可編程及智能化測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)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(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

目前，工業(yè)領(lǐng)域中監(jiān)控軟件大多都是應(yīng)用于固定的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的智能工業(yè)設(shè)備無法滿足日益增長(zhǎng)的需求，系統(tǒng)本身的靈活性和可擴(kuò)展性較低，不具備程序重構(gòu)的功能。一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生了改進(jìn)，修改控制系統(tǒng)需要用腳本語(yǔ)言編寫腳本，使得軟件適用的人群仍然是專業(yè)的編程人員，使用門檻較高，周期較長(zhǎng)而且較繁瑣。隨著生產(chǎn)工藝改進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備的軟件無法正常使用，軟件升級(jí)過程期間導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備停產(chǎn)，設(shè)備故障無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)排除故障等問題，從而拖慢生產(chǎn)進(jìn)度，影響生產(chǎn)效率。同樣對(duì)于中小型企業(yè)來說，組態(tài)軟件中諸多功能并沒有使用到，而高昂的費(fèi)用增加了企業(yè)的負(fù)擔(dān)，為解決這些問題筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可編程及智能化測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試門檻，使得用戶可以隨時(shí)根據(jù)自身需求來進(jìn)行編程，同時(shí)運(yùn)用邊緣計(jì)算、設(shè)備到設(shè)備之間通信技術(shù)、5G通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備及設(shè)備到云端服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互。本文詳細(xì)地闡述了該平臺(tái)的組成及工作原理、軟硬件組成設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通信和數(shù)據(jù)交互方式設(shè)計(jì)、專家控制方式以及云數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者通過參考多篇有關(guān)于組態(tài)軟件性能及功能的文獻(xiàn)，研究出一種可編程及智能化測(cè)控開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由五層網(wǎng)絡(luò)體系組成。具體是由上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控對(duì)象層、下位機(jī)控制器、云服務(wù)器、外部通信系統(tǒng)以及PC和手機(jī)端構(gòu)成。系統(tǒng)總體框架見圖1。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)開始工作時(shí)，用戶根據(jù)控制系統(tǒng)的組成制作軟件指令的I/O表，設(shè)置基礎(chǔ)的輸入輸出及模擬量等參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)背景圖，然后導(dǎo)入上位機(jī)組態(tài)軟件中，根據(jù)參數(shù)設(shè)置測(cè)控對(duì)象監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完整地呈現(xiàn)出監(jiān)控的畫面。

另外，用戶需要對(duì)監(jiān)控畫面進(jìn)行完善，可以通過將現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)將手機(jī)App和PC端實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)相互結(jié)合形成雙終端監(jiān)控狀態(tài)，將計(jì)算機(jī)組態(tài)監(jiān)控配備由手機(jī)端進(jìn)行輔助，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得手機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面效果更清晰、合理、準(zhǔn)確。

圖1 系統(tǒng)總體框架

在進(jìn)入編程模式時(shí)，用戶采用一種新型圖形化編程方法，通過使用TGCS平臺(tái)，用戶只需根據(jù)每個(gè)工藝進(jìn)程，創(chuàng)建各功能指令之間的連線并拖動(dòng)對(duì)應(yīng)圖形完成，最后將程序放置程序運(yùn)行處便完成了編程。用戶可以登錄云端平臺(tái)進(jìn)行程序查找，通過控制系統(tǒng)的功能及需求可以從云數(shù)據(jù)庫(kù)上搜索找到功能操作相關(guān)的程序下載并導(dǎo)入上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件中供以后方便調(diào)用；若軟件系統(tǒng)中不存在相關(guān)指令和程序，則需要用戶依據(jù)自身需要進(jìn)行相應(yīng)指令的定義和開發(fā)，之后用戶可以直接調(diào)用相關(guān)指令，后期可以對(duì)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化處理，通過結(jié)合專家控制算法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控對(duì)象的變化進(jìn)行在線調(diào)整。另外，根據(jù)建立的基礎(chǔ)指令集，用戶還可以使用PC端和手機(jī)端進(jìn)行編寫，通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到上位機(jī)監(jiān)控軟件中，導(dǎo)入完成程序。用戶需要將系統(tǒng)中的測(cè)控對(duì)象與下位機(jī)控制器對(duì)應(yīng)的接口進(jìn)行連接，上位機(jī)與下位機(jī)通過串行通信將兩者連接，用戶啟動(dòng)控制系統(tǒng)開始運(yùn)行。上位機(jī)每次將處理工藝的過程以指令方式傳送到下位機(jī)控制器，下位機(jī)控制器通過程序執(zhí)行過程對(duì)測(cè)控對(duì)象發(fā)送控制信號(hào)，然后測(cè)控對(duì)象通過將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到云端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行備份的同時(shí)運(yùn)用邊緣計(jì)算技術(shù)(D2D)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算，并將信息反饋到手機(jī)監(jiān)控App或PC端，監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)各部分運(yùn)行情況，如遇突發(fā)情況則會(huì)調(diào)用相關(guān)的中斷處理方式處理。手機(jī)監(jiān)控通過網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)保持同步，與監(jiān)控軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。用戶也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，排除一切可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，通過現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象運(yùn)行，與其他外部通信系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)相互通信。

