脈沖強磁場裝置監控軟件系統的研制

施江濤,韓小濤,謝劍峰

(華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心(籌),武漢 430074)

脈沖強磁場裝置監控軟件系統的研制

施江濤,韓小濤,謝劍峰

(華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心(籌),武漢 430074)

針對現有脈沖強磁場實驗裝置的監控系統操作繁瑣、交互性差等問題,研制了脈沖強磁場裝置監控軟件系統,從監控軟件系統采用C/S結構、監控內部通信采用TCP和UDP混合協議,控制軟件與裝置的通信采用TCP、OPC技術,界面設計采用Flash開發程序等方面分析關鍵技術,實現了遠程監視和控制功能,應用效果良好,為強磁場下的科學研究提供了良好的操作平臺。

監控軟件;TCP;UDP;Flash;脈沖強磁場

0 引 言

脈沖強磁場裝置為物理、材料、化學及生物醫學等領域提供了重要研究平臺。武漢強磁場中心目前已建成大型脈沖強磁場實驗裝置,該裝置將提供50～80T的長脈沖、短脈沖、長短脈沖等各類磁場,成為世界上四大脈沖強磁場中心之一[1-2]。已有強磁場實驗裝置的控制系統主要采用現場硬件操作,不同的科學實驗系統配置不同的控制子系統,操作繁瑣,交互性差。隨著計算機技術和網絡技術的發展,開發統一的遠程監控系統既可以保障人員和設備安全,也可簡化實驗操作,減少人為操作失誤。該文設計和研發了脈沖強磁場裝置的監控軟件系統,實現了電源模塊和所有實驗系統的統一遠程控制,軟件系統采用基于以太網通信的分布式架構,實現強磁場裝置的實時監視和安全可靠控制。

1 監控系統的整體設計

脈沖強磁場監控系統主要包括本地控制子系統、遠程監控軟件系統、觸發裝置等。每個電源模塊/實驗站均根據功能需求配置一套本地控制子系統。本地控制子系統由現場采集控制設備組成,負責采集現場的開關/模擬量信號、實驗波形

數據等,接收和執行監控軟件的控制命令,完成控制操作。為了提高系統可靠性,本地控制子系統還需完成一定的控制邏輯,檢測本單元的故障,以便迅速切除故障,并將信息反饋給監控軟件,通過監控軟件實現各模塊之間的連鎖保護。

監控軟件系統布置在中央控制室的計算機上,包括服務器、客戶端、工程師站,是脈沖強磁場裝置的唯一操作平臺,起著至關重要的作用,它需要給用戶提供一個友好的操作界面,協調好各個模塊的工作,控制整個裝置的實驗流程。觸發裝置接收監控軟件的命令產生脈沖時序,以毫秒級時序觸發各現場設備按設定的時序進行工作。

2 監控軟件系統的設計

脈沖強磁場監控軟件系統通信網絡選擇以太網。在硬件上,中央控制室與各電源/實驗站之間采用光纖連接,通過光信號隔離強電以保障安全。同時以太網通信技術為軟件系統的靈活性奠定了堅實的基礎,使得軟件系統開發可以采用更靈活的架構、開放式的通信方式。

2.1 監控軟件系統的結構設計

脈沖強磁場監控軟件系統采用C/S結構開發,分成三個部分:配置端、服務器、客戶端,其系統結構如圖1。客戶端和服務器既可以運行在不同的計算機上,也可以運行在同一臺計算機上。這種架構下,可以配置多個客戶端,實現多用戶的操作。

圖1 監控軟件系統結構

配置端程序配置系統的各個硬件設備信息,設定各種硬件參數以及用戶權限的管理,為整個系統運行提供基礎數據支持。配置信息包括。

a.完成各類信息的配置,如電源參數、磁體信息、用戶信息、用戶權限、監控設備地址等。

b.配置磁體連接關系,使得磁體可以關聯任意磁體間,并接入需要的分接器,完成系統放電電流結構的配置。

服務器是整個監控軟件系統的核心,與現場監控設備實時通信,獲取設備的實時狀態;接收客戶端的控制命令,對命令進行校驗并下發到監控設備,從而完成實驗流程控制;協調不同客戶端實驗時的資源互鎖。監控服務器通過數據庫獲取系統配置信息,并將系統運行記錄保存到數據庫。

(4) 為保障施工質量和優化支護設計，確保鋼拱架受壓變形可控，還需進行圍巖變形監測，施工監測每天不得少于1次，在拱架變形嚴重、圍巖過渡段、注漿前后等特殊時期每日檢測不得少于2次。

