周奇才，曾 禮 ，趙 炯，周鐵梁，張溧栗

（1. 同濟(jì)大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2. 華電重工股份有限公司，上海 200122）

大型起重機自動控制與智能管理系統(tǒng)

周奇才1，曾 禮1，趙 炯1，周鐵梁2，張溧栗2

（1. 同濟(jì)大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2. 華電重工股份有限公司，上海 200122）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運而生，它是一種將儀器技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合的新儀器技術(shù)[1]。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種圖標(biāo)替代文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabVIEW提供了大量的工具和函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[2]。

我國現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展帶動了起重機械的技術(shù)飛躍。目前，起重機械的發(fā)展越來越趨向于大型化、專用化和智能化。隨著起重機部件數(shù)量的增多，零部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增大，對起重機的維護(hù)、運行和管理也就變的越來越困難。因此，針對大型起重機建立一套完善的起重機自動控制與智能管理系統(tǒng)就變的非常有意義。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標(biāo)包括：具有人性化的操控界面；能夠全面記錄起重機的操作數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)；能夠自動保存起重機的維護(hù)保養(yǎng)記錄；能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程傳遞數(shù)據(jù)和共享信息；具有遠(yuǎn)程診斷及維護(hù)等功能。該系統(tǒng)的實現(xiàn)無疑將大大的降低起重機械的維護(hù)難度，提升產(chǎn)品的可靠性和競爭力。

本文研究設(shè)計了一種基于LabVIEW的大型起重機自動控制與智能管理系統(tǒng)，上位機以LabVIEW作為前臺開發(fā)工具，以Microsoft SQL Server 2008作為后臺數(shù)據(jù)庫，以基于Controller Link網(wǎng)絡(luò)的起重機控制系統(tǒng)作為控制與監(jiān)視對象，實現(xiàn)了對起重機的操作、狀態(tài)的監(jiān)視，采集數(shù)據(jù)的保存、報警和報表生成等功能。另外，借助于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)編程功能，為遠(yuǎn)程故障診斷軟件提供了遠(yuǎn)程診斷接口。

1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組成

起重機的控制系統(tǒng)主要由六大系統(tǒng)組成，即起升系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、調(diào)平系統(tǒng)、塔頭系統(tǒng)和力矩限制系統(tǒng)。

起重機的控制網(wǎng)絡(luò)為Controller Link網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)主要由監(jiān)控層和設(shè)備層組成。設(shè)備層主要由PLC、現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器組成，PLC的數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)采集以及對現(xiàn)場執(zhí)行器的輸出控制，設(shè)備層實現(xiàn)了各節(jié)點的功能控制；監(jiān)控層由上位機和分布于起重機各子系統(tǒng)的下位PLC通訊單元組成，主要實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)交換。

上位機端安裝支持Controller Link 數(shù)據(jù)總線的3G8F7-CLK21-EV1板卡，PLC端安裝支持Controller Link的通訊模塊。上位機與下位PLC組成N:N令牌環(huán)網(wǎng)，PLC之間以及上位機與PLC之間通過Controller Link網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈接功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

圖1 起重機的控制網(wǎng)絡(luò)

2 Controller Link數(shù)據(jù)鏈接

Controller Link（CLK）網(wǎng)絡(luò)是OMRON公司推出的一種FA網(wǎng)絡(luò)，可以連接CJ1、CS1、CQM1H等系列的PLC和計算機，CLK網(wǎng)允許各節(jié)點之間進(jìn)行大容量的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)PLC與上位機之間的協(xié)調(diào)控制。

CLK網(wǎng)支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈接與報文通信兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)鏈接方式配置方法簡單且支持超大容量的數(shù)據(jù)共享，因此，本文采用數(shù)據(jù)鏈接方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。配置完成后的上位機節(jié)點板卡內(nèi)存分配如表1所示。

3 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

上位軟件系統(tǒng)是操作人員與起重機進(jìn)行信息溝通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要實現(xiàn)的功能有：起重機系統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)定；起重機的動作指令控制；起重機運行狀態(tài)的監(jiān)視；報警顯示；查詢歷史記錄；報表生成；發(fā)送遠(yuǎn)程診斷報文等。