最后，用戶可將運(yùn)行成功后的程序上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣其他用戶在開發(fā)時(shí)便可以直接訪問云端搜索下載程序并使用，使得云端數(shù)據(jù)庫(kù)不斷發(fā)展完善。系統(tǒng)工作原理見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作原理

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件指令集

指令在系統(tǒng)中充當(dāng)“血液”，系統(tǒng)所有的操作都將轉(zhuǎn)換為一條條指令在期望的時(shí)間、對(duì)應(yīng)的模塊進(jìn)行執(zhí)行。制定一套較為完整的指令集才能更好地讓人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的信息交換變得更加清晰。

2.1.1 指令設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警指令、控制指令、I/O指令、程序執(zhí)行指令、設(shè)備動(dòng)作指令等一系列系統(tǒng)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(zhí)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(tǒng)部分指令

上位機(jī)中保存的指令為系統(tǒng)內(nèi)部指令，給用戶提供了循環(huán)指令、判斷指令、I/O指令、設(shè)備監(jiān)控指令等，方便用戶根據(jù)自身工業(yè)流程調(diào)用相關(guān)指令來控制下位機(jī)PLC。但是不同的工業(yè)領(lǐng)域有不同的工業(yè)流程，本系統(tǒng)還支持用戶根據(jù)自身需要設(shè)置私有的指令集，所設(shè)置的私有指令集與系統(tǒng)內(nèi)部公有指令集具有相同的優(yōu)先級(jí)，對(duì)下位機(jī)PLC的訪問及控制具有相同的權(quán)限。

2.1.2 圖形化指令處理方式。通過使用TGCS平臺(tái)可以令用戶不需要自己編寫完整的執(zhí)行程序，只需要調(diào)用系統(tǒng)指令庫(kù)中的相關(guān)指令，或者根據(jù)自身實(shí)際需要，通過簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)和編寫自己的私有指令并調(diào)用，創(chuàng)建功能間的各端點(diǎn)的連線設(shè)置運(yùn)行的先后次序等，拖動(dòng)指令所對(duì)應(yīng)的圖形進(jìn)行組合，完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)依據(jù)用戶調(diào)用相關(guān)的一系列指令生成程序后線性執(zhí)行，依據(jù)相關(guān)指令，控制對(duì)應(yīng)部件執(zhí)行相應(yīng)操作。

2.2 云端數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中控制層設(shè)備與測(cè)控對(duì)象數(shù)量、通信密集度安全需要采用不同數(shù)據(jù)庫(kù)，云端數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)有低成本、輕松部署、高可靠的優(yōu)勢(shì)。云端數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建可選用阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)RDS MySQL版，云端數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)有控制功能的程序源代碼，存儲(chǔ)監(jiān)控畫面與用戶的接收端交互，方便用戶觀察與控制測(cè)控對(duì)象的運(yùn)行，存儲(chǔ)測(cè)控對(duì)象工作狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、溫度等參數(shù)，控制層監(jiān)控軟件和控制器的源代碼、通信指令集和專家控制規(guī)則，支持用戶將自己開發(fā)的程序上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。見圖3。

圖3 云端數(shù)據(jù)庫(kù)框圖

2.3 軟件動(dòng)態(tài)優(yōu)化處理

云數(shù)據(jù)庫(kù)是該系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)算中心的核心，因此根據(jù)云環(huán)境中的動(dòng)態(tài)特性調(diào)用計(jì)算機(jī)資源將其內(nèi)部任務(wù)分配開，任務(wù)分配器需要通過總端點(diǎn)將各個(gè)小任務(wù)傳送到多個(gè)支端點(diǎn)上，使得任務(wù)在多個(gè)支端點(diǎn)上的操作單元進(jìn)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(wù)相同便可以在執(zhí)行同樣任務(wù)的操作單元循環(huán)進(jìn)行，使其計(jì)算效率提高。同樣，可以在各個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行更精細(xì)地劃分，可以采用螢火蟲遺傳算法將單元中所有動(dòng)作進(jìn)行細(xì)分，并限定在一定時(shí)間和空間內(nèi)進(jìn)行操作，它可處理相對(duì)復(fù)雜、隨機(jī)的算法函數(shù)，且生成對(duì)系統(tǒng)更好的功能算法，進(jìn)行相對(duì)平衡地發(fā)展，優(yōu)化分配資源可相對(duì)減少總計(jì)算任務(wù)的操作時(shí)間，系統(tǒng)總的運(yùn)行方面的消耗會(huì)大大降低。

另外，為降低傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)庫(kù)中心工作流的能耗問題，可采用新的優(yōu)化調(diào)度算法以滿足用戶在約束時(shí)間內(nèi)給出使用最少的完成工作的調(diào)度方案。在云數(shù)據(jù)庫(kù)中心上構(gòu)建雙層虛擬化云架構(gòu)，采用時(shí)間利用率最大化調(diào)度(TUMS)和運(yùn)行時(shí)間壓縮(RTC)兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)調(diào)度算法，TUMS在給定時(shí)間內(nèi)選擇使用最少且合適的處理器及虛擬機(jī)數(shù)量在準(zhǔn)備階段，下一步RTC找到可運(yùn)行的設(shè)備，通過縮短工作時(shí)間提高服務(wù)器工作效率。同時(shí)可以采取軟件定義時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)作為優(yōu)化系統(tǒng)中消息調(diào)度的一種新型模式，可在消息調(diào)度算法之上采用MAV調(diào)度算法，能更加保證消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

