基于WinCC組態的實驗室氣候試驗綜合監控系統設計

李冬梅，吳相甫，李燕杰2，尚 文

(1.航空工業飛機強度研究所，陜西 西安 710065； 2.航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 101111)

飛機氣候實驗室屬于大型人工氣候環境模擬系統，可實現對高溫、低溫、溫度/濕度、淋雨、降雪、凍雨、太陽輻射、降霧和吹風等典型或極端氣候的模擬，滿足新研或設計改型飛機氣候環境試驗驗證需求[1]。實驗室控制管理及數據采集系統是通過協調控制氣候環境實驗室各個工藝系統的運行，來完成實驗室氣候環境下飛機的各單項環境模擬試驗或復合環境模擬試驗，實現對試驗任務配置、試驗過程監控，試驗數據的采集、存儲、分析以及試驗資源的管理等[2]。綜合監控系統作為其中一個重要功能系統，需要完成對氣候環境試驗全過程各個階段的協調指揮以及對各環境模擬工藝系統/設備運行狀態的監測，形成氣候試驗過程的閉環控制。

當前應用于人工環境模擬領域(環境箱或環境實驗室)的自動化測控系統多是基于專用控制器或通用PLC的集散式結構，這種結構以PLC為核心，以各種現場測量儀器(傳感器、變送器)及執行結構為外圍，通過標準的DI/DO、AI/AO信號電纜接入相應信號接口模塊，過程數據通過RS485 Modbus串行鏈路連接到相應通信接口輪詢讀寫，然后監控主機再從控制器/PLC中讀取這些數據進行集中顯示[3]。但是，這種測控系統常用于小型控制系統，僅對控制參數少、模擬環境相對簡單的實驗室比較適用。

氣候環境實驗室需在同一個環境室內模擬11種不同的典型氣候環境，控制參數有溫度、濕度、壓力、流量、風速、液態水含量等10多個。每種典型環境都是由10余套甚至20套工藝系統配合工作而完成。這些工藝系統組成繁雜、布置分散，相互之間距離遠，控制算法各不相同，不同的試驗工況對應的工藝系統運行排列組合也不相同，難以進行集成控制。如何實現試驗過程中各種環境工況快速便捷切換，保持試驗過程的連續性和完整性，是氣候實驗室試驗監控系統的設計要點。保證設備有序、協調一致工作的有效方法是對異構的軟件、硬件資源，應用計算機技術、網絡技術、測控總線技術、現場總線技術和數據共享與管理技術構建通信支持平臺并對其組建綜合試驗開放分布式協同控制管理系統[4]。因此，筆者沒有采用環境模擬領域常用的基于專用控制器或通用PLC的集散式結構，而是應用基于WinCC的組態控制監控平臺，結合雙網加環網的三層網絡結構[5]，本著簡單易操作、運行安全可靠的原則設計了飛機氣候實驗室分布式綜合試驗監控系統。本文從試驗監控任務的需求分析、系統設計和系統測試3個方面進行分析論述。

1 需求分析

需求分析是項目開發的一個關鍵過程。需要在這一階段確定系統設計的目的、范圍、定義和功能，只有需求明確后才能夠分析和有的放矢地尋求解決方案。

1.1 試驗監控任務

氣候環境試驗是在環境模擬系統生成的各類氣候條件下對試驗件實施的一系列試驗。如圖1所示，試驗包括3個基本要素：試驗件、人工模擬的氣候環境條件和模擬氣候環境條件的工藝設備。相應的，氣候環境試驗也包括3項監控任務：試驗件過程監控、氣候環境模擬過程監控和工藝設備運行監控。