3.1 人機界面設(shè)計

人機界面是軟件系統(tǒng)中重要的組成部分，它是用戶與軟件的交互窗口，用戶界面的好壞，很大程度上決定了軟件的受歡迎度。系統(tǒng)的界面主要由兩部分組成，第一部分為登陸界面，主要實現(xiàn)用戶的登陸功能；第二部分為程序主界面，即登陸成功后的主操作界面，界面如圖2所示。主界面主要包括七個子模塊，即系統(tǒng)配置模塊、系統(tǒng)操控模塊、狀態(tài)監(jiān)視模塊、報警信息模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊、報表生成模塊和軟件配置模塊。系統(tǒng)配置模塊用于配置起重機的工作參數(shù)，如最高壓力設(shè)定、延時設(shè)定，最高壓差設(shè)定等；系統(tǒng)操控模塊用于對起重機的運行進(jìn)行操作，分為自動運行和手動運行兩種方式；狀態(tài)監(jiān)視模塊用于對起重機各運行系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視；報警信息模塊輸出起重機的當(dāng)前報警信息；歷史數(shù)據(jù)模塊用于生成用戶對歷史記錄的提??；報表生成模塊用于對用戶選定的記錄自動生成報表；軟件配置模塊用于修改登陸密碼、設(shè)定遠(yuǎn)程診斷服務(wù)器端口等。

圖2 自動控制與智能管理系統(tǒng)主界面

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在數(shù)據(jù)庫方面，本系統(tǒng)使用了Microsoft SQL Server 2008來構(gòu)建本地數(shù)據(jù)庫，利用LabSQL實現(xiàn)LabVIEW對數(shù)據(jù)庫的訪問操作。

3.2.1 LabSQL介紹

LabSQL是由美國國家儀器公司開發(fā)的一個免費的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具[3]。LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫訪問，將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的子VI，用戶可以直接調(diào)用這些子VI，結(jié)合SQL語言即可方便的對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計

數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的主要的功能有：用戶帳戶管理；用戶登陸日志；寄存器信息存儲；原始數(shù)據(jù)存儲；解析數(shù)據(jù)存儲；報警信息存儲；報表信息存儲等。如圖3所示為數(shù)據(jù)庫的模型設(shè)計思路。

模型主要考慮了三種情況。第一種情況為讀數(shù)據(jù)鏈接區(qū)。系統(tǒng)從底層獲得的原始數(shù)據(jù)首先存儲在原始數(shù)據(jù)表中，然后將原始數(shù)據(jù)表中的值按寄存器定義表進(jìn)行查詢和解析，解析后的值存儲在解析數(shù)據(jù)表中，并同時進(jìn)行報警狀態(tài)的判斷，若觸發(fā)存儲在寄存器定義表中的報警條件則將報警信息存儲進(jìn)報警信息表中。若用戶選擇了生成報表，則將解析數(shù)據(jù)表中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取生成報表。在進(jìn)行數(shù)據(jù)解析時，需要應(yīng)用程序?qū)拇嫫鞯亩x進(jìn)行判斷，若原始數(shù)據(jù)中的字節(jié)未在寄存器定義表中進(jìn)行定義則不對其進(jìn)行解析。

表1 上位機節(jié)點數(shù)據(jù)鏈接配置表

圖3 數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計

第二種情況為寫數(shù)據(jù)鏈接區(qū)。應(yīng)用程序發(fā)出配置或操作數(shù)據(jù)后，首先會到寄存器定義表中查詢對應(yīng)數(shù)據(jù)的寄存器地址，然后向相應(yīng)地址進(jìn)行寫操作。

第三種情況為用戶登陸。用戶打開系統(tǒng)程序后，程序要求用戶輸入密碼后才能進(jìn)入主界面，登陸成功后記錄當(dāng)前登陸信息。此外，在用戶對密碼進(jìn)行修改時也需要訪問用戶表。

3.2.3 LabVIEW訪問數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

系統(tǒng)采用LabSQL對Microsoft SQL Server 2008進(jìn)行訪問。LabSQL包含4類VI：Command VIs用于實現(xiàn)基本的ADO操作；Connection VIs用于管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的連接；Recordset VIs用于對數(shù)據(jù)庫的記錄進(jìn)行添加、修改、刪除等操作；Top Level VIs用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用層的操作。

