施工機(jī)械機(jī)群通用現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王國(guó)慶,陳威振,徐培培,劉 旭,翟佳星

(長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710064)

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施工機(jī)械機(jī)群通用現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王國(guó)慶,陳威振,徐培培,劉 旭,翟佳星

(長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710064)

目前施工企業(yè)的工程機(jī)械機(jī)群大多來(lái)自于不同的廠商,設(shè)備的內(nèi)置專用控制器數(shù)據(jù)接口大部分為私有,從而導(dǎo)致這些設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用遠(yuǎn)程/現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控.針對(duì)這一問(wèn)題,提出了基于外置式PAC(Programmable Automation Controller)的通用B/C/S(Browser/Server,Client/Server)綜合模式下的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái).PAC實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的慣性數(shù)據(jù)和設(shè)備中的數(shù)字/模擬量傳感器信號(hào),并完成數(shù)據(jù)傳輸功能.軟件平臺(tái)完成了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)架構(gòu),并實(shí)現(xiàn)了影響服務(wù)器端速度和成本的關(guān)鍵技術(shù):斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮與還原算法.系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控中進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證.

工程機(jī)械; 外置式PAC; 斷點(diǎn)續(xù)傳; 遠(yuǎn)程監(jiān)控

目前對(duì)于有內(nèi)置式專用控制器的工程機(jī)械而言,要實(shí)現(xiàn)通用的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理就必須解決控制器數(shù)據(jù)接口不開(kāi)放的問(wèn)題.對(duì)于施工企業(yè)而言,一般采購(gòu)多種類、多廠家的設(shè)備,如果均采用不同廠家的專用監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)于企業(yè)而言成本高昂,尤其是這些生產(chǎn)廠商的專用系統(tǒng)的服務(wù)器均為廠商所有.施工企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)完全掌握在生產(chǎn)廠商手里,對(duì)施工企業(yè)的發(fā)展相當(dāng)不利.因此實(shí)現(xiàn)能夠應(yīng)用于現(xiàn)有多廠家、多機(jī)種的通用型工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)是市場(chǎng)所關(guān)注的,但是這里涉及設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、傳輸問(wèn)題,生產(chǎn)廠商的控制器數(shù)據(jù)接口一般為私有協(xié)議,不對(duì)外公開(kāi),因此解決問(wèn)題必須從硬件和軟件兩個(gè)方面入手.

文獻(xiàn)[1]提出的工程機(jī)械GPS遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng),將利用GIS(Geographic Information System),GPS(Global Positioning System),GPRS(General Packet Radio Service)等相關(guān)技術(shù),構(gòu)造一個(gè)開(kāi)放性的平臺(tái)系統(tǒng),以便于工程機(jī)械設(shè)備的監(jiān)管;文獻(xiàn)[2]采用PLC(Programmable Logic Controller)為控制器,GPRS DTU(General Packet Radio Service Data Transmission Unit)為通信工具,Delphi開(kāi)發(fā)的軟件為終端操作界面,實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工程機(jī)械關(guān)鍵參數(shù)的采集、分析、遠(yuǎn)程傳輸;文獻(xiàn)[3]采用控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)對(duì)高空作業(yè)車的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[4]提出了基于三層C/S模式的工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu).前述研究對(duì)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控做了重要的探索,但這些研究仍未解決監(jiān)控系統(tǒng)的通用性問(wèn)題.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種基于B/C/S模式的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)以PAC控制器[5]為外置式控制器,設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)采集模塊和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件,并結(jié)合慣性測(cè)量模塊和工程機(jī)械自帶的內(nèi)置傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的獲取和監(jiān)控.采用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題,同時(shí)自行設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸和壓縮算法以滿足服務(wù)器端低成本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和使用的要求.