下位機(jī)控制器也要根據(jù)手機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)終端的空閑時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)資源的分配合理實(shí)時(shí)在指定時(shí)間進(jìn)行發(fā)送，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。

3 硬件設(shè)計(jì)

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(qiáng)抗干擾效果，加裝了電源凈化器件(電源濾波器等)，其帶動(dòng)負(fù)載(例如按鈕等輸入裝置)時(shí)需注意采用合適容量，同時(shí)在電路上加裝熔斷器以保護(hù)電路。PLC控制系統(tǒng)的輸出電路中所連接的各種指示燈、變頻器/調(diào)速器的啟動(dòng)/停止應(yīng)采用晶體管的方式輸出，它適合高頻時(shí)段，響應(yīng)時(shí)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(fù)載能力強(qiáng)。

PLC工作方式就是根據(jù)上位機(jī)發(fā)出到下位機(jī)的命令，再解釋為相應(yīng)的時(shí)序信號(hào)控制設(shè)備，同時(shí)下位機(jī)也要實(shí)時(shí)讀取設(shè)備的狀態(tài)信息將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送到上位機(jī)。下位機(jī)擁有獨(dú)立和更可靠的通信協(xié)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(duì)控制器內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)和處理，然后再檢測(cè)外部通信模塊，之后與上位機(jī)及服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，下載程序后，對(duì)PLC程序進(jìn)行處理采集信息，確定輸入寄存器信息符合，按下按鈕。每個(gè)按鈕都有相對(duì)應(yīng)的與測(cè)控對(duì)象連接的電機(jī)，模擬量輸入，程序執(zhí)行，從而電機(jī)輸出邏輯狀態(tài)，不斷通過輸出寄存器狀態(tài)變化產(chǎn)生高低電位，驅(qū)動(dòng)其外部負(fù)載，最后讀取寄存器內(nèi)的信息便可以實(shí)時(shí)獲取整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。另一種方式是通過將工控觸屏、PLC和物聯(lián)網(wǎng)模塊組合在同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)段，各模塊有獨(dú)立的通信地址，需要用戶使用專有的信息登錄物聯(lián)網(wǎng)模塊配置軟件，向其中添加相應(yīng)的設(shè)備地址及連接方式，再由系統(tǒng)進(jìn)行檢查，無誤后方可以開始下位機(jī)遠(yuǎn)程控制。用戶可以使用觸摸屏進(jìn)行在線監(jiān)控調(diào)試，以及程序下載及應(yīng)用。

4 軟硬件通信及數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

4.1 基于5G的邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

在5G技術(shù)的支持下，邊緣計(jì)算技術(shù)將得到有效的發(fā)展。邊緣計(jì)算技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)、高帶寬背景下發(fā)展起來的新興技術(shù),其核心在于靠近用戶設(shè)備的邊緣側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，目的是提高數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。中國(guó)邊緣計(jì)算技術(shù)聯(lián)盟(ECC)將其定義為包含設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用4個(gè)方面。

邊緣計(jì)算技術(shù)使用了更加靠近應(yīng)用程序和測(cè)控設(shè)備側(cè)的可信結(jié)點(diǎn)，為用戶提供更加快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)計(jì)算與分析，提高了工業(yè)控制領(lǐng)域數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性，同時(shí)解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中的流量壓力和云端數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)處理壓力。運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算的同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作，保證了在數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性。

4.2 基于CAN總線實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)連接在其通信接口上的設(shè)備進(jìn)行智能控制，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，而且當(dāng)一個(gè)工作單元出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他工作單元的正常工作，將其融合在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)操作指令的精確實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和及時(shí)性。本系統(tǒng)使用CAN總線實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，使得控制信息可以及時(shí)地反饋到每個(gè)設(shè)備和上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。通過預(yù)先植入下位機(jī)中的程序指令，由各設(shè)備自主決定下一步所要進(jìn)行的操作，實(shí)現(xiàn)智能化工業(yè)控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

大多工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)都是在固定模式下進(jìn)行操作，為此，筆者提了這種圖形化低代碼平臺(tái)以及智能測(cè)控一體系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行全面構(gòu)建，提高智能化程度的同時(shí)還具備程序重構(gòu)功能，利用多種軟件優(yōu)化調(diào)度算法和專家控制方法實(shí)現(xiàn)了工業(yè)中控制程序的高效開發(fā)和準(zhǔn)確測(cè)控，加快了工業(yè)的開發(fā)速度，改變了傳統(tǒng)過程設(shè)備控制程序的固化模式。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此系統(tǒng)可移植性高于傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，可用于多種不同的工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了編程圖形化和測(cè)控智能化，很大程度上提高了工業(yè)智能化測(cè)控的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。