基于Snap7的盾構實時監控系統設計

焦敬波 王昆 謝榮燦 孟祥波

（中國中鐵工程裝備集團有限公司 河南省鄭州市 450016）

伴隨著我國經濟快速高質量的發展，隧道施工工程在全國得到了大規模的開發和推廣，越來越多的大型隧道工程開工建設，盾構機被廣泛應用在當前各種隧道工程中。在盾構施工過程中，無論是施工單位（業主）還是項目監理或者是開發商他們都非常關注盾構掘進過程中的所有掘進狀態，如實時的監控各項指標、跟蹤工程進度、查詢歷史記錄、實時預警等相關信息。由于盾構掘進監控系統有著眾多的字段信息，施工單位在不同的時刻所關心的字段信息并不完全相同，他們都非常渴望在主操作界面能夠靈活配置相關字段信息并將繁蕪復雜的數據條理化、形象化，同時將產生的數據存檔以便對后續的施工積累經驗。目前比較著名的國內外盾構機生產商（上海隧道、海瑞克、羅威特等）都有自主研發的盾構掘進管理監控系統，文獻[1]所開發的盾構監控系統，其研究的重點在于用算法優化相關施工數據。文獻[2]介紹的盾構監控系統，其獲取數據是從采集板卡得到并且需要依賴SimaticNE，成本較高且操作部署較為繁瑣。文獻[3]是基于組態軟件開發的盾構監控系統，該系統在安裝、調試、以及后期維護擴展都比較繁瑣。文獻[4-6]介紹了基于互聯網的盾構遠程實時監控系統，其部署較為繁瑣，后期維護也較為繁雜且界面配置不夠靈活。文獻[7]所代表的盾構監控系統在界面配置依然不夠靈活，而且在獲取PLC 數據時需要依賴SimaticNE。盾構機作為一種大型的機械設備產品，其研發制造不是一蹴而就的，需要長期積累。在盾構施工過程中如何最大化的滿足施工者要求且能實時獲取施工信息進度成為必要。

1 總體方案設計

1.1 總體框架設計

本文盾構掘進管理監控系統(IRIS)的設計分成了地下數據采集服務模塊、以及地上數據展示模塊為主的兩大模塊進行開發，開發該系統主要目的是為了在與PLC 通信時能夠脫離SimaticNE，使其方便安裝部署以及后期維護擴展，同時支持按照時間、環號、位移、里程四種維度查詢。該系統能夠滿足用戶差異化需求，提高使用者或者施工者對盾構掘進中的各項指標的實時監控水平，如圖1所示功能模塊示意圖。

1.2 系統流程

整個系統主要圍繞著地下采集CollectSys 系統和地上監控MonitorSys 系統來設計，通過中間件WebSocket 的推送方式實現兩個系統的信息通信，具體的系統流程圖如圖2所示。

圖1：功能模塊示意圖

CollectSys 和MontiorSys 既可以部署在同一臺電腦上，也可以安裝在不同的電腦上。CollectSys 使用Snap7 方式與PLC 通信，并將讀取的PLC 數據按照一定邏輯進行數據存儲。CollectSys 通過WebSocket 方式把從PLC 采集來的各項數據，如推進位移、環號、掘進里程等序列化后推送給MontiorSys。MontiorSys 根據預先定義好的配置信息，進行數據分析和數據篩選，最終展示到圖形展示模塊上。

1.3 使用技術及開發環境

（1）Windows Service:一種能夠創建在它們自己的 Windows會話中并且可長時間運行的可執行應用程序。采集系統做成windows service 方式，通過Snap7 與PLC 通信，從而避免傳統的監控軟件需要安裝SimaticNE，極大簡化開發者和技服工作人員部署安裝流程。

（2）SqlServer: Microsoft 公司推出的關系型數據庫管理系統。該數據庫具有使用方便可伸縮性好與相關軟件集成程度高等優點。

（3）WPF: Windows Presentation Foundation 是Microsoft 公司推出基于Vista 的用戶界面框架。該框架具有硬件加速技術、聲明式編程、與分辨率無關、統一的編程模型等優點，同時做到了分離前端界面與后端開發人員的工作。

