對(duì)象以及相關(guān)的功能需求。例如交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)的車道信號(hào)燈的狀態(tài)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且將各個(gè)車道信號(hào)燈的操作歷史記錄在案。監(jiān)控管理人員通過組態(tài)頁面上表示不同種類的車道燈的圖標(biāo)的可視化的操作，控制命令傳輸給實(shí)施控制的PLC，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車道信號(hào)燈的單控和集中控制，當(dāng)交通信號(hào)燈的狀態(tài)有變化后，通過PLC，將車道信號(hào)燈的狀態(tài)傳輸?shù)较嚓P(guān)的組態(tài)頁面，組態(tài)頁面上的車道信號(hào)燈的圖標(biāo)也隨之變化為相應(yīng)狀態(tài)。從而可分析得出:信號(hào)燈數(shù)據(jù)加工功能需求如下:

1)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的有效性檢查;

2)對(duì)控制命令的權(quán)限判斷。

而信號(hào)燈的輸入、輸出的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 設(shè)備的輸入輸出數(shù)據(jù)

其次，針對(duì)于各種信號(hào)情況，設(shè)計(jì)由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)或在操作員參與下完成的相應(yīng)預(yù)案，例如對(duì)于車輛超高報(bào)警信號(hào)的處理，就結(jié)合了人工確認(rèn)和系統(tǒng)批量操作，具體流程見圖2。

圖2 車輛超高報(bào)警處理流程圖

3.2 使用圖形編輯程序建立模板

以CIMPLICITY的圖形編輯程序CimEdit開發(fā)元件庫，只要事先按照自己的需要完成圖形的編輯及一些相應(yīng)的代碼編寫，將來對(duì)于同樣的類型的功能符號(hào)，就可直接從元件庫中選擇粘貼即可。

CimEdit利用 linked objects方式在一個(gè)畫面文件(源文件)中開發(fā)好模板，而在其他畫面中進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接，以后若發(fā)生需求變動(dòng)，如增加顯示新的數(shù)據(jù)，圖符的變動(dòng)，只需針對(duì)源文件中的模板進(jìn)行相關(guān)的修改，而其他畫面只需做極小改動(dòng)甚至不必改動(dòng)，從而加快了修改速度，減少了逐個(gè)修改帶來的遺漏和錯(cuò)誤。如車道信號(hào)燈所包含的多個(gè)實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)(允許通行、禁止通行、關(guān)閉信號(hào)燈)以及對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行遙控，具體設(shè)備反饋顯示圖例見圖3。

在對(duì)象圖元中是通過變量區(qū)分的，而變量往往與數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。命名數(shù)據(jù)點(diǎn)可采用按系統(tǒng)、設(shè)備、功能的次序由前向后或由后向前的統(tǒng)一方式，每個(gè)部分間可加上如“.”，“_”等分隔符，同時(shí)注意命名長度限制，命名過長時(shí)可采用不會(huì)產(chǎn)生歧義的縮寫。命名方法的統(tǒng)一不僅可使數(shù)據(jù)點(diǎn)易于理解，而且有利于數(shù)據(jù)點(diǎn)的批量生成。由于CIMPLICITY HMI的數(shù)據(jù)點(diǎn)瀏覽器支持樹狀瀏覽方法，這種命名方式還使得數(shù)據(jù)點(diǎn)可依次逐級(jí)合并或打開顯示，分類更為清晰。

圖3 信號(hào)燈的反饋顯示

該方式更關(guān)注在圖元模板的設(shè)計(jì)，特別是復(fù)合對(duì)象的設(shè)計(jì)。它不受在線修改限制，用戶只需在修改圖元后，重新打開使用該圖元的畫面即可。不過，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)和圖形的聯(lián)系不緊密，在開發(fā)中常常自行制定一些設(shè)計(jì)原則來限制，這就維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)更為了解，而且無法脫離工程進(jìn)行修改。

3.3 使用Classes和Class Objects技術(shù)建立模板

CIMPLICITY還可通過生成類 (Class)和對(duì)象(Class Objects)，實(shí)現(xiàn)模板復(fù)用[6]。類(Class)是一組對(duì)象的模板，Object是屬于某個(gè)類(Class)的一個(gè)對(duì)象，對(duì)象中包含屬性和數(shù)據(jù)點(diǎn)。創(chuàng)建一個(gè)Class，隨后可以快速地復(fù)制對(duì)象，相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)也被創(chuàng)建。