客戶端程序是功能實現的主要載體,為客戶提供友好的用戶接口和操作平臺,完成實驗計劃的管理、根據用戶的需求完成實驗方案的制定、設備調試、以及實驗數據查詢顯示。用戶的操作請求被客戶端發送到服務器,服務器經過處理后將處理結果送回客戶端。為了簡化服務器的處理,客戶端直接從數據庫服務器獲取系統配置信息和統計查詢數據。

2.2 基于TCP和UDP混合協議的監控內部通信

脈沖強磁場監控軟件系統的客戶端和服務器之間的通信數據可以大致分為廣播數據和點對點數據,根據不同數據對可靠性的要求,文中所設計的監控軟件系統采用TCP和UDP結合的混合通信協議,既可減少系統資源消耗,又可保障數據的可靠傳輸。

a.廣播數據。這類數據主要是實時狀態數據,比如現場開關/繼電器的位置、電容器當前電壓值、控制設備的故障狀態等,此類信息需要發送給所有客戶端,用于刷新用戶界面,進行實時顯示,一般由服務器以0.5s為周期循環向所有客戶端發送,客戶端不需要應答,只需單向通信。對于廣播數據,采用UDP協議,只使用一個端口進行廣播或者組播發送,不用針對每個客戶端建立獨立的連接,可以減少系統資源消耗。盡管UDP不是可靠連接,有丟包的可能性,但目前以太網設備處理能力越來越強,丟包的概率很小。即使丟包,也只是客戶端延遲一個周期接收到數據。

b.點對點數據。主要是操作命令及響應數據,比如客戶端發出調試命令、實驗操作命令以及服務器處理客戶端命令后的響應報文,以及當前實驗操作過程中產生的各類實驗消息記錄、實驗波形。這些數據在當前操作客戶端和服務器之間進行傳輸,而與其他客戶端無關。對于點對點的數據,必須可靠傳輸并且響應速度快,如果數據丟

失,客戶端的操作應答沒有響應,可能導致客戶端無法進行后續操作。所以采用TCP協議進行通信,服務器程序作為TCP的服務端,開啟TCP連接偵聽,客戶端程序啟動后進行TCP連接,在客戶端運行過程中一直保持連接狀態。

2.3 控制軟件與裝置的通信設計

該系統中現場檢測控制設備均用以太網方式接入監控軟件系統,但系統中存在3類不同的設備,不同的設備采用不同的方式接入監控軟件系統:

b.只有串口的自制設備,采用串口轉以太網的模塊進行轉換后再接入以太網;

c.自帶網口的西門子S7-300系列PLC設備。

針對前2種設備,制定了“一問一答”的應用層通信協議,然后經TCP協議封裝后進行通信。監控程序只需利用Socket編程即可實現與這些設備的通信,這樣既利用了網絡通信的開放性,又可保證采用串口通信的設備通信可靠性[3]。

西門子S7-300系列PLC設備被用于電源模塊的本地監控單元。采用PLC的好處是可靠性高、擴展性強、實時性高、功能強,而且編程方便靈活,可以大大提高開發速度。監控軟件并不直接和PLC通信,而是通過OPC接口訪問PLC的數據[4]。監控程序通過OPC接口函數Read讀取OPC服務器上的數據實現數據刷新;通過Write函數寫OPC服務器上的數據向PLC發送控制指令,PLC接收到指令后則通過邏輯處理實現開關分合控制、實驗流程控制等功能。

2.4 控制軟件的界面設計

在監控軟件系統中,系統狀態圖、電源模塊狀態圖、實驗步驟狀態圖、實驗室布局圖等均采用Flash動畫進行顯示。每個Flash動畫中包含一些基本的元件,用來表示一種現場設備。每個元件通常包含多個幀,每幀顯示設備的一種狀態。如開關元件用于顯示開關的狀態,該元件內包含3個幀,分別對應開關的斷開、閉合和異常狀態,在Flash中只需切換幀的顯示即可顯示開關的不同狀態。Flash主畫面通常只有一幀,用ActionS-cript3.0語言編寫對外訪問接口。如:提供接口SwitchSts實現開關狀態顯示。若被外部程序調用,接口函數首先須在初始化腳本中調用ExternalInterface.addCallback進行注冊。

監控軟件系統采用VC#開發,可以和Flash實現雙向交互,其交互原理如圖2所示:

圖2 VC#和Flash交互原理

通過VC#控制Flash,首先需在VC#工程中添加動態庫的引用,將AxShockwaveFlash控件添加到界面上,該控件作為容器顯示Flash動畫,然后通過調用控件的LoadMovie和Play函數加載Flash文件并播放動畫。對于Flash中的接口函數,VC#通過Flash.External.ExternalInterfaceProxy類作為代理并通過call函數進行訪問,以達到動態顯示的效果。

