測(cè)試過程控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛穎蓓

摘 要：針對(duì)不同數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制問題，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一套測(cè)試過程控制系統(tǒng)。硬件采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，通過OPC接口、通過現(xiàn)場(chǎng)總線、通過RS485接口、通過文件接口、通過ODBC接口和其他標(biāo)準(zhǔn)接口或非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口采集多個(gè)測(cè)點(diǎn)信息。軟件采用主流的C/S架構(gòu)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)，通過多客戶端、分布式運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行集成處理顯示，并可以實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)控制各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。該設(shè)計(jì)已在某工程上得到應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能完成多個(gè)測(cè)點(diǎn)信息采集和處理的測(cè)試過程控制。

關(guān)鍵詞：測(cè)試過程;異構(gòu)數(shù)據(jù)集成;C/S架構(gòu);數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0046-03

1 概述

為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)參量的動(dòng)態(tài)聯(lián)合診斷，要求測(cè)量手段具有一定的全面性和完整性。能包含多個(gè)方面，能夠同時(shí)完成響應(yīng)過程的測(cè)量。這就需要在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建測(cè)試過程控制系統(tǒng)，通過對(duì)同一時(shí)基下測(cè)量數(shù)據(jù)的匯總和分析，給出測(cè)量的綜合信息，為系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)價(jià)提供依據(jù)。測(cè)試過程控制系統(tǒng)用于對(duì)測(cè)試過程的監(jiān)視和控制，并能夠進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)、分析等。系統(tǒng)能完成各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置、控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和記錄，將各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的功能和信息等集成到相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，通過對(duì)該信息的綜合分析，獲得測(cè)試過程性能評(píng)估[1]。快速準(zhǔn)確地獲取和記錄完整的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各測(cè)試點(diǎn)集中、高效、便利的管理，并有助于幫助快速診斷出故障狀態(tài)。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試過程控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)[2]，實(shí)現(xiàn)信息、信號(hào)（數(shù)據(jù)）的接入及整合，消除各設(shè)備的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和控制和過程自動(dòng)化管理，輔助更加有效、準(zhǔn)確地完成測(cè)試過程控制的集中監(jiān)測(cè)、管理及數(shù)據(jù)分析工作。

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由服務(wù)器、客戶端構(gòu)成SCADA C/S結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的分布式體系結(jié)構(gòu)由主、備兩臺(tái)SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺(tái)關(guān)系庫服務(wù)器、1臺(tái)報(bào)表服務(wù)器和若干臺(tái)HMI客戶端構(gòu)成，彼此分工協(xié)同，形成一個(gè)整體。如圖1所示。

SCADA服務(wù)器是功能完備的計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]，它綜合利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)，完成對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備分散的各種過程或設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，本地或遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制，SCADA服務(wù)器直接連接到物理I/O點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)集成服務(wù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳至關(guān)系數(shù)據(jù)庫，形成過程的歷史數(shù)據(jù)，以提供數(shù)據(jù)的分析、報(bào)表等功能，完成數(shù)據(jù)采集并維護(hù)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（PDB），HMI客戶端實(shí)現(xiàn)各裝備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能，提供全局概貌、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表和各監(jiān)測(cè)裝備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控等功能。

SCADA數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器配置為：2路4核處理器，16G，300G*8（RAID 5），4端口千兆Flex-LOM以太網(wǎng)，DVD光驅(qū)，WINDOWS 2012標(biāo)準(zhǔn)版操作系統(tǒng)。報(bào)表服務(wù)器配置為：2路4核處理器，16G，300G*2，4端口千兆Flex-LOM以太網(wǎng)，DVD光驅(qū)，WINDOWS 2012標(biāo)準(zhǔn)版操作系統(tǒng)。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，SCADA服務(wù)器采用雙機(jī)熱備系統(tǒng)。一臺(tái)作主站，另一臺(tái)機(jī)器作副站，主站完成服務(wù)器的正常工作，另一臺(tái)與它同步。當(dāng)主站故障時(shí)，副站接管主站的工作，雙機(jī)熱備包括I/O通道熱備，多個(gè)客戶端共同訪問一個(gè)服務(wù)器端。

網(wǎng)絡(luò)要承載測(cè)試過程控制系統(tǒng)和其他信息化業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬占用較多。為保證測(cè)試過程控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)募皶r(shí)性，本文網(wǎng)絡(luò)定義為信息網(wǎng)[4]。信息網(wǎng)主要負(fù)責(zé)測(cè)試過程控制系統(tǒng)、信息化的數(shù)據(jù)傳輸，有效保證各類數(shù)據(jù)上傳互不影響，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。選用H3C S3100V2-16TP-EI網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為以太網(wǎng)交換機(jī)主機(jī)，網(wǎng)絡(luò)主體采用千兆主干、百兆接入的架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各控制統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，為測(cè)試過程信息化打好基礎(chǔ)。

