基于PRODAVE的掘進機數據交互與處理方法

劉巧龍

[摘 ? ?要 ]文章提出了基于西門子PRODAVE工具包的掘進機人機界面開發方法，針對掘進機需要采集大量異構數據的特點以及各系統的業務邏輯，開展了針對性設計，實現了掘進機人機界面所需的全部功能。

[關鍵詞]掘進機; PRODAVE;異構數據;人機界面

[中圖分類號]TP311 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–0–02

[Abstract]The article proposes a roadheader man-machine interface development method based on the Siemens PRODAVE toolkit. According to the characteristics of the roadheader that needs to collect a large amount of heterogeneous data and the business logic of each system， a targeted design is carried out to realize the roadheader man-machine interface. All the functions needed.

[Keywords]roadheader; PRODAVE; heterogeneous data; man-machine interface

掘進機是一種集機、電、液、光和信息等多項技術于一體，能一次性完成隧道開挖、排碴與襯砌，實現隧道安全、可靠、高效施工的大型高端裝備，是地鐵、公路、鐵路、水利和國防等建設急需的國之重器。

對于掘進機這樣的重型工程機械來說，其工作機構重量大、動力強，控制邏輯復雜，作業過程十分危險，迫切需要一個高可靠性的控制系統來指揮作業。掘進機電氣控制系統的核心，一般以PLC（Programmable Logic Controller）為主，而人機界面是控制系統的重要組成部分，是系統和用戶之間進行信息交換和業務邏輯實現的媒介，是整個系統的靈魂。

進入21世紀以后，信息技術的迅速發展也使得工控業的智能化水平不斷提高，工業互聯網也開始被越來越多的人關注。德國針對自己的制造業現狀及發展規劃，提出了“工業4.0”戰略，其后各國紛紛效仿，針對自己的國情提出來相應的工業發展策略。從各國提出的工業發展戰略來看，都指向了同一個方向，那就是將信息化與工業化相結合，并從生產型轉變為服務型。在大環境的影響下，掘進機作為一個高端地下工程設備，開始被越來越廣泛地應用在隧道施工上。為適應惡劣的環境，一種結構緊湊、抗干擾能力強的控制器—PLC誕生了。PLC工作可靠但無法完成復雜的運算，更不能將工藝流程動態地展示給用戶，人機交互性差，不利于使用者的實時操作。因此現代工業中，一般都會采用兩級控制，底層控制器控制工業設備運行，操作層則為使用者提供了人機交互界面。現場工控系統，一般由PLC、上位機和各種智能儀表及執行器等組成，三者組成的工控網絡之間需要數據交互，而不同廠家生產的設備的通信協議都不一樣，因此需要研發一套系統來完成通信。

人機交互系統是集數據采集、數據處理與顯示、數據存儲、數據查詢、業務邏輯處理及UI界面等于一體的復雜交互系統，對人機交互系統的開發也主要圍繞以上需求展開。

文章旨在解決人機交互系統實現中的最關鍵節點問題，即數據采集與處理問題。

1 系統介紹

掘進機控制系統架構復雜，產學研用等領域內的不同單位對其架構的劃分方式也不盡相同，將整個掘進機控制系統分為5層架構，分別為現場層、IO層、控制層、監控層以及地面層。其中現場層包含了掘進機的傳感測量器件以及末端執行機構，如攝像頭、傳感器、繼電器、接觸器、電磁閥、變頻器、電動機等;IO層包括了設備上所有的數據交互模塊，如第三方I/O 設備、遙控器、智能儀表、其他總線設備及網關、分系統控制子站等;控制層是整個控制系統的中央主CPU，所有運算與邏輯控制都在這里進行，本設計適配西門子S7-300、S7-400、S7-1500系列PLC;監控層包括了視頻監控主機、工控機、顯示屏、觸摸屏等，用于監控設備狀態;上述1～4層都位于隧道內的掘進機上，處于隧道內;而地面層則通常部署在項目部的地面監控室內，主要包含了地面監控平臺與視頻監控主機，作用是讓項目管理部實時監控地下設備的運行情況。

2 通信方法設計

為了提升自身技術積累，掌握自主權，本文設計的掘進機人機界面基于西門子Prodave工具包開發。西門子Prodave軟件提供了用于第三方開發的動態鏈接庫“Prodave6.DLL”，里面包含了通過PC對西門子PLC進行操作的常用接口。在上位機控制軟件中通過調用動態鏈接庫，可在自動化系統和PG / PC之間建立SIMATIC AS（Automation Station）的DP、MPI或以太網通信。在通信期間，Prodave工具包擁有訪問S7DOS組件的權限。掘進機人機界面軟件通過動態鏈接庫與PLC建立起通信后，便可以對掘進機的各系統數據進行交互。