如圖4所示為將原始數(shù)據(jù)按寄存器定義表進(jìn)行解析后存入解析數(shù)據(jù)表的子VI程序圖。在子VI外部調(diào)用了Create connection.vi和Open connection.vi，通過對子VI建立輸入通道對Open connection.vi的返回值A(chǔ)DODB._Connection Out進(jìn)行引用。程序中使用SQL Execute.vi直接編寫SQL查詢和插入語句對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。程序?qū)Φ讓硬杉鴣淼腄M區(qū)數(shù)據(jù)按寄存器定義表dbo.RCMS_register進(jìn)行循環(huán)查詢，當(dāng)查詢的DM區(qū)在dbo.RCMS_register中無記錄時，判斷條件為真，則不將該數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)解析表；當(dāng)查詢的DM區(qū)在dbo.RCMS_register中有記錄時，判斷條件為假，則將該寄存器的內(nèi)容存儲至解析數(shù)據(jù)表dbo.RCMS_data中。

圖4 解析原始數(shù)據(jù)子VI

3.3 LabVIEW與Controller Link板卡的數(shù)據(jù)交換

LabVIEW與Controller Link板卡的數(shù)據(jù)交換通過LabVIEW調(diào)用C庫函數(shù)與FinsGateway軟件進(jìn)行通信來實現(xiàn)。

3.3.1 FinsGateway與C庫函數(shù)

FinsGateway是Controller Link通訊協(xié)議的驅(qū)動程序，它為計算機上的32位Windows操作系統(tǒng)提供一個工廠自動化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[3]。FinsGateway支持兩種通信方式：EventMemory和FINS方式。EventMemory即數(shù)據(jù)鏈接方式，其工作原理如圖5所示。通過在PCI板卡中虛擬出兩個內(nèi)存區(qū)，即CIO區(qū)和DM區(qū)，將PCI板卡虛擬成為網(wǎng)絡(luò)中的一個PLC節(jié)點。使用數(shù)據(jù)鏈接將各節(jié)點PLC的數(shù)據(jù)映射到虛擬的CIO區(qū)和DM區(qū)中，上位機軟件直接訪問對應(yīng)的內(nèi)存地址即可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀寫。

FinsGateway提供了供應(yīng)用程序調(diào)用的C庫函數(shù)，可以使用戶自由的編寫上位機軟件，實現(xiàn)對Controller Link板卡的Event Memory區(qū)讀寫，以及使用FINS指令對其他節(jié)點執(zhí)行讀寫操作。主要C庫函數(shù)如表2所示。

圖5 FinsGateway的EventMemory方式工作原理圖

以Clk Read Data link為例，hCLK為PCLKHANDLE類型變量，為ClkOpen執(zhí)行后的返回值句柄。pEmAddress為結(jié)構(gòu)體，由LPCTSTR類型的lpszMemName變量和DWORD類型的dwWordOffset變量組成。lpszMemName為數(shù)據(jù)區(qū)名稱，即CIO或DM，dwWordOffset為讀取地址的首地址。lpReadData為接收數(shù)組的起始地址。dwSize為讀取的字的數(shù)量。

表2 FinsGateway提供的部分C庫函數(shù)

表3 LabVIEW中創(chuàng)建的CLF節(jié)點函數(shù)原型

3.3.2 LabVIEW調(diào)用C庫函數(shù)的實現(xiàn)

LabVIEW提供了強大的外部程序接口能力。使用CLF(Call Library Function)節(jié)點可以讓LabVIEW方便的調(diào)用C、VC、VB等編程語言編寫的程序以及其他API函數(shù)。表2中已經(jīng)給出了與數(shù)據(jù)鏈接方式相關(guān)的C庫函數(shù)。一個完整的數(shù)據(jù)鏈接過程包括3步：第一步，使用ClkOpen函數(shù)打開應(yīng)用程序接口并返回CLK句柄；第二步，使用ClkReadDatalink函數(shù)或ClkWriteDatalink函數(shù)對數(shù)據(jù)鏈接區(qū)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎坏谌?，使用ClkClose函數(shù)關(guān)閉程序接口并釋放CLK句柄[5]。