① 試驗件過程監控任務包括：獲取試驗全過程中試驗件的響應參數、環境室環境參數和現場視頻監控等試驗信息，對試驗程序進行協調指揮；

② 氣候環境模擬過程監控任務為：實時監測并接收環境室內各項環境指標，同時進行決策判斷，向各工藝系統發出調度指令；

③ 設備運行監控任務包括：設置控制參數、監測各個工藝系統/設備運行狀態、接收設備故障報警信息并發出處置命令等。

要求試驗件狀態、環境狀態和設備狀態均能夠以表格、曲線、數值、圖形化/虛擬化的形式呈現。

圖1 飛機氣候實驗室環境模擬試驗運行邏輯示意圖

1.2 設計原則[6-8]

1.2.1 可靠性設計

在自動化控制系統工程中，控制系統的可靠性是系統的生命線。為確保整個系統的可靠性，保證系統中各個部分能夠正常工作、信息通道暢通，在進行系統方案設計時，應充分考慮到各種可靠性措施。

① 系統整體設計采用分散式體系結構，將各種控制設備的監控任務按照一定原則分別由若干個子系統來承擔，使控制風險分散，這樣即使局部出現問題也不會影響整個系統的工作。

② 在設備選型時充分考慮到系統的可靠性，所采用的產品可以在較惡劣的環境中穩定可靠地運行。

③ 所有控制設備采用模塊化結構，具有隔離、故障自診斷和帶電插拔等功能。

④ 監控功能冗余措施：按可靠性理論計算，如果冗余配置的每一單元(光纖、服務器、操作員站皆可)的失效率為λ，可修復率為ц，則雙冗余配置系統的有效度A=(цλ+ц2 )/(ц2+λц+λ2)。計算可知，雙冗余可將可靠度提高一個數量級(例如：從99%提高到99.9%)。因此雙冗余措施是綜合自動化監控系統最重要的可靠性設計。

⑤ 抗干擾措施：信號所受的各種干擾，特別是電磁干擾，是破壞集成計算機系統可靠運行的主要因素之一。為此需在信號處理過程中采取抗干擾措施。例如：設備之間較長距離連接線(>100 m)應采用光纖連接、信號線嚴格與動力線分開等。

1.2.2 可擴展性設計

氣候實驗室的建設原則是“一次設計、分批施工”。考慮到自動化工程建設的特殊性，在軟件體系架構、系統組態、系統編程上的設計可以使系統網絡支持所有節點和I/O點的靈活接入。硬件、軟件、通信、操作系統、數據庫管理系統等遵循相關標準或國際協議，使系統具有通用性。

1.2.3 易用性設計

自動化控制系統的易用性主要體現在軟件上。用戶界面的易用性是整個系統實施中最重要的也是最基本的目標，在試驗監控軟件開發中應重點注意以下內容：使用的簡單性，用戶界面中所用術語的標準化和一致性，用戶界面有較快的響應速度，充分滿足用戶操作需求，系統軟件具有錯誤診斷、修正錯誤以及出錯保護的功能。

2 試驗監控系統設計

通過上述對實驗室氣候試驗過程監控任務和設計原則兩個方面的分析，提出了下述系統設計方案。

2.1 系統結構和配置

在現代測控系統中，網絡化已經非常普及，網絡化使得電子測控技術使用起來更加方便快捷[9]。而利用總線技術可以在很大程度上簡化測控系統結構，增加系統的可靠性、開放性、兼容性及可維護性[10]。總線式結構模塊性好、容錯能力強、擴展性好。較好的容錯性滿足高可靠性要求，可擴展性使系統可以在總線上靈活地增加和刪除智能節點，適應后期試驗擴展需求[11]。故氣候實驗室試驗監控系統采用了工業以太網網絡和Profibus總線協議進行設計。

2.1.1 網絡拓撲結構[12]

實驗室網絡拓撲結構包括作為接入層的各子系統網絡和作為核心層的中央管理層網絡兩層，如圖2所示。中央管理層網絡采用雙冗余星形千兆以太網，可實現各系統之間大量數據的交互。中央管理層網絡選用兩臺48口交換機作為核心交換機，兩臺交換機之間通過兩根網線連接進行鏈路聚合。連接到中央管理層網絡的各工作站和服務器均配置雙Intel網卡(服務器級)，雙網卡可通過Intel ANS分組軟件進行分組，該機制可實現網卡適配器容錯、交換機容錯和負載平衡等功能，即工作站和服務器之間的數據同時經過兩個交換機進行數據交換，當一臺交換機或工作站上的單個網卡失效時，系統自動切換傳輸路徑。接入層的各子系統網絡根據不同的情況采用環形網絡或星形網絡。