由于特殊環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的通訊可能造成干擾，因此各系統(tǒng)之間的通訊連接采用光纖連接。多模光纖通訊可以應(yīng)用于2公里內(nèi)的情況，同時(shí)比單模具有更大的經(jīng)濟(jì)型。系統(tǒng)采用了兩個(gè)信息傳輸系統(tǒng)：（1）因?yàn)橐M量減少信號(hào)傳輸延時(shí)，同步觸發(fā)信號(hào)傳輸系統(tǒng)采用信號(hào)直接傳輸;（2）主控系統(tǒng)具有多個(gè)控制終端，同時(shí)與各分系統(tǒng)進(jìn)行通訊，保證了一定的實(shí)時(shí)性及安全性，單獨(dú)組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 客戶端接口

客戶端數(shù)據(jù)采集接口主要由OPC接口、現(xiàn)場(chǎng)總線、RS485接口、文件接口、ODBC接口和其他標(biāo)準(zhǔn)接口或非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口幾種。

2.2.1 通過OPC接口采集數(shù)據(jù)

對(duì)于具有OPC Server功能的自動(dòng)監(jiān)控模塊，有監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的提供OPC Server功能的機(jī)器安裝SCADA DA For OPC/DDE，作為OPC Client與集控系統(tǒng)的OPC Server連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同步將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)到監(jiān)控端的數(shù)據(jù)下發(fā)。

2.2.2 通過現(xiàn)場(chǎng)總線采集數(shù)據(jù)

對(duì)于采用現(xiàn)場(chǎng)總線又不能提供OPC Server功能的自動(dòng)化系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集工作站安裝RTDB DA For CAN/Modbus，可直接進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)到監(jiān)控端的數(shù)據(jù)下發(fā)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫支持以下總線數(shù)據(jù)的直接采集：CAN、BACnet、Profibus、LonWorks、Modbus、FF、ControlNET。

2.2.3 通過RS485接口采集數(shù)據(jù)

對(duì)于不能提供OPC Server功能的采用RS485傳輸?shù)淖詣?dòng)化系統(tǒng)，將RS485轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)協(xié)議，在數(shù)采工作站安裝RS485驅(qū)動(dòng)和RTDB DA For RS485/232，根據(jù)與子系統(tǒng)廠商共同約定的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，同步將采集的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫完成到監(jiān)控端的數(shù)據(jù)下發(fā)。

2.2.4 通過文件接口采集數(shù)據(jù)

對(duì)于提供交換文件的監(jiān)控子系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集工作站安裝FTP Server和SCADA DA For File，通過與分系統(tǒng)約定文件格式和訪問控制機(jī)制，便可通過文件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫完成到監(jiān)控端的數(shù)據(jù)下發(fā)。

2.2.5 通過ODBC接口采集數(shù)據(jù)

對(duì)于只提供數(shù)據(jù)庫支持的系統(tǒng)，在數(shù)采工作站安裝SCADA DA For ODBC，通過數(shù)據(jù)庫訪問進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)到監(jiān)控端的數(shù)據(jù)下發(fā)。

對(duì)于提供其他標(biāo)準(zhǔn)接口或非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口的子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，定制開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和保存。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件采用C/S架構(gòu)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)[5]，實(shí)現(xiàn)多客戶端、分布式運(yùn)行模式。主要包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、主控服務(wù)器程序、主控控制端、主控配置程序、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理終端。控制系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的本地控制系統(tǒng)建立基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制。基于該通信機(jī)制，制定一套控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)間的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)連接和互動(dòng)，用于整個(gè)測(cè)試過程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過程控制、數(shù)據(jù)管理和決策支持。系統(tǒng)軟件組成框圖如圖2所示。

主控制系統(tǒng)具備對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程的控制和對(duì)各子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)的總體控制：包括實(shí)驗(yàn)前的視頻、語音管理，實(shí)驗(yàn)中各子系統(tǒng)間的邏輯控制和時(shí)序配合控制，實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)匯集與存儲(chǔ)，緊急情況下的急停和故障處理等。（2）子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程過程控制：包括各子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)、過程監(jiān)控、停止以及異常退出處理等。

組態(tài)開發(fā)平臺(tái)ProficyiFIX是HMI/SCADA自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件[6]，iFIX客戶端應(yīng)用包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)畫面、趨勢(shì)、報(bào)表、批次控制、MES等。過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中有多種功能塊可供選擇，包括模擬量、數(shù)字量輸入輸出塊、計(jì)算塊、報(bào)警塊、累計(jì)塊、計(jì)時(shí)器塊、連續(xù)控制塊、統(tǒng)計(jì)塊及SQL功能塊等。各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，集中管理和部分設(shè)備集中遠(yuǎn)程控制，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心及歷史數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、分析和處理。

