一、前言 早期的液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照“傳感器+模擬二次儀表”模式，應(yīng)用繼電器控制，接線復(fù)雜，觸點(diǎn)誤動(dòng)作多，故障率高。而且，在試驗(yàn)過(guò)程中，一般由模擬記錄儀器記錄試驗(yàn)曲線或人工讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些曲線和數(shù)據(jù)得到設(shè)備的性能。對(duì)于像閥門(mén)開(kāi)/關(guān)的快速動(dòng)作，往往是通過(guò)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷設(shè)備是否工作正常。這就極大的降低了工作效率和設(shè)備可靠性。 隨著電子技術(shù)發(fā)展與單元處理器性能的提高，PLC控制技術(shù)已經(jīng)成為可靠的液壓系統(tǒng)監(jiān)控方式?？删幊炭刂破鱌LC (Programmable Logic Controller)是專(zhuān)為在干擾復(fù)雜、作業(yè)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下而設(shè)計(jì)的控制器[1]。在液壓系統(tǒng)的工作時(shí)，噪聲污染和漏油引起了運(yùn)行環(huán)境惡化，這就提出了高性能、遠(yuǎn)程控制方式。工控現(xiàn)代化進(jìn)程也促使液壓控制系統(tǒng)朝大型、連續(xù)、集成與自動(dòng)化方向發(fā)展。這種趨勢(shì)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)提出了網(wǎng)絡(luò)化處理的要求，必須具備： 1）可靠性： 現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性和高效化特點(diǎn)決定了任何故障，特別是控制系統(tǒng)失效，將導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程的巨大損失。 2）智能化： 液壓監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)著整個(gè)過(guò)程的控制、指揮和協(xié)調(diào)功能，應(yīng)能應(yīng)用故障診斷理論等方法對(duì)系統(tǒng)異常進(jìn)行預(yù)測(cè)、診斷和排除，并且在監(jiān)控系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障時(shí)還能自診斷與自恢復(fù)。 3）實(shí)時(shí)性： 監(jiān)控系統(tǒng)必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的信息如各種過(guò)程變量、設(shè)備狀態(tài)變量和環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將信息和結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析、挖掘提供基礎(chǔ)。 本文針對(duì)現(xiàn)有的大型液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)改造，設(shè)計(jì)了一套液壓設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。利用工控機(jī)和巨騰公司的OpenPLC及系列拓展模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型液壓系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，完成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存，及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)處理能力。 二、液壓控制要求簡(jiǎn)介 本文研究的液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是大型船舶系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)。有著多個(gè)電磁控制閥、流量傳感器、壓力檢測(cè)儀和溫度傳感器[2]。 電磁閥在整個(gè)邏輯控制系統(tǒng)中占有重要地位,其運(yùn)行是否正常直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行。通過(guò)電磁閥開(kāi)度，控制進(jìn)入液壓缸的流量和壓力，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)件的位移、速度和作用力等進(jìn)行控制。如果在運(yùn)行中電磁閥控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,輕者導(dǎo)致設(shè)備停止,重者導(dǎo)致整個(gè)流程中斷。電磁閥的工作條件惡劣、復(fù)雜，必須有足夠的可靠性，快速、準(zhǔn)確、無(wú)反沖的實(shí)現(xiàn)其開(kāi)啟和關(guān)閉。 流量控制和壓力控制是液壓系統(tǒng)的控制關(guān)鍵因素。通過(guò)他們，才能實(shí)現(xiàn)液壓缸的終端執(zhí)行器的速度和作用力控制。所以，對(duì)高精度的液壓系統(tǒng)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)缸的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化。 溫度控制在液壓系統(tǒng)中也不能忽視，由液壓系統(tǒng)的能力損失（壓力損失、容積損失和機(jī)械損失）造成。油溫升高, 會(huì)產(chǎn)生一系列的不良后果, 例如： 1. 會(huì)使油液粘度下降, 泄漏增加, 降低容積的效率；2.會(huì)加速油液的氧化, 油質(zhì)下降, 油液中的氧化性雜物增加, 堵塞液壓元件的油路或阻尼小孔；3.會(huì)使熱膨脹系數(shù)不同, 且相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的液壓元件間的間隙縮小，破壞液壓元件原有精度。所以，應(yīng)該嚴(yán)格控制液壓油溫, 一般控制在30℃～ 60℃內(nèi)，最高不超過(guò)70℃。 此液壓傳動(dòng)系統(tǒng)有著復(fù)雜的油路結(jié)構(gòu)和多種運(yùn)動(dòng)要求。