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩大部分組成.系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 System overall architecture diagram

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中首先由PAC控制器、慣性測(cè)量模塊及工程機(jī)械內(nèi)置傳感器組完成對(duì)機(jī)器數(shù)據(jù)及各種狀態(tài)值的采集,然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)WIFI利用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)把數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器,服務(wù)器再將數(shù)據(jù)提供給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心的PC機(jī),最后由安裝在PC機(jī)上的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械的實(shí)時(shí)監(jiān)控.遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),主要是將每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)以太網(wǎng)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器上,之后由PC機(jī)通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控.

2 外置式PAC控制器及數(shù)據(jù)采集模塊

外置式PAC控制器是獨(dú)立于工程機(jī)械本身的控制系統(tǒng),主要用于工程機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)信息的采集和處理.慣性測(cè)量模塊主要獲取測(cè)量點(diǎn)的加速度和速度等相關(guān)數(shù)據(jù).PAC控制器通過(guò)其上的數(shù)據(jù)采集模塊獲取傳感器組的數(shù)據(jù).

本研究設(shè)計(jì)了以ADAS3022為核心器件的16路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集.使用該芯片作為信號(hào)采集芯片的原因是，可以不用考慮信號(hào)的放大問(wèn)題以及中間的其他過(guò)程.本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用通道復(fù)用原理,其原理圖如圖2所示.

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)模式架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn).根據(jù)系統(tǒng)需求分析,該系統(tǒng)由3部分組成:工程機(jī)械上的監(jiān)控終端、信息傳輸、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心服務(wù)器和監(jiān)控軟件.

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件主界面

當(dāng)該軟件新建一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，首先要配置該項(xiàng)目的傳感器信息,然后再選擇所用的PAC型號(hào),接下來(lái)把傳感器名和所用的PAC通道號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái),最后選擇怎么展示這些信息.盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件的主界面如圖3所示.

3.2 傳感器定義界面

如圖4所示，用戶在此界面錄入該項(xiàng)目所用到的所有傳感器信息,“傳感器別名”列是針對(duì)監(jiān)控對(duì)象的物理模型對(duì)傳感器所起的名稱,在單個(gè)項(xiàng)目中,每個(gè)傳感器的別名需是唯一標(biāo)識(shí)的.“傳感器類型”列用于對(duì)傳感器信號(hào)的輸入類型進(jìn)行分類,可分為模擬量、數(shù)字量、中間量和編碼器,為其PAC通道號(hào)的配置提供基礎(chǔ)信息.

圖2 采集系統(tǒng)通道復(fù)用原理圖Fig.2 Channel multiplexing principle diagram of acquisition system

圖3 盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件主界面Fig.3 Field monitoring software main interface of shield machine

圖4 傳感器定義界面Fig.4 Sensor definition interface

3.3 傳感器通道配置界面

如圖5所示,在此界面建立傳感器別名與PAC通道號(hào)的映射關(guān)系,為傳感器數(shù)據(jù)的展示提供配置數(shù)據(jù),在系統(tǒng)的監(jiān)控界面就可以根據(jù)傳感器別名檢索到PAC通道號(hào),然后根據(jù)通道號(hào)檢索對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行展示.

圖5 傳感器通道號(hào)配置界面Fig.5 Sensor channel number configuration interface

3.4 傳感器數(shù)據(jù)展示頁(yè)面

完成了傳感器的信號(hào)配置后,進(jìn)入數(shù)據(jù)的展示頁(yè)面,如圖6所示.在展示頁(yè)面中主要有3類顯示控件:儀表盤(pán)、數(shù)字計(jì)、示波器.用戶可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的類型的不同進(jìn)行選擇：儀表盤(pán)主要用來(lái)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比較好、變化浮動(dòng)比較小的數(shù)據(jù);數(shù)字顯示儀能夠比較直觀顯示所要查看的數(shù)據(jù);而當(dāng)需要查看數(shù)據(jù)的浮動(dòng)變化情況時(shí),就可以選用示波器進(jìn)行查看.

圖6 數(shù)據(jù)展示頁(yè)面Fig.6 Data display interface

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式來(lái)實(shí)現(xiàn),用戶通過(guò)瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工程機(jī)械進(jìn)行監(jiān)控.遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成.