2.1 Prodave主要函數聲明

本控制軟件中使用到的主要函數及其主要功能如表1所示。

2.2 通信流程

根據數據采集模塊接口函數的功能，建立組件類S7PLC（供主窗口程序使用的接口通信類），并定義如下接口字段，包括設置CPU通信密碼、設置通信類型、設置CPU站號、設置CPU槽號、設置單詞讀寫長度、設置CPU的IP地址、設置CPU連接代號、設置數據塊編號、設置數據塊數據長度（字節）、設置通信時間間隔（ms）、設置命令數據塊編號、設置命令數據起始地址等。根據接口定義及Prodave動態連接庫函數，建立數據塊讀取函數（ReadDB），循環讀取函數，命令寫入函數、連接及斷開函數。

在組件類的基礎上，根據接口定義，建立起掘進機專用數據塊讀取函數，循環對PLC數據區進行連接、讀取、寫入、斷開等操作，以滿足掘進機大數據量交互的需求。

掘進機控制軟件通信流程如下。

（1）軟件啟動，啟動后先檢查與PLC的連接是否已斷開，如果沒有斷開則需要先執行中斷指令UnloadConnect。

（2）執行LoadConnect指令，初始化連接接口。

（3）連接PLC，執行SetPassword命令，使用預設密碼進行連接訪問。

（4）執行SetActiveConnect命令，激活連接通道，通過本通道進行后續的數據交互;

（5）執行As_info命令，讀取軟件版本號、硬件訂貨號、序列號等信息。

（6）執行Field_read、Field_write等讀寫命令，進行與PLC的數據交互。

（7）執行UnloadConnect命令，斷開連接。

（8）結束程序。

3 控制軟件開發

本論文所設計的人機界面軟件具備集數據采集、數據處理與顯示、數據存儲、數據查詢、業務邏輯處理及人機界面等功能。

在PC與PLC通信期間，Prodave軟件擁有訪問S7DOS組件的權限。通過基于Prodave開發的數據采集模塊，我們獲取到了所需要的完整的控制器有效數據，但是該有效數據是以字節數字的形式獲取，需要對其解析才能供整個應用程序使用。上面已經說到了，如果使用常規解析方法，那么在下一臺設備上，一旦有改動就要重新開發軟件，沒有辦法通用。因此根據有效數據的作用，將數據劃分為4段，分別是公共數據（Common Data）、報警數據（Alarm Data）、參數設置數據（Parameter Data）以及累積量數據（Sum Data）。根據4段數據的特點，建立4個類（DataClass、ErrClass、ParaClass、SumClass）對其進行處理，將模塊化、通用性強的數據解析及處理函數封裝再基本塊（BaseClass）中，另外再通過公共類（Module）處理整個數據模型。

為了能使每臺設備的字節數據與各數據塊結構對應上，避免每臺設備都需要單獨編程，建立帶有各數據庫結構屬性的對象，便于全局引用，系統采用了XML生成結構對象的方法來實現這一操作?？蓴U展標記語言（XML）是一種標記語言，它定義了一組規則，用于以人類可讀和機器可讀的格式編碼文檔。利用XML文檔，來編輯每臺設備的數據結構;在程序中通過讀取XML結構來獲取本臺設備的數據結構，再依據獲取到的數據結構去解析字節數據。每當生產1臺新設備時，只需要修改XML文檔就可以便捷地解析讀取到的字節數據，開發起來方便且快捷。

4 優缺點分析

目前國內掘進機行業使用最多的是西門子PLC，使用PRODAVE開發掘進機控制軟件，能夠很好的實現掘進機上下位機之間的通信，其靈活性強、兼容性好、可擴展性良好、開發成本低，且有利于企業自身積累技術經驗。但由于PRODAVE動態鏈接庫只能在X86環境下編譯，無法在其他系統框架下使用，導致其適用性受到限制。

5 結束語

基于西門子PRODAVE動態鏈接庫開發的掘進機人機姐界面軟件能夠滿足PC與西門子PLC通信的要求，并且有著良好的靈活性、可擴展性，而且便于進行仿真測試，更有利于企業技術的積累，加快掘進機的自主可控進程。本文提出的通信方法，對西門子S7-200、300、400、1500等系列PLC具有通用性，可以在掘進機乃至其他采用西門子上述系列PLC的工程機械上推廣，目前已成功運行在上千臺設備上。

參考文獻

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