曹 原，蔣永年

(重慶郵電大學(xué)，重慶 400010)

油料灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)是油庫(kù)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，它完成儲(chǔ)油罐向運(yùn)油車(chē)輸油的任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)、控制與通信技術(shù)的發(fā)展，油料罐裝控制系統(tǒng)模式從集中測(cè)控發(fā)展為分布式測(cè)控，分布式控制已經(jīng)成為油料灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)的主流模式。在這種模式下，測(cè)控的任務(wù)已經(jīng)下放到現(xiàn)場(chǎng)鶴位，管理功能也不斷地下放到鶴位，鶴位成了有獨(dú)立測(cè)控、管理能力的分布式節(jié)點(diǎn)。常規(guī)的基于PLC的設(shè)計(jì)方案由于管理能力薄弱，已經(jīng)難以滿(mǎn)足任務(wù)需要；而工控界比較熱門(mén)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)則存在開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、可靠性和穩(wěn)定性差等方面的問(wèn)題，也難以滿(mǎn)足需要。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制器——可編程自動(dòng)控制器 PAC(Programmable Automation Controller)則結(jié)合了PLC的穩(wěn)定性、可靠性和PC的靈活性、多功能的特點(diǎn)，為油料灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的選擇。

PAC具備以下優(yōu)秀性能：

(1)多重領(lǐng)域的應(yīng)用功能，即在單一平臺(tái)里包含邏輯、運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和過(guò)程控制等至少兩種以上的功能；

(2)單一開(kāi)發(fā)平臺(tái)上整合多規(guī)程的軟件功能(如HMI軟邏輯)，使用通用標(biāo)簽和單一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)訪問(wèn)所有的參數(shù)和功能；

(3)軟件工具所設(shè)計(jì)出的處理流程能跨越多臺(tái)機(jī)器和過(guò)程控制處理單元，實(shí)現(xiàn)包含運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制的處理程序；

(4)開(kāi)放式、模塊化構(gòu)架，能涵蓋工業(yè)應(yīng)用中從工廠的機(jī)器設(shè)備到過(guò)程控制的操作單元的需求；

(5)采用公認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)及語(yǔ)言，允許不同供應(yīng)商的設(shè)備能在網(wǎng)絡(luò)上交換資料。

因此，基于PAC的灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的控制能力，同時(shí)PAC所具有的豐富流行的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口以及協(xié)議也能較好地實(shí)現(xiàn)灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的整合。

本文以此為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于PAC的油料灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)普通灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能，還具備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、即時(shí)通信、遠(yuǎn)程診斷維護(hù)、計(jì)量精確、操作簡(jiǎn)單和界面友好等特點(diǎn)。

1 基于PAC的灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)的系統(tǒng)模式

基于PAC的灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用“功能分散、負(fù)荷分散、危險(xiǎn)分散和管理集中”的分布式設(shè)計(jì)思想，每個(gè)鶴位配置一個(gè)基于PAC的灌裝裝置。該裝置能自主完成信息采集、分析處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和控制輸出等功能。各灌裝裝置與監(jiān)控主機(jī)的信息交換采用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、資源共享、即時(shí)通信、診斷與維護(hù)等功能，構(gòu)成分布式測(cè)控系統(tǒng)模式。

圖1 基于PAC的灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于PAC的灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 灌裝裝置功能

基于PAC的灌裝裝置主要功能包括：

(1)數(shù)據(jù)采集。采集管道上各種傳感器(如溫度、壓力、流速、流量、密度等)的輸出信號(hào)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等預(yù)處理。

(2)數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)計(jì)量分析算法，完成間接參數(shù)(如體積、質(zhì)量等)的計(jì)算及數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)。

(3)數(shù)據(jù)管理。包括灌裝裝置信息的存儲(chǔ)管理、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析、現(xiàn)場(chǎng)顯示及人機(jī)交互。

(4)自動(dòng)定量發(fā)油控制。實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)狀態(tài)、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)發(fā)油量，采用控制算法對(duì)相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制操作。

