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(fā)方法，針對掘進機需要采集大量異構(gòu)數(shù)據(jù)的特點以及各系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，開展了針對性設(shè)計，實現(xiàn)了掘進機人機界面所需的全部功能。

[關(guān)鍵詞]掘進機; PRODAVE;異構(gòu)數(shù)據(jù);人機界面

[中圖分類號]TP311 [文獻標(biāo)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(shù)于一體，能一次性完成隧道開挖、排碴與襯砌，實現(xiàn)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(shè)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(gòu)重量大、動力強，控制邏輯復(fù)雜，作業(yè)過程十分危險，迫切需要一個高可靠性的控制系統(tǒng)來指揮作業(yè)。掘進機電氣控制系統(tǒng)的核心，一般以PLC（Programmable Logic Controller）為主，而人機界面是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)和用戶之間進行信息交換和業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)的媒介，是整個系統(tǒng)的靈魂。

進入21世紀(jì)以后，信息技術(shù)的迅速發(fā)展也使得工控業(yè)的智能化水平不斷提高，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也開始被越來越多的人關(guān)注。德國針對自己的制造業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其后各國紛紛效仿，針對自己的國情提出來相應(yīng)的工業(yè)發(fā)展策略。從各國提出的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略來看，都指向了同一個方向，那就是將信息化與工業(yè)化相結(jié)合，并從生產(chǎn)型轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)型。在大環(huán)境的影響下，掘進機作為一個高端地下工程設(shè)備，開始被越來越廣泛地應(yīng)用在隧道施工上。為適應(yīng)惡劣的環(huán)境，一種結(jié)構(gòu)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(fù)雜的運算，更不能將工藝流程動態(tài)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(xiàn)代工業(yè)中，一般都會采用兩級控制，底層控制器控制工業(yè)設(shè)備運行，操作層則為使用者提供了人機交互界面?，F(xiàn)場工控系統(tǒng)，一般由PLC、上位機和各種智能儀表及執(zhí)行器等組成，三者組成的工控網(wǎng)絡(luò)之間需要數(shù)據(jù)交互，而不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備的通信協(xié)議都不一樣，因此需要研發(fā)一套系統(tǒng)來完成通信。

人機交互系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務(wù)邏輯處理及UI界面等于一體的復(fù)雜交互系統(tǒng)，對人機交互系統(tǒng)的開發(fā)也主要圍繞以上需求展開。

文章旨在解決人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)中的最關(guān)鍵節(jié)點問題，即數(shù)據(jù)采集與處理問題。

1 系統(tǒng)介紹

掘進機控制系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)學(xué)研用等領(lǐng)域內(nèi)的不同單位對其架構(gòu)的劃分方式也不盡相同，將整個掘進機控制系統(tǒng)分為5層架構(gòu)，分別為現(xiàn)場層、IO層、控制層、監(jiān)控層以及地面層。其中現(xiàn)場層包含了掘進機的傳感測量器件以及末端執(zhí)行機構(gòu)，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(shè)備上所有的數(shù)據(jù)交互模塊，如第三方I/O 設(shè)備、遙控器、智能儀表、其他總線設(shè)備及網(wǎng)關(guān)、分系統(tǒng)控制子站等;控制層是整個控制系統(tǒng)的中央主CPU，所有運算與邏輯控制都在這里進行，本設(shè)計適配西門子S7-300、S7-400、S7-1500系列PLC;監(jiān)控層包括了視頻監(jiān)控主機、工控機、顯示屏、觸摸屏等，用于監(jiān)控設(shè)備狀態(tài);上述1～4層都位于隧道內(nèi)的掘進機上，處于隧道內(nèi);而地面層則通常部署在項目部的地面監(jiān)控室內(nèi)，主要包含了地面監(jiān)控平臺與視頻監(jiān)控主機，作用是讓項目管理部實時監(jiān)控地下設(shè)備的運行情況。

2 通信方法設(shè)計

為了提升自身技術(shù)積累，掌握自主權(quán)，本文設(shè)計的掘進機人機界面基于西門子Prodave工具包開發(fā)。西門子Prodave軟件提供了用于第三方開發(fā)的動態(tài)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(diào)用動態(tài)鏈接庫，可在自動化系統(tǒng)和PG / PC之間建立SIMATIC AS（Automation Station）的DP、MPI或以太網(wǎng)通信。在通信期間，Prodave工具包擁有訪問S7DOS組件的權(quán)限。掘進機人機界面軟件通過動態(tài)鏈接庫與PLC建立起通信后，便可以對掘進機的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行交互。