該系統(tǒng)應(yīng)用了大型數(shù)據(jù)庫(kù),遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器可以保存?zhèn)鬏斶^(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),以便后續(xù)可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看.

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由PC機(jī)、服務(wù)器組成,PC機(jī)讀取遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并對(duì)此進(jìn)行監(jiān)控.由于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于是B/S模式的,因此用戶可以通過(guò)Internet瀏覽器完成自己的工作,如發(fā)出對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的操作指令[6].盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端界面如圖7所示.

圖7 盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能化決策系統(tǒng)Fig.7 Remote monitoring and intelligent decision system of shield machine

5 數(shù)據(jù)的通信過(guò)程及斷點(diǎn)續(xù)傳方法

PAC支持以太網(wǎng)接口,通過(guò)不同的擴(kuò)展方式可以支持有線和無(wú)線接入現(xiàn)場(chǎng)的局域網(wǎng)中[7].由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性,數(shù)據(jù)的傳輸通道可能會(huì)發(fā)生中斷,要保證數(shù)據(jù)的完整性,數(shù)據(jù)通信部分設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮使用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù).

斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)是在系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷情況下,PAC控制器向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用的單向數(shù)據(jù)傳送方式.

該系統(tǒng)通信部分包含了客戶端和服務(wù)器端,通信的程序也就包含了兩個(gè)部分.PAC端是配置成客戶端模式,在PAC端目前采用的是全硬件TCP/IP協(xié)議棧完成的嵌入式以太網(wǎng)控制器,它能使嵌入式系統(tǒng)通過(guò)SPI接口連接到網(wǎng)絡(luò).通過(guò)IP地址和端口向服務(wù)器端發(fā)送參數(shù)的數(shù)據(jù)包.數(shù)據(jù)包的格式采用自定義的格式,服務(wù)器通過(guò)拆包得到相關(guān)數(shù)值.系統(tǒng)服務(wù)端采用微軟.NET Framework下的Socket類實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接,通過(guò)數(shù)據(jù)控制協(xié)議(TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換[8-10].

作為現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)端首先必須具備固定的IP地址,且滿足許多個(gè)客戶端的接入,并為每個(gè)連接的客戶端建立獨(dú)立的通信進(jìn)程和數(shù)據(jù)緩存空間,將每個(gè)通信客戶端數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的保存,還擁有每個(gè)客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口和控制接口.在現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,如果是之前由于網(wǎng)絡(luò)中斷緩存的數(shù)據(jù)則直接保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中.當(dāng)要發(fā)送指令時(shí),先判斷連接是否正常,再發(fā)送指令給客戶端,連接異常時(shí),就會(huì)關(guān)閉進(jìn)程和連接,再重新等待連接,從而實(shí)現(xiàn)了斷點(diǎn)續(xù)傳功能.圖8為服務(wù)器端的斷點(diǎn)續(xù)傳流程圖.

6 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí),由于采集的數(shù)據(jù)量較大,而且有大量的無(wú)用數(shù)據(jù),直接存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)造成存儲(chǔ)成本的增加.因此對(duì)于那些重復(fù)不變的數(shù)據(jù),或者變化范圍很小的數(shù)據(jù),在保存之前進(jìn)行刪除處理.由于此方法采用的是一種類似有損壓縮的數(shù)據(jù)處理方法,還原后的數(shù)據(jù)的精度是根據(jù)參數(shù)允許的誤差范圍值所決定的,每個(gè)參數(shù)值的最大允許誤差需要進(jìn)行設(shè)置.