但是，都是由基本回路組成：壓力控制基本回路，包括調(diào)節(jié)與限壓回路、卸荷回路、減壓與增壓回路和平衡與閉鎖回路；速度控制基本回路；缸間配合工作回路，包括順序動(dòng)作回路，同步回路和多缸換向閥串聯(lián)或并聯(lián)控制回路等。 因此，這套大型液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要多種采集和控制信號(hào)，必須進(jìn)行多回路實(shí)時(shí)監(jiān)控。并且，為了實(shí)現(xiàn)CIMS（管理信息系統(tǒng)）的功能，需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)所有采樣信號(hào)自動(dòng)存儲(chǔ)。 三、液壓系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控實(shí)現(xiàn) 3.1 網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于液壓系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)了一種具有高可靠性的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),總體框架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。 圖1 液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 鑒于系統(tǒng)設(shè)備和控制要求，我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，開(kāi)放可靠，集控制和管理一體化的工業(yè)DSC高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3,4]，如圖所示有三個(gè)層次的內(nèi)容： 1、數(shù)據(jù)管理層：該層由生產(chǎn)工程管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)保存服務(wù)器組成。生產(chǎn)管理服務(wù)器主要完成上層的任務(wù)規(guī)劃和工作安排等處理任務(wù)。CIMS系統(tǒng)可以方便的進(jìn)行人員統(tǒng)籌安排、生產(chǎn)調(diào)度與管理和設(shè)備運(yùn)行使用情況的記錄；數(shù)據(jù)保存服務(wù)器由SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理，負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等海量記錄，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，分析設(shè)備性能及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2、運(yùn)行監(jiān)控層：該層負(fù)責(zé)每次液壓系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)信息處理。該層設(shè)備包括兩臺(tái)上位機(jī)其中一臺(tái)監(jiān)控備用工控機(jī)，輔助完成數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)場(chǎng)工作。管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)Open PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)命令，通過(guò)Open PLC的RS485模塊進(jìn)行流量、壓力、溫度等信息采集。網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊是與其它系統(tǒng)連接的預(yù)留的接口模塊，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)拓展和升級(jí)。 3、現(xiàn)場(chǎng)工作層：進(jìn)行液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的負(fù)荷監(jiān)控、報(bào)警和事故處理。在動(dòng)力提供部分，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)主要為控制柜和配套的變頻器等動(dòng)力供給設(shè)備和接觸器的現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)系統(tǒng)，以備在自動(dòng)配置中失效或者需要檢修、調(diào)試時(shí)不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)作，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，專(zhuān)用Open PLC實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和程控的自動(dòng)切換，在上級(jí)程序輸出設(shè)備控制信號(hào)之間附加上一個(gè)程序有效信號(hào)，由它來(lái)控制系統(tǒng)切換“繼電器－接觸器”動(dòng)作。由于采用了多個(gè)程控軟開(kāi)關(guān)，這樣使得系統(tǒng)可以隨意在三種工作模式之間切換，以解決復(fù)雜情況下的系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題。 在設(shè)備運(yùn)行部分，實(shí)際程控系統(tǒng)由兩個(gè)巨騰Open PLC構(gòu)成。兩臺(tái)配置完全相同的PLC構(gòu)成主從式雙機(jī)液壓控制系統(tǒng),一臺(tái)為控制主機(jī),另一臺(tái)為后備機(jī)。它們同步掃描,隨時(shí)準(zhǔn)備在主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)后備機(jī)繼續(xù)對(duì)遠(yuǎn)程I/ O進(jìn)行控制。該液壓主從系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、容易安裝,當(dāng)部件或電源出現(xiàn)故障時(shí)可無(wú)擾切換?？刂浦鳈C(jī)的I/ O 狀態(tài)表在每一個(gè)掃描周期傳給后備機(jī),以便隨時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)。