圖2 系統網絡拓撲結構

交換機配置如下：

① 特殊環模接入網絡交換機：采用工業以太網機架式網管型交換機，端口模塊化，14個10/100/1000 Mbit/s RJ45端口，10個100/1000 Mbit/s光纖接口，冗余電源輸入，Profinet I/O設計，網絡管理，可組成冗余環。

② 中央管理層網絡包括兩臺核心交換機：具備48個10/100/1000Base-T以太網端口，4個復用的千兆SFPCombo；包轉發率：108 Mpps；交換容量：256 Gbit/s。

2.1.2 系統結構

實驗室氣候試驗控制包括試驗過程控制和各環模子系統控制兩級，每個環模子系統均設有相對獨立的PLC和工作站，由試驗監控上位機軟件集中管理。試驗監控系統結構分為中央管理層、現場控制層、現場設備層三級，如圖3所示。試驗監控工作站與各環模子系統之間通過環形Profinet工業以太網網絡連接，支持OPC通信機制，物理傳輸介質采用雙絞線光纖，采取訪問控制安全隔離措施，原則上不與外系統直接交互關聯，以提高數據通信的穩定性和可靠性。各個環模系統PLC控制器及遠程I/O模塊之間采用Profibus-DP總線連接，遠程I/O模塊和現場設備(傳感器/執行器)之間采用一對一的電纜連接[4，13]。

測控間設置兩臺工作站作為試驗監控主機，分別為工程師工作站和操作員工作站，它們擁有相同的過程數據庫，同時從PLC控制器獲取現場數據，互為熱備份。兩臺工作站既作為C/S結構中的SCADA服務器也作為客戶端。SCADA服務器的過程數據庫直接獲取底層I/O的標簽數據，送給客戶端的畫面進行顯示。

圖3 試驗監控系統結構圖

現場智能控制器直接與區域或有緊密閉環關聯的傳感器、調控器、監控器等儀表連接。這種結構充分滿足自動控制系統集中管理多級分布控制的設計要求，也滿足系統設計可擴展性、靈活結構調整及模塊化開發應用的設計要求，同時對提高系統可靠性、可維護性給予很好的支持和滿足，能夠實現本地控制和遠程控制的相互切換，當系統出現故障時，各工作站仍能實現本地控制，不影響試驗進行。

2.2 軟件設計

試驗監控軟件是基于工業自動化組態軟件WinCC V7.3 65536開發的過程控制軟件，支持Windows XP/7/8/10操作系統和SQLServer 2008R2數據庫。該軟件從各環模分系統的控制器獲得底層設備I/O數據，從數據采集子系統獲取環境室狀態信息參數，進行集中展示，操作人員通過軟件界面直接向各環模系統PLC控制器發送設置參數和指令，控制試驗進程[14]。圖4給出了試驗監控軟件內容。

(1) 試驗過程監控：包括試驗件過程監控和氣候環境模擬過程監控兩個方面。重點面向各試驗項目進行過程，完成各個單項試驗和復合試驗的參數配置與數據存儲，向各環模系統發送試驗指令。通過數據采集系統獲取并上傳試驗件實時響應參數和溫度、濕度、壓力、風速、太陽輻照強度等環境參數，通過視頻監控系統獲得試驗現場狀態，為操作員提供完整的試驗項過程信息，完成試驗過程的閉環控制。

圖4 試驗監控軟件框圖

(2) 工藝設備集成監控：主要為操作員提供集中的面向實驗室所有環模系統的人機界面，能夠實時監測參與試驗的各個工藝系統關鍵參數的運行狀態。并通過協調各個環境模擬系統的運行，協助完成各工藝設備的閉環監控。