6.1 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮處理的具體思路是，在數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝相關(guān)服務(wù)程序,程序的主要功能是為每塊模擬板采集的數(shù)據(jù)建立獨(dú)立項(xiàng)目,每個(gè)項(xiàng)目有獨(dú)立的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存,采集的數(shù)據(jù)保存在緩存中,每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)設(shè)定唯一的ID.程序在每個(gè)整點(diǎn)執(zhí)行一次數(shù)據(jù)處理任務(wù),將緩存空間的數(shù)據(jù)讀取出來(lái),循環(huán)判斷每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的變化情況,和預(yù)先設(shè)定的每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)允許的最大偏差值進(jìn)行對(duì)比,如果數(shù)據(jù)變化在該范圍內(nèi)，就刪除該采集的數(shù)據(jù),如果變化在該范圍外，則保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并且刪除緩存中的該條數(shù)據(jù).

圖8 服務(wù)端斷點(diǎn)續(xù)傳流程圖Fig.8 HTTP server flow chart

6.2 數(shù)據(jù)還原

采用數(shù)據(jù)壓縮的方法,雖然可以減少工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量,但這些數(shù)據(jù)在生成曲線時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題.如圖9所示，a圖中是沒(méi)有補(bǔ)充前點(diǎn)數(shù)據(jù)的曲線,b圖是補(bǔ)充前點(diǎn)數(shù)據(jù)的曲線,b圖是正確的.因此補(bǔ)充前點(diǎn)的數(shù)據(jù)后,生成的曲線才跟實(shí)際情況相符合.

圖9 數(shù)據(jù)曲線生成圖Fig.9 Data curve generation diagram

具體的代碼如下:

for(int i = 1;i < dt.Rows.Count -1 ;i++)

{

if(DateTime.Parse(dt.Rows[i][0].ToString())-DateTime.Parse(dt.Rows[i-1][0].ToString())> newTimeSpan(0,1,0))

//后一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間比前一個(gè)的時(shí)間值大于1 min(此處1 min表示采集點(diǎn)時(shí)間間隔),則補(bǔ)上前1 min的點(diǎn)

{

DataRow newRow = dt.NewRow();

newRow[0]= DateTime.Parse(dt.Rows[i][0].ToString()).AddMinutes(-1);

newRow[1]= dt.Rows[i - 1][1].ToString();

dt.Rows.InsertAt(newRow,i);

i++;

}

7 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)工程機(jī)械監(jiān)控領(lǐng)域所面臨的通用性問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了基于B/C/S模式的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng).設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;完成了基于以太網(wǎng)的斷點(diǎn)續(xù)傳,減少了數(shù)據(jù)意外丟失;在服務(wù)器端,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的壓縮與還原算法,緩解了服務(wù)器存儲(chǔ)空間的壓力.實(shí)踐證明:本系統(tǒng)可以應(yīng)用到多廠家生產(chǎn)的工程機(jī)械集群中,具有一定的通用性,能夠?qū)崟r(shí)獲取當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀況,使得工程機(jī)械的工作狀態(tài)得以透明化,方便了各單位對(duì)機(jī)械故障的排除,以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查閱,提高了工程機(jī)械的操作安全性與運(yùn)行高效性.對(duì)于設(shè)備管理者來(lái)說(shuō),利用該監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地對(duì)所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)合理的調(diào)配和協(xié)調(diào)工作.

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Research on general field/remote monitoring system of construction machinery groups

WANG Guoqing,CHEN Weizhen,XU Peipei,Liu Xu,ZHAI Jiaxing

(School of Construction Machinery,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China)

Currently,construction machinery groups of construction enterprises,mostly from different vendors,data interfaces of build-in dedicated controller of a device mostly private,resulting in these devices can not achieve universal remote/site control.To solve this problem,a construction machinery monitoring system platform based on external PAC of generic B/C/S integrated mode is built.PAC capture real-time inertial data of motion parts and digital/analog sensor signal of devices,and complete the data transfer function.Software platform complete system architecture for site monitoring and remote monitoring,and implementation of key technologies which affect the speed and cost of the server:HTTP,data compression and restore algorithms.System has been used and verified in the shield machine monitoring system.

construction machinery; external PAC controller; HTTP; remote monitoring

陜西省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(2016GY-003)

王國(guó)慶(1972-)，男，教授.E-mail:WangGQ@chd.com.

TP 319

A

1672-5581(2017)01-0077-06