在LabVIEW中分別參照表2中的函數(shù)原型為4個函數(shù)創(chuàng)建CLF節(jié)點，如表3所示為各函數(shù)在LabVIEW中創(chuàng)建的CLF節(jié)點函數(shù)原型。其中，PCLKHANDLE類型對應(yīng)于LabVIEW中的U32類型；BYTE類型對應(yīng)于U8類型；INT類型對應(yīng)于I32類型；PEMCLKADDRESS結(jié)構(gòu)體對應(yīng)于LabVIEW中的簇類型；LPWORD對應(yīng)于I32值指針傳遞。

如圖6所示為創(chuàng)建的1000ms數(shù)據(jù)采集定時循環(huán)，使用了兩個ClkReadDatalink函數(shù)分別采集DM8300開始的600個字的數(shù)據(jù)和CIO3030開始的120個字的數(shù)據(jù)，并使用trans.vi對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。當(dāng)開始采集標(biāo)志位置ON時，每1000ms時間到則對CIO區(qū)和DM區(qū)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采集和存儲。

圖6 1000ms數(shù)據(jù)采集定時循環(huán)

3.4 遠(yuǎn)程故障診斷接口

遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)以其巨大的潛在價值越來越得到用戶和設(shè)備生產(chǎn)廠商的關(guān)注。使用遠(yuǎn)程故障診斷可以幫助用戶以最快的速度和最低的成本解決最棘手的問題。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享預(yù)留了接口。使用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)編程模塊，創(chuàng)建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享接口。用戶可通過軟件配置，使用UDP協(xié)議發(fā)送本地數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié)論

本文的創(chuàng)新點是把LabVIEW虛擬儀器技術(shù)用于大型起重機的自動控制和智能管理，開發(fā)出人性化的人機控制界面，實現(xiàn)對起重機的操控，狀態(tài)的監(jiān)視，數(shù)據(jù)存儲及其它信息管理功能。此外，考慮到功能上的擴展，系統(tǒng)預(yù)留了遠(yuǎn)程故障診斷接口，實現(xiàn)了本地數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。該系統(tǒng)實用性強，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和智能化的監(jiān)控操作。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，大型起重機自動控制與智能管理系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

[1]陳斌,袁雪,管國強,等.基于LabVIEW的生物發(fā)酵過程遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,39(9):62-63.

[2]陳錫輝.LabVIEW 8.2程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[3]吳松濤,龔家偉.在LabVIEW中利用LabSQL實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問[J].國外電子測量技術(shù),2006,25(4):53-56.

[4]徐世許,鄭健,孫衛(wèi)國.基于FINS協(xié)議的Controller Link網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程,2007,33(10):95-97.

[5]徐世許,宮淑貞,彭濤.可編程序控制器應(yīng)用指南:編程·通信·聯(lián)網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

The auto control and intelligent management system of large crane

ZHOU Qi-cai1, ZENG Li1, ZHAO Jiong1, ZHOU Tie-liang2, ZHANG Su-su2

該文詳細(xì)介紹了以LabVIEW虛擬儀器為開發(fā)平臺建立的起重機自動控制與智能管理系統(tǒng)。作者以Controller Link控制網(wǎng)絡(luò)的起重機控制系統(tǒng)為研究對象，通過使用LabVIEW調(diào)用C庫函數(shù)完成了上位機與Controller Link網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了上位機對起重機控制網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控功能。使用Microsoft SQL Server 2008建立了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并利用LabSQL實現(xiàn)了系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的連接與訪問。此外，該系統(tǒng)還為遠(yuǎn)程故障診斷提供了預(yù)留的數(shù)據(jù)共享接口。系統(tǒng)界面美觀，運行穩(wěn)定可靠，具有較高的實用價值。

起重機；自動控制；智能管理；LabVIEW；LabSQL

周奇才（1962 -），男，江蘇人，教授，研究方向為工程物流裝備及自動化。

TH218

A

1009-0134(2013)06(上)-0080-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).24

2013-03-25