2.1 Prodave主要函數(shù)聲明

本控制軟件中使用到的主要函數(shù)及其主要功能如表1所示。

2.2 通信流程

根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊接口函數(shù)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(shè)置CPU通信密碼、設(shè)置通信類型、設(shè)置CPU站號、設(shè)置CPU槽號、設(shè)置單詞讀寫長度、設(shè)置CPU的IP地址、設(shè)置CPU連接代號、設(shè)置數(shù)據(jù)塊編號、設(shè)置數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)長度（字節(jié)）、設(shè)置通信時間間隔（ms）、設(shè)置命令數(shù)據(jù)塊編號、設(shè)置命令數(shù)據(jù)起始地址等。根據(jù)接口定義及Prodave動態(tài)連接庫函數(shù)，建立數(shù)據(jù)塊讀取函數(shù)（ReadDB），循環(huán)讀取函數(shù)，命令寫入函數(shù)、連接及斷開函數(shù)。

在組件類的基礎(chǔ)上，根據(jù)接口定義，建立起掘進機專用數(shù)據(jù)塊讀取函數(shù)，循環(huán)對PLC數(shù)據(jù)區(qū)進行連接、讀取、寫入、斷開等操作，以滿足掘進機大數(shù)據(jù)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(zhí)行中斷指令UnloadConnect。

（2）執(zhí)行LoadConnect指令，初始化連接接口。

（3）連接PLC，執(zhí)行SetPassword命令，使用預(yù)設(shè)密碼進行連接訪問。

（4）執(zhí)行SetActiveConnect命令，激活連接通道，通過本通道進行后續(xù)的數(shù)據(jù)交互;

（5）執(zhí)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(zhí)行Field_read、Field_write等讀寫命令，進行與PLC的數(shù)據(jù)交互。

（7）執(zhí)行UnloadConnect命令，斷開連接。

（8）結(jié)束程序。

3 控制軟件開發(fā)

本論文所設(shè)計的人機界面軟件具備集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務(wù)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(quán)限。通過基于Prodave開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊，我們獲取到了所需要的完整的控制器有效數(shù)據(jù)，但是該有效數(shù)據(jù)是以字節(jié)數(shù)字的形式獲取，需要對其解析才能供整個應(yīng)用程序使用。上面已經(jīng)說到了，如果使用常規(guī)解析方法，那么在下一臺設(shè)備上，一旦有改動就要重新開發(fā)軟件，沒有辦法通用。因此根據(jù)有效數(shù)據(jù)的作用，將數(shù)據(jù)劃分為4段，分別是公共數(shù)據(jù)（Common Data）、報警數(shù)據(jù)（Alarm Data）、參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)（Parameter Data）以及累積量數(shù)據(jù)（Sum Data）。根據(jù)4段數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)解析及處理函數(shù)封裝再基本塊（BaseClass）中，另外再通過公共類（Module）處理整個數(shù)據(jù)模型。

為了能使每臺設(shè)備的字節(jié)數(shù)據(jù)與各數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)對應(yīng)上，避免每臺設(shè)備都需要單獨編程，建立帶有各數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)屬性的對象，便于全局引用，系統(tǒng)采用了XML生成結(jié)構(gòu)對象的方法來實現(xiàn)這一操作。可擴展標(biāo)記語言（XML）是一種標(biāo)記語言，它定義了一組規(guī)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(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);在程序中通過讀取XML結(jié)構(gòu)來獲取本臺設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再依據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去解析字節(jié)數(shù)據(jù)。每當(dāng)生產(chǎn)1臺新設(shè)備時，只需要修改XML文檔就可以便捷地解析讀取到的字節(jié)數(shù)據(jù)，開發(fā)起來方便且快捷。

4 優(yōu)缺點分析

目前國內(nèi)掘進機行業(yè)使用最多的是西門子PLC，使用PRODAVE開發(fā)掘進機控制軟件，能夠很好的實現(xiàn)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(fā)成本低，且有利于企業(yè)自身積累技術(shù)經(jīng)驗。但由于PRODAVE動態(tài)鏈接庫只能在X86環(huán)境下編譯，無法在其他系統(tǒng)框架下使用，導(dǎo)致其適用性受到限制。

5 結(jié)束語

基于西門子PRODAVE動態(tài)鏈接庫開發(fā)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(yè)技術(shù)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(shè)備上。

參考文獻

[1] 閆少勃.國產(chǎn)化PLC上下位機安全通信技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[2] Hoyoung Jeong，Nan Zhang，Seokwon Jeon. Review of Technical Issues for Shield TBM Tunneling in Difficult Grounds. 2018，28（1）：1-24.

[3] 李豐堂，謝明紅.基于VC++的PC與PLC的通信軟件設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2008，18（8）：219.