Class即是對(duì)象的模板，其屬性是創(chuàng)建對(duì)象時(shí)由用戶輸入的一些對(duì)應(yīng)于該對(duì)象的靜態(tài)信息，如:信號(hào)燈的名稱、描述、基地址等，而數(shù)據(jù)點(diǎn)是對(duì)象動(dòng)態(tài)顯示時(shí)所需要用到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，定義該數(shù)據(jù)項(xiàng)的PLC內(nèi)存地址。創(chuàng)建一個(gè)圖形對(duì)象對(duì)應(yīng)于類(Class)，屬于該類的圖形對(duì)象都可以用該圖形對(duì)象來動(dòng)態(tài)顯示，該圖形對(duì)象必須含有一個(gè)名為$OBJECT的臨時(shí)變量。

創(chuàng)建屬于該Class的Object之后，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)也被自動(dòng)創(chuàng)建。將對(duì)象拖曳到顯示畫面中，將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖形對(duì)象的Link Copy，并將 Object名字分配給$OBJECT。

如果對(duì)每個(gè)同類設(shè)備的數(shù)據(jù)點(diǎn)分配PLC地址時(shí)，按照一致的順序分配在從基地址開始的連續(xù)地址中，在設(shè)計(jì)模板時(shí)可將數(shù)據(jù)項(xiàng)的地址設(shè)置為在基地址的基礎(chǔ)上有增量，這樣創(chuàng)建對(duì)象時(shí)只需修改基地址，其他的數(shù)據(jù)點(diǎn)地址便可自動(dòng)生成，無需一一配置。

該方式通過Cimplicity HMI自動(dòng)完成數(shù)據(jù)點(diǎn)的設(shè)置及圖元的綁定。Class還可單獨(dú)導(dǎo)出保存，并可在別處修改后導(dǎo)入工程。但是Class的修改不支持在線修改，如果功能需求不確定，在線維護(hù)要求較多的情況下不是很適合。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于面向?qū)ο蟮姆绞介_發(fā)草海隧道崗頭山隧道工程隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該方案基于Cimplicity HMI工控組態(tài)軟件平臺(tái)，該技術(shù)利用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的封裝性、繼承性的特點(diǎn)，可大大節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)研制時(shí)間，加快了整個(gè)系統(tǒng)的投入運(yùn)行的時(shí)間。

Cimplicity HMI提供了二種方式設(shè)計(jì)和開發(fā)對(duì)象:第一種利用圖形編輯程序linked objects方式設(shè)計(jì)模板和發(fā)布圖形對(duì)象;第二種通過生成類(Class)建立模板并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的對(duì)象(Class Objects)實(shí)現(xiàn)復(fù)用。對(duì)于系統(tǒng)的開發(fā)和后期維護(hù)，這兩種方式各具優(yōu)缺點(diǎn)，我們可根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合使用，取長補(bǔ)短。

該技術(shù)具有極大的便利性，首先監(jiān)控系統(tǒng)模板中所有的設(shè)備模板和實(shí)例對(duì)象均集中在開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行修改，其次對(duì)象模板的修改將會(huì)自動(dòng)反映到其各個(gè)實(shí)例上，并不需要對(duì)每一個(gè)實(shí)例逐一進(jìn)行修改，從而極大地降低了維護(hù)的工作量和成本，延長了系統(tǒng)的生命周期。

[1]姬衛(wèi)東.計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)在隧道監(jiān)控中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2008，9(8):74－76.

[2]王德虎.隧道監(jiān)控系統(tǒng)典型解決方案[J].山西建筑，2010，36(35):367－368.

[3]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件的相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].自動(dòng)化博覽，2009，27(2):16 －19.

[4]萬波，王新鵬，張明.工控組態(tài)軟件CIMPLICITY及應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備 ，2002，22(8):19－21.

[5]萬春紅，張東寧，錢沖山，等.基于Cimplicity HMI的水泥熱工參數(shù)采集與報(bào)表實(shí)現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用 ，2011，38(1):97－101.

[6]GE Fanuc Intelligent Platforms Inc..Cimplicity HMI User’s manual[R].USA:GE Fanuc Intelligent Platforms Inc，2003.