由于各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與傳感器在地理位置上不十分分散，故系統(tǒng)采用擴(kuò)展I/O的配置方案，中央單元帶擴(kuò)展單元，共使用了400個(gè)開(kāi)關(guān)量I/O點(diǎn)和60個(gè)模擬量輸入信道。PLC的所有I/O信號(hào)在程控柜內(nèi)用繼電器轉(zhuǎn)換成24VDC輸出滿(mǎn)足抗干擾要求，PLC上還配置了接口通訊模塊，分別用于與上位機(jī)的串口通訊和主控的總線通訊及擴(kuò)展板連接。采集信號(hào)，如流量、壓力、溫度、速度等信號(hào)，通過(guò)Remote I/O模塊提供的RS485端口傳送給管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 3.2 巨騰Open PLC控制器 巨騰Open PLC可編程控制器采用32位CPU，I/O點(diǎn)數(shù)可達(dá)4096點(diǎn)(數(shù)字量輸入、輸出)或1024點(diǎn)（模擬量輸入\輸出），有4M RAM 空間。支持順序功能圖SFC(Sequential Function Chart)，階梯圖LD(Ladder Diagram)，功能方塊圖FBD(Function Block Diagram)，結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言ST(Structured Text )，指令集IL(Instruction List)六種編程格式。其中，順序功能圖SFC以順序作基礎(chǔ)逐步描述自動(dòng)化系統(tǒng)的動(dòng)作與順序,相當(dāng)于高階的分析設(shè)計(jì)工具, 而功能方塊圖則是相當(dāng)于控制文件可以重復(fù)使用, 用來(lái)組裝控制系統(tǒng),在語(yǔ)言部份可用階梯圖、指令集及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言來(lái)描述其控制功能[5]。 圖2 巨騰公司Open PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 OpenPLC 是依據(jù)巨騰開(kāi)放性自動(dòng)化產(chǎn)品策略而開(kāi)發(fā)的核心產(chǎn)品, 它整合巨騰原有的OpenIO, OpenControl控制器, 往上提供串行及以太網(wǎng)與SCADA/MMI 或信息系統(tǒng)整合, Open_PLC 是基于PC 的控制器，不僅能對(duì)本地 IO 與遠(yuǎn)程IO 編程, 并能提供LonWorks、Modbus、其它Field Bus整合的能力。為了順應(yīng)未來(lái)通訊擴(kuò)展需求, OpenPLC 提供兩組以太網(wǎng)的通訊能力、RS485和RS232接口；采用ModBus RTU/Ethernet協(xié)議，可與任何MMI/SCADA整合；采用模塊化設(shè)計(jì)，使用方便，節(jié)省空間；并帶有一些特殊的智能控制模塊（PID模塊等）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 Open PLC軟件邏輯系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的語(yǔ)言功能, 利用Windows系統(tǒng)良好開(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)行完整的離線仿真?？梢灶A(yù)先在Windows上編輯、測(cè)試, 最后再下載到OpenPLC 執(zhí)行, 而 OpenPLC 提供無(wú)盤(pán)的工業(yè)環(huán)境模塊和簡(jiǎn)單良好的控制器，避免Windows復(fù)雜及可靠度的憂(yōu)慮。 3.3 PLC軟件網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 大型液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輸入輸出點(diǎn)多，特別是模擬量種類(lèi)點(diǎn)數(shù)多，控制功能與結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。借助巨騰公司Open PLC強(qiáng)大功能，我們將控制系統(tǒng)PLC控制程序劃分為模塊初始化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及報(bào)警處理、邏輯功能和信號(hào)輸出等相對(duì)獨(dú)立的模塊。 圖3 Open PLC控制流程圖 CPU和初始化程序模塊是整個(gè)程序的起始部分，一旦PLC各模塊定義安裝完畢和程序下載后，此模塊程序只執(zhí)行一次。而當(dāng)程序需要修改、重新下載或者PLC各模塊需要移動(dòng)位置，此程序模塊將重新初始化過(guò)程。數(shù)據(jù)采集和處理模塊除了完成對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和處理外，還要處理上位機(jī)的數(shù)據(jù)包任務(wù)，此程序模塊為后繼程序模塊提供了準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù)信息。報(bào)警及報(bào)警處理程序模塊是將所有報(bào)警信號(hào)按順序匯總，集中加以處理，報(bào)警處理包括三個(gè)方面：所有報(bào)警須監(jiān)控顯示；超限報(bào)警須參加邏輯控制；部分報(bào)警輸出，邏輯功能和信號(hào)輸出模塊是整個(gè)程序的核心，主要包括各個(gè)控制閥的開(kāi)關(guān)、切換控制等。該程序模塊主要是按照邏輯控制要求設(shè)計(jì)的，與具體現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)在于編制這部分程序時(shí)可以不需要完備的硬件環(huán)境。 利用Open PLC開(kāi)發(fā)控制軟件過(guò)程，可以方便、獨(dú)立的進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)和測(cè)試，而且模塊化程序容易維護(hù)，當(dāng)軟件發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和由于其它原因需要修改時(shí)，能迅速限定差錯(cuò)或修改范圍。如在整個(gè)程序的設(shè)計(jì)到安裝調(diào)試都有可能發(fā)生外部信號(hào)的變動(dòng)，與上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)接口的調(diào)整，因而常須修改控制程序與<