主控控制端是直接進(jìn)行控制操作的平臺(tái)，也是各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示的平臺(tái)。通過主控控制端發(fā)送控制命令，并監(jiān)視操作結(jié)果及各狀態(tài)量，主要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)視。作為人性化的人機(jī)交互界面，主控控制端采用先進(jìn)的圖形界面軟件編寫[7]，能對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行圖形化、儀表化顯示。主控軟件框架如圖3所示。

主控服務(wù)器是處理和各子系統(tǒng)的通訊，接受控制端的控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)到響應(yīng)的子系統(tǒng);接受子系統(tǒng)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)到主控控制端呈獻(xiàn)給用戶;處理各子系統(tǒng)之間的控制聯(lián)鎖邏輯，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的有效控制，防止人工誤操作。

主控服務(wù)器程序是整個(gè)主控程序的核心，通過服務(wù)器處理，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)客戶端登錄程序，實(shí)現(xiàn)主控和分控同時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，通過內(nèi)部互鎖，可以分別進(jìn)行控制。

配置程序負(fù)責(zé)用戶管理、裝置地址配置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置等配置工作，配置的信息保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

數(shù)據(jù)庫及文件服務(wù)器保存系統(tǒng)配置信息、運(yùn)行信息、實(shí)驗(yàn)記錄等;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線（如溫度、速度、壓力）、x光照片、3維圖像等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以文件方式存放在文件服務(wù)器，以合理的方式進(jìn)行組織，方便查詢顯示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理終端用于在試驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在界面上，查詢檢索歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)分析和管理

該系統(tǒng)具有完備的數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試信息的采集、存儲(chǔ)和分析管理。

（1）數(shù)據(jù)采集包括測(cè)試信息，諸如測(cè)試時(shí)間、測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試內(nèi)容等。測(cè)試過程信息，諸如各子系統(tǒng)參數(shù)信息、測(cè)試過程情況等;（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過主控制軟件獲取各子系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，在主控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上進(jìn)行集中存儲(chǔ)，具備雙機(jī)熱備份功能，保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。在數(shù)據(jù)量達(dá)到一定限度后，將進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，實(shí)現(xiàn)測(cè)試歷史數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)恢復(fù);（3）分析與管理在主控制軟件具有完善的數(shù)據(jù)分析和管理功能，為后期的評(píng)估提供數(shù)據(jù)依據(jù)和決策支持。建立系統(tǒng)運(yùn)行模型，基于該系統(tǒng)的分析功能，可對(duì)各種情況、子系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，分析系統(tǒng)運(yùn)行情況和效果，為子系統(tǒng)的狀態(tài)維護(hù)提供決策依據(jù)。

3.3 主控制程序人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面模塊主要實(shí)現(xiàn)程序的整體架構(gòu)運(yùn)行[8]，包括項(xiàng)目創(chuàng)建、打開、保存和關(guān)閉，項(xiàng)目視圖導(dǎo)航，配置參數(shù)、控制用例的編輯窗口顯示和操作維護(hù)，控制執(zhí)行過程的運(yùn)行、暫停、停止控制等。

主控制程序人機(jī)交互界面布局由菜單欄、狀態(tài)欄、工具欄、項(xiàng)目視圖、編輯視圖和控制視圖組成。人機(jī)交互界面的組成和功能定義如下，菜單欄給出包括項(xiàng)目管理、運(yùn)行控制、配置參數(shù)和文件設(shè)置、窗口維護(hù)和幫助索引在內(nèi)軟件功能按鈕。工具欄給出對(duì)應(yīng)菜單欄的一些按鈕，包括工程建立、打開和保存，以及運(yùn)行啟動(dòng)和停止控制等[9]。項(xiàng)目視圖以樹狀拓?fù)滹@示當(dāng)前打開工程的各功能項(xiàng)，包括各檢測(cè)終端的IP地址、用戶建立的控制用例索引等[10]。編輯視圖以多文檔窗口形式提供控制用例的編輯或?qū)氪翱冢瑢?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示窗口，控制用例執(zhí)行控制和操作窗口等。控制臺(tái)視圖打印軟件的運(yùn)行信息，包括后臺(tái)每個(gè)控制用例操作的執(zhí)行過程信息，返回控制的狀態(tài)信息，以及運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)的報(bào)告信息。狀態(tài)欄顯示當(dāng)前軟件的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間及提示信息。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的測(cè)試過程控制系統(tǒng)，設(shè)置通過現(xiàn)場(chǎng)總線和RS485接口采集數(shù)據(jù)，在主控控制軟件配置基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過主控制程序設(shè)置指令StopCollect停止數(shù)據(jù)采集，可以快速完成測(cè)試過程控制功能。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一套針對(duì)不同數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集且實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制的系統(tǒng)，已完成全部軟硬件開發(fā)、測(cè)試，并成功應(yīng)用于某工程項(xiàng)目中。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)具有良好的通用性、實(shí)時(shí)性、豐富的接口及可擴(kuò)展性。

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