圖2：系統流程框圖

圖3：主界面展示

監控系統如果采用組態軟件開發較為困難，且后期維護及不方便。目前在軟件行業中存在兩大軟件體系結構：C/S、B/S，其中C/S 想比較于B/S 能夠更好的滿足用戶差異化需求。在軟件設計中，面向對象開發為現階段主流趨勢，其中C#語言具有跨平臺使用、面向對象、類型安全、版本控制、代碼安全管理等優點。結合上述所述及實際工程需要，我們使用開發語言C#及系統架構C/S。

2 采集系統設計

采集系統以Windows 服務方式運行，主要涉及數據采集、數數據推送以及數據存儲三部分。

2.1 數據采集

采集系統啟動時讀取所屬盾構機的相關xml 文件，同時動態序列化每個字段對象。系統每隔1 秒讀取PLC 數據，將采集到的數據通過Websocket 方式實時推送到監控系統用于實時顯示數據，同時根據序列化出來的字段對象動態寫入數據庫結構里，寫入操作與推送客戶端操作是單獨分開的線程處理，彼此之間互不影響。采集系統使用Snap7 方式讀取PLC 數據，有效避免傳統的盾構監控系統與PLC 通信時需要依賴SimaticNE 方式，使其部署大大簡化。

2.2 數據推送

采集系統和監控端采用Websocket 的通信方式，實現了服務器與客戶端之間的物理連接，并進行數據傳輸。該通信方式保證了數據的傳輸效率、穩定性、準確性以及安全性；面向連接的協議，穩定可靠，當客戶和服務器彼此交換數據前，必須先在雙方之間建立一個連接，之后才能傳輸數據。

2.3 數據庫設計

數據庫存儲是采集系統模塊的核心設計，根據序列化的字段對象動態生成每天的詳情結構、掘進里程、推進位移以及環號詳情的表結構。數據詳情表每天生成一張新的表結構，掘進里程、推進位移、環號詳情每個月生成一張新的表結構，其中環號詳情表中每一份表結構包含三張統計數據表，包括最大值、最小值以及平均值。由于盾構機所涉及的PLC 字段對象較多，在數據庫存儲中需要牽涉到分表處理，同時為了降低系統CPU 資源利用率，在數據庫存儲時采用緩存隊列，將每秒讀到的PLC 數據緩存到隊列，每隔一分鐘存儲一次。數據庫表結構及存儲過程設計如表1所示。

表1：數據庫表名及存儲過程

圖4：系統報警界面

2.4 性能處理

（1）采用websocket 通信方式建立長連接，實時推送數據，該通信協議鑒于持久化的協議，傳輸數據量比較小，傳輸時間短，這樣就大大提高了服務端與客戶端的傳輸效率。

（2）采用多線程的方式，把數據存儲和數據推送分別建立在不同的線程上，這樣二者之間互不影響，從一定程度上也提高了數據的傳輸效率。

圖5：歷史曲線界面

圖6：時間維度查詢

（3）如果發生鏈接斷開或者數據讀取不到的情況，程序會自動把上一秒的數據推送給客戶端以及存儲到數據庫里。該策略保證了數據的完整性與準確性。

（4）數據庫表結構創建，在創建當天數據詳情的時候，會自動為前一天的數據詳情表添加索引，這樣就大大提高了數據的查詢效率，當天的表結構不加索引，這樣保證了數據寫入效率。

（5）開發框架采用dapper,該框架是.Net 中比較流行的輕量級的開源ORM 框架，占用內存資源小，提高開發效率，降低開發成本，使開發更加對象化，操作更加靈活多變，易于維護擴展。

（6）采集系統采用windows 服務的方式運行，可以手動進行安裝及卸載，安裝之后程序自動運行，實時推送以及存儲數據。

（7）經過測試，服務器端對本機的CPU、內存以及其它資源占用比較小，不會對本機系統造成卡頓情況。

3 監控系統設計

3.1 設計架構

盾構系統有多達2000 多個數據字段信息，且系統顯示的有效字段一般多達700 個，具有顯示字段多，字段展示形式多樣，如：數值展示、圖表展示、數據導出、PDF 打印等。對于多字段、多形式數據展示的客戶端，采用Microsoft 的WPF 客戶端框架具有很大優勢。MVVM（Model-View-Model）框架的由來便是MVP 模式與WPF 結合的應用方式時發展演變過來的一種新型架構框架。MVVM 具有雙向通知的特性，ViewModel 的屬性變更時能夠及時通知更新界面顯示，而且界面的操作的變化也能即時通知變更ViewModel 數據的改變。主界面如圖3所示。