2.2.1 試驗過程監控軟件

試驗過程監控軟件包括試驗任務配置、環境室狀態參數監視、試驗件狀態監控、參與系統關鍵參數監控(試驗控制)和操作記錄查詢4個功能模塊，對于試驗監控軟件的畫面組態配置，在WinCC工程師站的配置環境中完成，主要包括：畫面組態、I/O組態、數據庫組態、回路組態、權限管理、數據采集和數據管理(存儲、查詢)等。其畫面設計按照功能組成劃分為：試驗流程、系統監控、報警一覽、趨勢曲線、記錄查詢、幫助信息等，如圖5所示。完成氣候環境試驗的控制，包括設置實驗參數(控制期望值、PID參數、傳感器參數、報警值等)、下發控制指令，并通過交互式的圖形化界面，顯示環境參數、設備故障報警信息。

圖5 試驗過程監控軟件結構

2.2.2 工藝設備集成監控軟件

工藝設備集成監控軟件可以對各獨立運行的環境模擬系統統一監管。平臺軟件通過SCADA Server發布各系統的監控信息，并將關鍵數據存入實時數據庫和網絡中心數據庫。在實驗室監控網絡中，所有節點計算機都可根據其密級登錄試驗監控軟件，按照密級規定的權限獲得相應的監控信息。通過工藝設備集成監控軟件將各個環境模擬子系統的信息集成處理，實現環境模擬數據的統一管理，通過信息的綜合利用，增強環境模擬的管理效率。

工藝設備集成監控模塊每個子系統主要包括工藝流程、系統監控、報警一覽、趨勢曲線、記錄查詢、幫助信息、注銷等功能模塊，對于工藝設備監控軟件的畫面組態配置，在WinCC工程師站的配置環境中完成，主要包括：畫面組態、I/O組態、數據庫組態、回路組態、權限管理、數據采集和數據管理(存儲、查詢)等[15]。

其中，工藝流程功能模塊部分以標準的工藝流程圖方式顯示環境實驗室的總體工藝管網布局，包括工藝管線的連接、工藝設備的工作狀態、運行參數、傳感器測量數據監測。工藝流程各個流程窗體中能夠顯示生產工藝信息，如變量值、設定值、輸出值、控制方式(MAN/AUTO/CASC)和高低報警(無報警時不出現)等。

3 系統調試

飛機氣候實驗室涉及的試驗工況多達10余種，本文僅以濕熱試驗調試為例，對系統應用過程進行說明。

依據預先設定的濕熱試驗控制流程(見圖6)，在試驗監控系統上位機進行試驗任務配置(見圖7)，將配置好的試驗任務，包括試驗指令和試驗目標值通過監控軟件下發到各個工藝系統/設備。試驗開始后，各個工藝系統/設備按照預設指令協同運行，在監控系統上位機實現對實驗室溫度、濕度、壓力等環境參數和工藝系統主要狀態參數的實時監控(見圖8、圖9)以及趨勢曲線的跟蹤顯示(見圖10)。另外，監控軟件可監視影響環境參數控制的關鍵變量，當出現超限報警或異常開關量時，會提示操作人員對相關子系統進行異常情況處理，以保證實驗室環境參數滿足試驗需求。

圖6 濕熱試驗流程

圖7 任務配置

圖8 試驗流程監控界面

圖9 基礎環模系統工藝流程圖界面

圖10 環境場實時趨勢曲線

4 結束語

氣候實驗室試驗監控系統作為氣候試驗的綜合化總控中心，利用工業組態監控軟件搭建自動化試驗平臺，提供了與運行操作有關的人機界面接口。綜合考慮實驗室氣候試驗流程、氣候試驗實施過程以及工藝系統組成和部署位置，按照“集中管理、分散控制”的原則進行設計，可完成試驗準備、試驗執行和試驗監視等任務，實現對氣候試驗的過程管理與協調控制，具有較高的實時性、可靠性和可擴展性，簡單易操作。