在Flash動畫中也可以觸發VC#的事件實現雙向交互。當Flash中調用ExternalInterface. call時,可以觸發VC#中Flash控件產生事件; VC#中則通過為AxShockwaveFlash控件添加ExternalInterfaceCall事件處理函數響應Flash中用戶的指令。利用Flash技術設計的客戶端主界面如圖3所示,圖中電源結構圖①、系統結構圖②和實驗流程狀態指示圖③均用Flash開發,在實驗過程中能顯示開關狀態、電壓值的變化,以信號燈的形式顯示實驗的當前狀態。

圖3 監控軟件客戶端主界面

3 應用情況及效果

以上所研制的監控軟件系統已經于2014年正式投入使用,在中央控制室部署了1臺服務器,4臺客戶端,1個工程師站。該系統實現了對13套電容器電源模塊、8個實驗站子系統的遠程監視和控制,主要包括以下功能:

a.狀態監視:實時監視開關的狀態、測量值、現場控制設備的運行狀態,實時刷新頻率為1s;

b.實驗方案管理:操作人員可以根據實驗需要預先配置使用的實驗站、電源模塊以及實驗參數等,形成實驗方案,方便多次實驗時使用;

c.實驗流程控制:實現充電、放電、泄能、急停等實驗操作功能,系統自動順序完成各操作功能的內部流程;

d.調試功能:提供對各類開關、觸發信號、警示信號等等的調試手段;

e.安全閉鎖功能:實現多種安全手段和閉鎖功能,保障設備和人員安全,例如設備不正常閉鎖實驗、前置操作不完成不允許后續操作、多用戶實驗互鎖等。

該系統還記錄了詳細的歷史數據,具有完善的統計查詢功能,可以按時間、操作人、狀態、電壓等級等條件查詢實驗信息、電源和磁體的使用情況,同時可以按不同的條件進行分類統計。截止2015年12月,利用該監控軟件系統,進行各類科學實驗18 950次,系統運行穩定。

4 結束語

脈沖強磁場監控軟件系統采用了C/S系統結構,實現分布式處理和多用戶操作,使用靈活。在通信方式的選擇上,采用TCP和UDP結合的混合通信協議,該方式保證了數據傳輸的可靠性,同時降低了系統資源的消耗。系統界面采用Flash技術,實現了操作界面的矢量化顯示,有效提高了人機交互性。通過脈沖強磁場監控軟件的應用,實現了脈沖強磁場裝置的實時監視和安全可靠控制,為強磁場下的科學研究提供了良好的操作平臺。

[1] Li Liang,Peng Tao,Han Xiaotao,et al.Magnet development program at the WHMFC[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.,2012,22(3):4300304

[2] Li Liang,Lv Yiliang,Ding Hongfa,et al.Short and long pulse high magnetic field facility at the Wuhan National High Magnetic Field Center[J].IEEE Trans.Appl.Supercond.,2014,24(3):9500404

[3] 施江濤,黃瀾濤,謝劍鋒,等.脈沖強磁場測量數據實時遠程傳輸的設計與實現[J].儀表技術與傳感器,2013(7):49 51,61.

[4] 韓小濤,孫文文,謝劍鋒,等.基于OPC技術的脈沖強磁場裝置實時控制系統的研究[J].儀表技術與傳感器,2010 (6):97-100.

本文責任編輯:谷麗娜

Design and Realization of Control and Monitoring Software of Pulsed High Magnetic Field Facility

Shi Jiangtao,Han Xiaotao,Xie Jianfeng
(Wuhan National High Magnetic Field Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In the traditional control systems for the pulsed high magnetic field facility,the operation is complicated and the user needs to operate in field.To approve the convenience of the operation,a control and monitoring software system was designed and developed for the pulsed high magnetic field facility.The system is based on Client/Server architecture.The combination of TCP and UDP is applied in the communication between the different parts of the system,and such open communication technologies as TCP and OPC are used in the communications between the system and the field devices.The user interface is developed base on Flash.The control and monitoring software system implements remote monitoring and control to pulsed high magnetic field facility and has been put into use.It works well and provides a good operation platform for the scientific research under the pulsed magnetic field.

control and monitoring software;TCP;UDP;Flash;pulsed high magnetic field

TM83

B

1001-9898(2016)04-0018-03

2016-03-01

施江濤(1975-),男,工程師,主要從事電磁測量及檢測技術、電力系統信息及其自動化技術的研究。