3.2 圖表實現

DynamicDataDisplay 是.Net 下開源的圖表庫，可實現折線圖、梯形圖、條形圖、散點圖。對于折線圖、梯形圖、散點圖DynamicDataDisplay 采用基本元素繪制線和點，具有較高的效率，條形圖采用繪制矩形和色彩渲染，效率相對低。圖表同時還實現了游標線經過的點的數據動態顯示。利用DynamicDataDisplay，實現了圖表的x 軸縮放及y 軸多個標尺分段的特性。

3.3 環報表的PDF打印

MigraDoc 是.Net 版本的 PDF 生成庫，利用MigraDoc 實現了環數據、環圖表PDF 文件的預覽和生成。MigraDoc 具有較完善的PDF 控件，對整體生成一個PDF 有較全面的框架結構。

3.4 性能處理

（1）MVVM 模式下采用動態類型作為ViewModel 的實例實現了UI 界面的雙向綁定。但動態類型Dynamic 或ExpandoObject 通過反射查找屬性，效率較低。對于Dynamic 或ExpandoObject 類型，其實質基于IDictionart接口實現，將其直接替換成IDictionart接口類型，效率高出原先動態類型幾倍。

（2）盾構機有效字段一般多達700 多個，如果全部綁定在一個ViewModel 上，相較于一個ViewModel 具有較少屬性的情況，前者太耗費資源，并且不便于于系統的靈活擴展。我們采用后者，每個字段對應一個ViewModel，如此依賴，700 多個字段將產生700 多個ViewModel。每次更新數據，分別更新所有ViewModel，但執行效率相較于前者更高。

（3）對數據因PLC 讀取超時而造成缺失的緩沖機制。采用等間隔時鐘通知數據采集，保證穩定的間隔頻率。正常情況下從數據采集到推送時間不超過1 秒，如果超過900ms 數據未返回，將采用上一次的數據做為當前秒時刻的數據，并標記放棄此次推送回的數據。時鐘到下一秒，繼續進行正常的通知和等待數據推送回來。

（4）使用MigraDoc 生成PDF 效率較低，但由于MigraDoc 具有較完善的PDF 控件采用DynamicDataDisplay 生成圖表圖片后加載進MigraDoc 生成的PDF 文件里，大大提升了生成效率，而且保證了生成圖表的樣式和美觀。

3.5 報警、歷史、時間查詢界面展示

任何一款監控系統軟件中都應包含報警功能，有效的報警信息能夠幫助施工人員及時發現故障信息、減少財產損失。報警界面如圖4所示。

歷史曲線界面根據所選擇的日期及字段可以直觀顯示數據歷史趨勢，曲線界面如圖5所示。

本次設計的另一大創新點是查詢數據時除了可以按照時間查詢還可以按照推進位移、環號、掘進里程查詢，同時可以將查詢結果形象化展示，圖6 為按照時間查詢界面示意。其他統計分析界面如系統參數設置、報表、數據維護、數據導出、PDF 打印以及查詢數據按照環號、掘進里程、推進位移等限于篇幅，不再贅述。

4 結語

該系統結合計算機控制技術、通信技術、圖形顯示技術包含數據采集軟件和數據監視軟件兩大部分，并將兩部分在形式上采取了相互獨立的方式，做到了采集存儲和界面顯示分離。用戶可以根據自己所關心的字段信息靈活配置界面,同時該系統以Snap7 方式與PLC 通信脫離SimaticNE，使部署更加靈活。結合分布式系統思想，在結構上將數據監控、實時預警、數據存儲等模塊微服務化，再通過通信中間件技術將不同的服務連接起來，組成一個整體。既可以實現單機一對一部署，又能夠分布式同時部署多臺計算機，具有良好的應用推廣價值。目前存在的主要問題，對于大盾構中如果超過1000 個字段，由于字段信息較多每隔1 秒采集一次PLC 數據，會導致讀取PLC 數據不穩定，這有待進一步的研究和討論。