(5)應(yīng)急開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)手動(dòng)應(yīng)急開(kāi)關(guān)，以便在軟件系統(tǒng)故障和緊急情況下進(jìn)行人工干預(yù)。

(6)網(wǎng)絡(luò)通信。采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，實(shí)時(shí)將該裝置的系統(tǒng)狀態(tài)和主要參數(shù)上傳到監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

灌裝裝置采用以PAC為主體的組合式模塊，主要包括CPU模塊和I/O模塊兩部分。

PAC的核心——CPU模塊選用泓格科技WinCon-8337，它采用Intel Strong ARM 206 MHz CPU，存儲(chǔ)器為工業(yè)級(jí)512 M CF卡，提供1個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)RS232 接口、1個(gè) RS485接口、1個(gè) USB接口、2個(gè) PS/2接口和3個(gè)I/O擴(kuò)展槽。

PAC的I/O模塊選用8路模擬量采集模塊I-87017和8路通用開(kāi)關(guān)量模塊I-8063。其主要硬件選型如表1所示。

表1 主要硬件選型表

實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)控制柜構(gòu)架圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)控制柜構(gòu)架圖

實(shí)驗(yàn)原型裝置外觀如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)原型裝置外觀

2.3 灌裝裝置軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本裝置選用的WinCon-8000系列PAC產(chǎn)品采用Windows CE.NET作為操作系統(tǒng)，該產(chǎn)品提供了多種API接口函數(shù)，如I/O模塊訪問(wèn) API、iPush組件、Modbus API等，利用這些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (DLL)可以方便地在VisualBasic.Net中開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。通過(guò)應(yīng)用Wincon.DLL中提供的I/O函數(shù)，完成對(duì)模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊的數(shù)據(jù)采集。

根據(jù) I/O模塊的插槽號(hào)(Slot)、通道號(hào)(Channel)，調(diào)用相應(yīng)的I/O庫(kù)函數(shù)來(lái)讀取壓力、溫度、流速等參數(shù)以及控制輸出。

主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序的流程圖

啟停程序流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)接收程序流程圖如圖6所示。

圖5 啟停程序流程圖

圖6 數(shù)據(jù)接收程序流程圖

灌裝裝置上的用戶(hù)界面如圖7所示。

2.4 通信程序設(shè)計(jì)

灌裝裝置采用了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)小、無(wú)需建立連接的UDP通信傳輸協(xié)議進(jìn)行通信程序設(shè)計(jì)，能通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以0.1 s為間隔向監(jiān)控主機(jī)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖7 灌裝裝置上的用戶(hù)界面

由于雙向均采用UDP報(bào)文傳輸，灌裝裝置和監(jiān)控主機(jī)都必須有通信服務(wù)器。監(jiān)控主機(jī)端可以直接使用WinSock控件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在WinCE.NET操作系統(tǒng)下不能直接使用VB.NET的WinSock控件，因此，灌裝裝置端使用Socket套接字進(jìn)行接收和發(fā)送程序設(shè)計(jì)。通信構(gòu)架如圖8所示。

圖8 通信構(gòu)架

灌裝裝置端的主要通信代碼如下：

2.5 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)端采用了MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控程序開(kāi)發(fā)。后臺(tái)通信程序收集灌裝裝置上傳的實(shí)時(shí)信息，存放于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，由組態(tài)軟件表現(xiàn)出來(lái)，反映到組態(tài)界面上。該組態(tài)軟件具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、即時(shí)通信、動(dòng)態(tài)顯示等功能。

監(jiān)控程序的軟件構(gòu)架如圖9所示。

圖9 監(jiān)控程序的軟件構(gòu)架

圖10所示為遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)MCGS監(jiān)控界面。

圖10 遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)MCGS監(jiān)控界面

本文設(shè)計(jì)的基于PAC的灌裝裝置自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)已經(jīng)在某部隊(duì)組織的演練中投入使用。從實(shí)際運(yùn)行情況看，采用PAC的灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、可靠性高、穩(wěn)定性好、與其他系統(tǒng)兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是新一代油料灌裝自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

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